根腐线虫胁迫对不同抗性苎麻品种根系生长发育的影响

周倩文，全芮萍，王薇，刘纯，李赟，佘伟，杨瑞芳，崔国贤

(湖南农业大学苎麻研究所，湖南 长沙 410128)

苎麻属荨麻科苎麻属，是一种多年生宿根性草本纤维植物[1]。苎麻在国外被称为“中国草”[2]，是我国特产的优良天然纤维作物[3]。苎麻纤维具有吸湿、透气、抗菌等特性[4－5]，苎麻织物同时具有良好的穿着服用性能，深受世界各国人民的喜爱。目前，我国的苎麻种植面积和原麻产量占世界的90%以上[6]。随着科学技术的高速发展，苎麻多功能用途被不断开发，应用价值也随之扩大，其产业朝着纤用[7]、饲用[8]、水土保持[9]、土壤修复[10－11]等多方面综合利用的方向发展，与人类生活息息相关。

苎麻根腐线虫病与苎麻花叶病、苎麻白纹羽病并列为苎麻三大病害，严重危害苎麻生长。大量研究表明，咖啡短体线虫为苎麻根腐线虫病的主要病原线虫[12－14]，该线虫通过侵染植物根部，使主根部大面积腐烂从而造成植物根系功能丧失，导致植物水分与营养吸收受阻[15]，影响植株正常生长。苎麻根腐线虫病主要危害苎麻地下根茎，以肉质根茎受害最重，同时也侵害其他根茎，破坏根的皮层部分[16]。苎麻根腐线虫病是引起苎麻麻蔸腐烂从而导致减产的一个主要原因，给苎麻产业带来严重的经济损失。目前对根腐线虫胁迫下苎麻根系生理研究鲜有报道，本研究初步探讨接种根腐线虫后不同苎麻品种间根系酶活性、根系次生代谢物、根系氨基酸含量的差异，以期为抗线虫病害苎麻品种的科学利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

结合前人研究选取不同抗性品种[17]，其中感病品种为长沙青叶麻，抗病品种为华苎5号和华苎4号，材料来源于湖南农业大学苎麻研究所苎麻种质资源圃。

1.2 试验设计

土壤盆栽试验于2021年4—11月在湖南农业大学国家麻类阳光办智能温室(北纬28°10′51″，东经113°04′38″)进行。2021年4月扦插育苗，同年5月选取生长良好、大小相当的苎麻幼苗移栽至已浇足水分的盆中(盆高29 cm，底部直径19 cm，顶部直径25 cm)，每盆移栽2株，每个处理重复5次。

采用改进蔗糖密度浮选法[18]分离土壤中的根腐线虫。同年8月待移栽的苎麻幼苗破秆后，在幼苗根部土壤中将分离的线虫接种液进行浇蔸处理，每盆接种150头，以不接种根腐线虫作为对照；同年11月收获期挖取麻蔸测定各处理根系情况，测定各处理的鲜根重、根冠比、根系抗氧化酶活性、根系代谢物及其根系氨基酸含量。

1.3 测定项目与方法

线虫取样:在湖南农业大学苎麻研究所种质资源圃挖取具有根腐线虫病症状的苎麻根际土壤。

地上部鲜重:将植株地上部剪下后称重；地上部干重:将剪下的植株地上部置于烘箱中，在105℃下杀青，75℃烘干至恒重，再用万分之一电子天平称量；根系鲜重:将植株根系挖出，用清水洗净，吸干根系表面水分后称重；根系干重:将吸干表面水分的根系置于烘箱中，在105℃下杀青，75℃烘干至恒重，再用万分之一电子天平称量；根冠比:根系干重与地上部干重的比值。

丙二醛(MDA)含量、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、绿原酸含量测定使用索莱宝(北京)生物科技有限公司试剂盒，总酚含量、木质素含量测定使用上海优选生物科技有限公司试剂盒，具体测定步骤参照各试剂盒使用说明书。氨基酸含量用氨基酸自动分析仪测定，由上海优选生物科技有限公司测定。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2019进行数据统计，采用SPSS 26.0系统进行数据处理，用Oringin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 根腐线虫胁迫对苎麻根系鲜重、根冠比的影响

根系是苎麻吸收水分和营养元素的主要器官，同时也是合成多种激素、氨基酸和有机酸的重要场所。由表1可知，根腐线虫侵染能够降低植株根系鲜重，与CK相比，根腐线虫胁迫下长沙青叶麻、华苎5号、华苎4号根系鲜重分别下降了88.94%、70.21%、23.77%，其中华苎4号下降率最低，表明其抗根腐线虫能力最强。

表1 根腐线虫胁迫下不同苎麻品种根系鲜重、根冠比统计分析Table1 Statistical analysis of root fresh weight/root－shoot ratio among different ramie varieties under root－lesion nematode stress

根冠比是植物光合作用产物分配的重要体现。由图1可知，抗病、感病品种间根冠比差异明显，与接种前相比，长沙青叶麻根冠比略有下降，而华苎5号、华苎4号则小幅增加。

图1 根腐线虫胁迫下不同苎麻品种根系鲜重、根冠比差异分析Fig.1 Difference analysis of root fresh weight/root－shoot ratio among different ramie varieties underroot－lesion nematode stress

2.2 根腐线虫胁迫对苎麻根系丙二醛含量的影响

植物丙二醛(MDA)含量可以反映细胞膜脂过氧化程度，苎麻根系MDA含量越高，说明根系细胞膜脂的过氧化程度越高，细胞膜受到的伤害越严重。由图2可知，接种后长沙青叶麻根系MDA含量显著高于华苎4号、华苎5号。根腐线虫侵染苎麻根系后，不同抗性品种根系MDA含量增加幅度不同:根系MDA含量最高的苎麻品种为长沙青叶麻，MDA含量为195.68 nmol/g，同CK相比增加了117.42%；华苎4号MDA含量为129.36 nmol/g；根系MDA含量最低品种为华苎5号，其MDA含量为120.53 nmol/g。说明根腐线虫胁迫下华苎5号根系细胞膜脂的过氧化程度低，细胞膜受到的伤害低于长沙青叶麻、华苎4号。

图2 根腐线虫胁迫对苎麻根系丙二醛(MDA)含量的影响Fig.2 Effects of ramie root－lesion nematode stress on malondialdehyde MDA in ramie roots

2.3 根腐线虫胁迫对苎麻根系过氧化物酶活性的影响

过氧化物酶(POD)通过有效清除过剩自由基来提高植物的抗逆性。由图3可知，根腐线虫胁迫下3个不同抗性苎麻品种根系POD活性达到显著差异，与CK相比均表现为上升，华苎4号明显高于华苎5号及长沙青叶麻。华苎4号根系POD活性最强，为3631.33 U/g，与CK相比增加206.00%；长沙青叶麻根系POD活性为2025.80 U/g，与CK相比增加15.00%，增幅最小。

图3 根腐线虫胁迫对苎麻根系过氧化物酶(POD)活性的影响Fig.3 Effect of root－lesion nematode disease on changes of root Peroxidase POD activity in different ramie varieties

2.4 根腐线虫胁迫对苎麻根系过氧化氢酶活性的影响

过氧化氢酶(CAT)是植物体内主要的抗氧化酶，能够抑制活性氧自由基对机体的伤害，使植物保护系统免受伤害。由图4可知，根腐线虫侵染苎麻根系后，华苎5号CAT活性显著高于华苎4号、长沙青叶麻，各抗性品种根系CAT活性均呈上升趋势，但提升的幅度不同，长沙青叶麻CAT活性增长量低于华苎5号、华苎4号。与CK相比，接种后长沙青叶麻CAT活性上升了407.67 U/g，华苎5号CAT活性增长量最高，其CAT活性上升了1398.13 U/g，是长沙青叶麻CAT活性增长量的3.43倍。说明在根腐线虫胁迫下根系CAT活性敏感度较强的苎麻品种为华苎5号。

图4 根腐线虫胁迫对苎麻根系过氧化氢酶(CAT)活性的影响Fig.4 Effect of hydrogen peroxide stress on CAT activity of ramie root－lesion nematode

2.5 根腐线虫胁迫对苎麻根系次生代谢物含量的影响

酚类物质是植物最重要的次生代谢物，具有抗氧化、清除自由基、抵御生物和非生物胁迫作用。由表2可知，接种前抗病、感病品种的总酚含量基本接近，接种后各个品种的总酚含量都表现为增加，但抗病品种总酚含量的增加明显高于感病品种，两个抗病品种华苎5号、华苎4号的总酚增加量分别为9.13 mg/g(鲜重)和6.22 mg/g(鲜重)，长沙青叶麻的总酚增加量为2.21 mg/g(鲜重)，若以接种后的增加量占接种前的百分数表示，抗病品种的增量为感病品种的3～5倍。

木质素存在于植物细胞次生壁组与胞间层的中间，植物对病原物侵染产生抗性反应的一种特性表现为木质素含量的增加。对抗病、感病品种根系的木质素含量测定结果表明，接种前植株根系木质素含量无明显变化，接种后，抗病、感病品种的木质素含量变化明显不同，抗病品种华苎5号和华苎4号分别增加39.00%和48.97%，而感病品种长沙青叶麻则降低15.35%。

绿原酸是总酚类物质的组成成分之一，总酚类物质对线虫的影响主要通过绿原酸发挥作用。由表2可知，绿原酸含量的变化与总酚含量的变化较相似，接种根腐线虫后，抗病、感病品种绿原酸含量都明显上升，长沙青叶麻增加105.29%，而抗病品种华苎5号、华苎4号则分别增加214.58%和195.58%。从接种后抗病、感病品种的绿原酸绝对含量来看，抗病品种绝对含量分别为35.61 mg/g(鲜重)和32.13 mg/g(鲜重)，显著高于感病品种。

表2 根腐线虫侵染后苎麻根系次生代谢物含量变化Table 2 Changes of secondary metabolites in ramie roots after being eroded by root－lesion nematode

2.6 根腐线虫胁迫对苎麻根系氨基酸含量的影响

表3为苎麻根系氨基酸含量的测定结果。测试样品中共检测出17种氨基酸的16种，胱氨酸未被检测到，与未接种相比，接种后抗病、感病苎麻品种根系氨基酸总量都表现为增加，16种氨基酸均有不同程度的变化。感病品种氨基酸含量增加的幅度远远超过抗病品种，感病品种长沙青叶麻氨基酸总量增加了52.72%，而两个抗病品种分别增加16.53%、13.54%，感病品种氨基酸增量为抗病品种的3～4倍。根据抗病苎麻品种根系氨基酸含量变化差异，将16种氨基酸分为以下6类:第一类为天门冬氨酸、蛋氨酸、组氨酸和丙氨酸，接种根腐线虫后，感病品种长沙青叶麻的四种氨基酸含量急剧增加，分别增加了111.40%、104.30%、87.06%和62.38%，而抗病品种华苎4号氨基酸含量只有轻微增加，华苎5号氨基酸含量呈降低趋势；第二类为苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸和异亮氨酸氨，其氨基酸变化与氨基酸总量的变化一致，接种后抗病、感病品种的含量都表现为增加，但感病品种增加的幅度明显高于抗病品种；第三类为苯丙氨酸，接种后抗病、感病品种苯丙氨酸的含量都有较大程度的增加，抗病品种增幅大于感病品种，这可能与苯丙氨酸参与苯丙烷类代谢有关，因此，推测与苎麻根腐线虫抗性呈正相关；第四类为亮氨酸、甘氨酸以及酪氨酸，这三种氨基酸的变化与苯丙氨酸正好相反，接种根腐线虫后，感病品种的亮氨酸含量增加58.93%，而抗病品种的亮氨酸含量分别增加了4.64%和8.39%，甘氨酸的含量在感病品种中分别增加42.36%，而抗病品种却降低了16.58%、14.65%，抗病品种的酪氨酸含量增加21.76%～26.08%，感病品种的含量增加59.84%；第五类为赖氨酸、缬氨酸和脯氨酸，在抗病、感病品种间其无明显的变化，推测与品种的抗性无明显关系；第六类为精氨酸，其含量在感病品种接种根腐线虫前后无明显变化，但在抗病品种中却未检测到。

表3 根腐线虫侵染后苎麻根系氨基酸含量变化Table 3 Changes of amino acid content in ramie roots after being eroded by root－lesion nematode

3 讨论

苎麻根腐线虫可侵染苎麻根部组织，导致苎麻根系出现坏死甚至腐烂，此外，根腐线虫侵染根系造成的伤口有利于植物病原菌侵入，从而加重对苎麻的危害。植物根系具有锚定植株、吸收和运输土壤中的水分和养分、合成和贮藏营养物质等功能，发育良好的根系是植物高产稳产的基础。只有苎麻根系生长发育状况良好，苎麻地上部分才能正常生长。本试验中，根腐线虫胁迫下3个不同抗性苎麻品种鲜根重均有下降，且品种间存在差异，抗性越高线虫病害对其影响越小，其中华苎4号根鲜重降幅最小，为23.77%。根冠比是植物根系与冠层之间的干重之比[19]，反映了光合产物的分配情况。地上部与地下部之间的物质分配不仅影响单株植物的生长发育，还影响到植物的功能与结构。根部病虫害加重，根系活力明显降低，从而使苎麻根系的吸收、合成能力降低，影响了植株的生长发育，使苎麻根系、冠部的干物质积累量均低于对照。本研究发现在根腐线虫胁迫下感病品种长沙青叶麻的根冠比下降为65.79%，表明其抗根腐线虫能力最弱。

植株体内过量的活性氧会引起细胞膜脂过氧化，破坏细胞膜结构和功能，导致MDA积累，破坏细胞膜完整性，进而引起一系列的生理生化紊乱，植物的正常生命活动受阻。MDA是细胞膜脂过氧化作用的产物之一。本研究结果表明，根腐线虫胁迫下华苎5号根系细胞膜的氧化程度低，细胞膜受到的损伤较小。为了使细胞免受ROS的潜在伤害，植株根系在受到病害胁迫的过程中能够自发产生防御系统，即抗氧化酶活系统，抗氧化酶主要有SOD、POD以及CAT，线虫胁迫下3个不同抗性品种根系POD活性、CAT活性增加，这与前人研究一致，且抗病品种活性增加高于感病品种，反映出抗病麻株在受到线虫侵染后根部的防御反应比感病麻株快，从而抑制了病菌的进一步入侵，说明不同苎麻品种的抗病性与苎麻根腐线虫胁迫下苎麻根内POD、CAT酶活性的变化密切相关。

次生代谢物是植物代谢的最终产物，是植物抗病虫的主要生化基础。总酚及绿原酸都属于酚类物质，酚类物质是植物细胞结构和功能上非常重要的有机物，能够密切反映出植物病害抗病、感病程度，酚类物质增加越高抗虫性越强。本研究结果表明:线虫胁迫下抗病品种的总酚、绿原酸含量均高于感病品种，说明在线虫胁迫下，抗病品种为了抵御线虫侵染增加酚类物质的分泌，从而缓解逆境对植物的伤害；木质素木质化组织十分紧凑，大分子物质不能通过组织，因此木质素能够抵抗微生物的侵袭，从而提高植物抗病能力。木质素代谢途径与植物体内参与多种生理活动的其他次生物质的代谢途径相互交叉，因此，木质素的含量与植物抗病、抗寒、抗金属胁迫等逆境胁迫响应机制密切相关[23]。本研究发现，抗病品种木质素含量增加，感病品种则相反，这可能是根腐线虫胁迫下抗病品种根系内存在木质化作用。

氨基酸是酶和蛋白质的基本构成单位，参与形成新的蛋白和新的酶类，还可以作为营养物质被侵入线虫摄取，已有研究表明，不同植物根系氨基酸种类与数量有明显差异[25]，与植株抗病性有关。本研究发现，在抗病品种中未检测到精氨酸，已有学者研究发现，感病大豆品种根系主要氨基酸为精氨酸[26]，猜测其存在更有利于线虫的侵染。李亚莉等[27]研究发现，感病品种根部氨基酸含量高于抗病品种。张海平等[28]研究发现，与不接种对照相比，接种后大豆根系氨基酸总量都表现为增加，且易感品种增幅大于抗性品种，与本研究结果一致。本研究表明，感病品种氨基酸含量及增幅均高于抗病品种，说明抗病品种可以通过调节自身营养成分，导致某些氨基酸含量不平衡，阻碍线虫生长，达到抗性结果。

4 展望

苎麻是我国特色经济作物，各种病原菌和害虫直接影响到苎麻生长发育，造成原麻产量和纤维质量下降，不利于苎麻产业的可持续发展。

目前对于苎麻根腐线虫病有关报道较少，尤其在根腐线虫胁迫下根系生理指标变化等方面。本研究发现根腐线虫胁迫下苎麻不同抗性品种根系次生代谢物、氨基酸种类及其含量存在差异，可通过该方法选育抗根腐线虫病害优质种质资源。

当前苎麻病害防治方法较为单一，多为化学防治或者物理防治。我们应与时俱进，利用现代科学技术深入研究综合防治措施，研发更加科学、实用、高效的技术与方法。病害作为影响苎麻生产的一大隐患，要充分重视其给麻类产业带来的危害，加强防治与控制，防患于未然。

苎麻病害防治的重点在于预防，可以通过以下几个方面:坚持可持续发展农业，将防与治相结合，推广全程绿色防控技术模式，综合实施农业防治、物理防治、生物防治、生态调控，科学合理安全使用高效低毒绿色防控技术；培育出抗性高、优质高产、综合性状好的新品种，利用现代生物基因育种技术，培育出更加稳定、高产的抗病品种；利用现代科学技术，基于电磁辐射的高光谱技术与图像处理相结合，建立完善病害监测体系，使病害管理工作更加模式化、信息化。如刘爽[29]等基于高光谱技术对大豆病害胁迫进行分类与诊断，及时有效地防治病害，减少产业经济损失。