茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系生长及抗枯萎病相关物质含量和酶活性的影响

朱国宏，侯树安，吴小芳，辛 营，许传强

（设施园艺省部共建教育部重点实验室·环渤海湾地区设施园艺蔬菜优质高效生产协同创新中心·北方园艺设施设计与应用技术国家地方联合工程研究中心·沈阳农业大学园艺学院 沈阳 110866）

甜瓜（Cucumis meloL.）是葫芦科、甜瓜属一年生果实类园艺作物，因其果实香甜多汁而备受消费者喜爱。近年来，设施甜瓜栽培生产中由连作等导致的真菌性土传病害枯萎病时有发生。尽管嫁接可以有效防治甜瓜枯萎病发生。但设施甜瓜嫁接栽培中由砧木选择不当而导致的果实品质和产量下降等问题也时有发生。因此，从提升设施甜瓜栽培中抗枯萎病能力角度入手，积极探索寻找科学、合理的新农艺措施是控制和缓解枯萎病发生的有效手段之一，也可为设施甜瓜产业的可持续发展提供理论指导和技术保障。

伴生栽培是指选择具有某些特殊作用，且不以产量为目标，相间种植在主栽作物旁边以达到某些目标的一种间作栽培形式[1]。已有研究表明，在花生/苍术间作[2]、分蘖洋葱/番茄伴生[3]、玉米/大豆间作[4]、玉米/辣椒间作[5-6]和小麦/黄瓜伴生[7]等试验中均发现间作（伴生）栽培条件下可有效控制和缓解土传病害的发生。在间作（伴生）栽培条件下，伴生作物可以通过释放无毒性物质，改善土壤微生物环境和诱导抗性等方面控制和缓解土传病害的发生[6，8-9]。植物在病原菌侵染时会发生一系列的生理生化反应而增强对病原菌的抵抗能力，如抗病相关的次生代谢物质（木质素、总酚、类黄酮等）含量增加、防御酶（苯丙氨酸解氨酶、β-1，3-葡聚糖酶、几丁质酶等）活性增强、抗病相关基因表达量升高等。如：分蘖洋葱伴生栽培下可通过显著提高番茄根系中木质素、总酚等物质含量，也显著增强了过氧化物酶活性、多酚氧化酶活性和苯丙氨酸解氨酶活性，降低了番茄黄萎病的发病率[10]。小麦/西瓜伴生栽培时，西瓜根系中抗枯萎病相关基因表达增强，木质素和总酚含量以及β-1，3-葡聚糖酶活性显著升高，进而提高了西瓜对枯萎病的抗性[11-12]。旱作水稻与西瓜的间作试验中发现，水稻根系分泌物香豆酸能够显著增强西瓜根系β-1，3-葡聚糖酶活性，诱导西瓜CIPR3基因的表达，显著降低西瓜的枯萎病发病率[13]。可见，适宜的伴生栽培作物能够诱导番茄、西瓜等作物根系增强防御酶活性、诱导抗病相关基因表达，从而抵抗病原菌侵染，增强抗病性。

本课题组前期研究发现，不同间作植物对薄皮甜瓜植株生长、营养吸收和果实品质影响不同，茴香/薄皮甜瓜间作表现出较强生长势，根系活力显著高于薄皮甜瓜单作栽培，且对果实品质无显著影响[14]。但有关茴香伴生栽培条件下是否能够增强薄皮甜瓜抗枯萎病能力尚未见详细报道。鉴于此，笔者以茴香（Foeniculum vulgare）为伴生栽培作物，系统分析在接种尖孢镰刀菌甜瓜专化型（Fusarium oxysporumf. sp.melonis，FOM）条件下薄皮甜瓜根系中丙二醛、木质素、总酚和类黄酮含量变化特征，以及薄皮甜瓜根系防御酶（多酚氧化酶、过氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶、β-1，3-葡聚糖酶）活性变化，为构建控制和缓解枯萎病发生的农艺措施体系提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试薄皮甜瓜（Cucumis melovar. makuwa）品种为银泉一号，茴香（Foeniculum vulgare）品种为宁兴，均由辽宁省农业科学研究院赠予。用于接种薄皮甜瓜的枯萎病病菌为尖孢镰刀菌甜瓜专化型（Fusarium oxysporumf.sp.melonis，FOM），由沈阳农业大学植保学院赠予。

1.2 方法

试验于2020 年4－7 月在沈阳农业大学园艺学院科研基地进行。将育苗和栽培基质用高压灭菌锅进行灭菌。待薄皮甜瓜长到1 叶1 心时定植于栽培桶（30 cm×24 cm×20 cm）中，每桶定植1株。待薄皮甜瓜幼苗长至3 叶1 心时播种茴香，在距离薄皮甜瓜幼苗5 cm 处播种茴香种子，每桶留15 株茴香。以茴香与薄皮甜瓜伴生栽培为处理T，薄皮甜瓜单作为对照（CK），T 处理和CK 各栽培60桶。伴生茴香出苗后20 d，用灭菌刀片划伤薄皮甜瓜根系，采用无菌注射器注射FOM 液体（孢子浓度1.6×106个·mL-1），每栽培桶接种20 mL。分别于接种前（0 d）和接种后5、10、15 d 取薄皮甜瓜根系，液氮速冻，-80 ℃贮藏，以备测定各项指标。完全随机设计，3 次重复。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 枯萎病发病率调查 分别在接种FOM 的10 d 和15 d 时，调查T 处理与CK 植株（各15 株）的枯萎病发病情况。

1.3.2 根系形态学测定 将CK 和T 处理条件下20 d 的薄皮甜瓜根系洗净，采用植物根系扫描分析仪（Win RHIZO，Canada）计算薄皮甜瓜根系直径、根系长度、根系表面积和根系体积。T 处理和CK每次随机取1 株，3 次重复。

1.3.3 抗枯萎病相关物质含量和酶活性测定 采用硫代巴比妥酸法[15]测定丙二醛（MDA）含量。参考Rodrigues 等[16]的方法测定木质素和总酚含量。参考Pirie 等[17]的方法测定类黄酮含量。参考Liu等[18]的方法测定多酚氧化酶（PPO）活性。采用愈创木酚法[19]测定过氧化物酶（POD）活性。参考Qin等[20]的方法测定苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性。参考余永廷等[21]的方法测定β-1，3-葡聚酶活性。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel（2016）进行数据处理和作图，采用SPSS18.0 进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜植株枯萎病发病率的影响

由图1 可以看出，在接种FOM 后10 d 和15 d，CK 植株枯萎病发病率分别为11.11%和37.78%；T 处理条件下薄皮甜瓜植株枯萎病发病率分别为4.44%和13.33%，均显著低于CK。可见，与CK 相比，T 处理可显著降低薄皮甜瓜植株枯萎病的发病率。

图1 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜植株枯萎病发病率的影响

2.2 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系生长的影响

由表1 可以看出，T 处理薄皮甜瓜根系的平均直径、最大根系长度、根系表面积和根系体积均显著高于CK，分别较CK 提高23.91%、30.35%、77.68%和85.92%。可见，与CK 相比，茴香伴生栽培促进了薄皮甜瓜根系的生长。

表1 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系生长的影响

2.3 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系抗FOM相关物质含量的影响

2.3.1 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中MDA含量的影响 由图2 可以看出，随着接种天数的增加，T处理与CK 根系中MDA 含量变化趋势一致，均呈现逐渐增加趋势。在未接种FOM 时（0 d），CK 根系中MDA 含量略高于T 处理，但无显著差异。在接种FOM 后5、10、15 d，T 处理根系中MDA 含量均显著低于CK，分别较CK 降低24.70%、25.60%和24.14%。

图2 接种FOM 条件下茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中MDA 含量的影响

2.3.2 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中木质素含量的影响 由图3 中可以看出，随着接种FOM 天数的增加，CK 根系中木质素含量无明显变化，在同一处理时间T 处理根系中木质素含量均高于CK。在未接种（0 d）和接种FOM 后5、10 d，T 处理根系中木质素含量分别较CK 提高7.32%、9.03%和5.83%，但二者间均无显著差异。而在接种FOM 后15 d，T 处理根系中木质素含量显著高于CK，较CK提高了35.30%。可见，与CK 相比，T 处理可在接种FOM 后15 d 显著提高薄皮甜瓜根系中木质素含量。

图3 接种FOM 条件下茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中木质素含量的影响

2.3.3 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中总酚含量的影响 由图4 可知，在未接种（0 d）和接种FOM后5～15 d，T 处理与CK 根系中总酚含量均在15 d到达最大值。在接种FOM 后10 d 和15 d，T 处理根系中总酚含量均显著高于CK，分别较CK 提高

图4 接种FOM 条件下茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中总酚含量的影响

46.43%和32.95%，在未接种（0 d）、接种FOM 后5 d二者间均无显著差异。可见，与CK 相比，T 处理在接种FOM 后10 d 即可显著提高薄皮甜瓜根系中总酚含量。

2.3.4 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中类黄酮含量的影响 由图5 可知，随着接种FOM 天数的增加，T 处理与CK 根系中类黄酮含量均呈现逐渐增加趋势。在接种FOM 后5 d，T 处理根系中类黄酮含量显著高于CK，较CK 高36.20%。在接种FOM后15 d，T 处理与CK 根系中类黄酮含量均显著升高，且T 处理显著高于CK，较CK 高38.66%。但在未接种（0 d）和接种FOM 后10 d，T 处理根系中类黄酮含量与CK 无显著差异。综合来看，与CK相比，在接种FOM 后15 d，T 处理能够显著提高薄皮甜瓜根系中类黄酮含量。

图5 接种FOM 条件下茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中类黄酮含量的影响

2.4 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系抗FOM相关酶活性的影响

2.4.1 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中多酚氧化酶（PPO）活性的影响 由图6 可以看出，随接种后时间延长，T 处理和CK 根系中PPO 活性均表现为

图6 接种FOM 条件下茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中多酚氧化酶活性的影响

逐渐提升趋势。在未接种（0 d）和接种FOM 后5、10 d，T 处理根系中PPO 均高于CK，分别较CK 提高8.11%、13.46%和11.48%，但二者间无显著差异。在接种FOM 后15 d，T 处理根系中PPO 活性迅速提升，达到最大值，且显著高于CK，较CK 高25.00%。可见，在接种FOM 后15 d，与CK 相比，T 处理较CK 能够显著促进根系中PPO 活性提升。

2.4.2 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中过氧化物酶（POD）活性的影响 由图7 可以看出，随着接种FOM 天数的增加，T 处理根系中POD 活性逐渐升高。在未接种（0 d）和接种FOM 后5 d，T 处理根系中POD 活性与CK 无显著差异。在接种FOM 后10 d，T 处理根系中POD 活性迅速上升，显著高于CK，较CK 提高85.57%。在接种FOM 后15 d，T处理与CK 根系中POD 活性均达到最大值，且T处理显著高于CK，较CK 提高74.83%。可见，与CK 相比，T 处理能够较早提升根系中POD 活性，从而提升薄皮甜瓜根系抗FOM 能力。

图7 接种FOM 条件下茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中过氧化物酶活性的影响

2.4.3 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性的影响 由图8 可知，在未接种和接种FOM 处理后各时间段，T 处理根系中PAL活性均高于CK。在未接种和接种FOM 后5 d，T处理与CK 根系中PAL 活性均无显著差异。在接种FOM 后10～15 d，T 处理和CK 根系中PAL 活性均表现出升高的趋势，且T 处理根系中PAL 活性显著高于CK，分别较CK 提高21.61%和22.28%。可见，与CK 相比，在FOM 侵染薄皮甜瓜根系10 d，T处理可显著提升薄皮甜瓜根系中PAL 活性。

图8 接种FOM 条件下茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中苯丙氨酸解氨酶活性的影响

2.4.4 茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中β-1，3-葡聚糖酶活性的影响 由图9 可以看出，T 处理与CK根系中β-1，3-葡聚糖酶活性变化趋势基本一致，且均在接种FOM 后5 d 达到最大值。在未接种（0 d）和接种FOM 后5 d，T 处理和CK 根系中β-1，3-葡聚糖酶活性均呈升高趋势，且T 处理显著高于CK，分别较CK 提高21.38%和18.60%。在接种FOM 后10～15 d，T 处理和CK 根系中β-1，3-葡聚糖酶活性均呈下降趋势，T 处理根系中β-1，3-葡聚糖酶活性略高于CK，但二者间无显著差异。可见，与CK 相比，在FOM 侵染薄皮甜瓜根系0～5 d，T 处理可显著提升薄皮甜瓜根系中β-1，3-葡聚糖酶活性。

图9 接种FOM 条件下茴香伴生栽培对薄皮甜瓜根系中β-1，3-葡聚糖酶活性的影响

3 讨论与结论

适宜的伴生栽培能够增强主栽植物根系活力，促进矿质营养吸收和生长等[12，14]。如玉米/小麦间作时，小麦的根体积和根数量明显得到提高[22]。笔者研究发现，在15 株茴香伴生栽培20 d 时薄皮甜瓜根系平均直径、最大根系长度、根系表面积和根系体积均显著高于薄皮甜瓜单作栽培，茴香/薄皮甜瓜伴生栽培表现出较好的根系生长状态，有利于根系抵抗病原菌侵染。

已有研究表明，伴生栽培可以通过植物间相互作用诱导与抗病相关物质含量、相关酶活性升高和抗病相关基因表达，从而提升植物的抗病能力[6，8-9]。植物根系中丙二醛含量越高，表明植物细胞膜受损伤程度越大[23]。西瓜根系中木质素含量的提高可增强其根系对枯萎病的抗性[24]。此外，次生代谢物质（如酚类物质、类黄酮等）含量增加可增强植株抗病和抗逆能力[25-27]。笔者研究表明，在接种FOM 后5～15 d，与薄皮甜瓜单作相比，茴香伴生薄皮甜瓜栽培显著降低了根系中MDA 含量。在接种FOM 后15 d，茴香伴生能够显著提升薄皮甜瓜根系中木质素含量，从而提高根系抗FOM 能力。在接种FOM 后5～15 d，茴香/薄皮甜瓜伴生栽培根系中总酚含量和类黄酮含量均呈增加趋势，且最大值均显著高于薄皮甜瓜单作栽培，分别较薄皮甜瓜单作高32.95%和38.66%。可见，茴香伴生栽培降低了薄皮甜瓜根系侵染FOM 后细胞膜的损伤程度，且可以通过诱导薄皮甜瓜根系中总酚含量和类黄酮含量增加来提高其抗FOM 能力。

植物体内含有的一些防御酶具有抵抗病原菌侵染的能力，如多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）等[28]。多酚氧化酶和苯丙氨酸解氨酶参与酶类物质和木质素的合成，对植物细胞壁的加固起重要作用，且多酚氧化酶活性和苯丙氨酸解氨酶活性与抗病性呈正相关[29-32]。β-1，3-葡聚糖酶活性的提升能够增强植物对病原菌的抵抗能力[33-34]。笔者研究发现，茴香/薄皮甜瓜伴生的根系中过氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶和β-l，3-葡聚糖酶活性均高于薄皮甜瓜单作。在接种FOM 后10～15 d，茴香/薄皮甜瓜伴生栽培根系中过氧化物酶和苯丙氨酸解氨酶活性显著高于薄皮甜瓜单作。在接种FOM 后15 d，茴香/薄皮甜瓜伴生栽培根系中多酚氧化酶活性显著高于薄皮甜瓜单作。在接种FOM 后5 d，茴香/薄皮甜瓜伴生栽培根系中β-l，3-葡聚糖酶活性显著高于薄皮甜瓜单作。可见，茴香伴生能够提升薄皮甜瓜根系的防御酶活性。

综合上述，茴香伴生栽培可以通过降低薄皮甜瓜根系中丙二醛含量，增加总酚含量、木质素含量和类黄酮含量，增强多酚氧化酶、过氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶和β-l，3-葡聚糖酶活性来抵抗FOM 侵染，提升其根系的抗病能力。但茴香/薄皮甜瓜伴生栽培作为新的农艺措施应用于设施甜瓜抗土传病害栽培中仍需从根系分泌物、根际土壤微生物多样性和诱导抗FOM 基因表达等多方面进一步解析其增强抗病性的机制。