施鉀對(duì)馬鈴薯兩品種桃蚜抗性的影響

馬蹄是內(nèi)蒙古重要的高產(chǎn)糧食和蔬菜優(yōu)勢(shì)品種。桃蚜蟲是大多數(shù)害蟲之一。除了吸收植物中的水分外，蝗蟲和昆蟲還能傳播各種馬蹄病毒和紡織錘皮病毒，嚴(yán)重影響了馬蹄的產(chǎn)量和質(zhì)量。馬鈴薯蟲害的防治目前仍以化學(xué)防治為主,從施肥角度提高作物抗蟲的機(jī)理較少,以至作物生態(tài)系統(tǒng)中作物的自然抗性、誘導(dǎo)抗性未能充分發(fā)揮。國(guó)內(nèi)外有關(guān)植物誘導(dǎo)抗性的研究在許多植物中均有報(bào)道(杜家緯,2001;陳巨蓮等,2003;YanandWang,2006)。野生型番茄植株被蜘蛛螨取食2d后,茉莉酸含量增加了3倍之多(Lietal.,2004)。用茉莉酸處理馬鈴薯后,其對(duì)蚜蟲的抗性顯著增強(qiáng)(Kruzmaneetal.,2002)。茉莉酸過(guò)量表達(dá)的擬南芥突變株中桃蚜種群發(fā)育明顯降低(Ellisetal.,2002)。煙蚜Myzusnicotianae取食煙草(Nicotianaattenuata)(Voelckeletal.,2004)、麥雙尾蚜Diuraphisnoxia和麥二叉蚜Schizaphisgraminum取食小麥后(Parketal.,2005;Boykoetal.,2006),小麥植株中參與茉莉酸合成和其介導(dǎo)的防御基因,如10,11-還原酶、脂氧合酶、細(xì)胞色素P450等都被大量誘導(dǎo),表明茉莉酸途徑在植物誘導(dǎo)防御反應(yīng)中具有重要作用,由此調(diào)節(jié)植物防御基因的表達(dá),從而獲取整個(gè)防御反應(yīng)(Martinetal.,2003;Thaleretal.,2004;HoweandJander,2008)。植物的抗蟲能力與其營(yíng)養(yǎng)密切關(guān)系。油松施氮后對(duì)刺吸類、松梢螟等害蟲有明顯的抑制作用(周章義等,1986);適量供鉀可增加小麥植株對(duì)鉀素的吸收,促進(jìn)了植株生長(zhǎng)和總酚、酚酸、木質(zhì)素的合成及代謝相關(guān)酶的活性,增強(qiáng)小麥對(duì)蚜蟲的抗性(李劉杰等,2009)。說(shuō)明鉀在馬鈴薯塊莖形成以及提高其抗性中有著特殊的作用。然而,系統(tǒng)地把鉀肥營(yíng)養(yǎng)與蟲害后馬鈴薯茉莉酸信號(hào)傳遞結(jié)合起來(lái),通過(guò)研究馬鈴薯對(duì)外界鉀濃度變化的感知及對(duì)茉莉酸合成的影響,進(jìn)而調(diào)節(jié)植物次生代謝物的研究未見(jiàn)報(bào)道。作者在前期的研究中發(fā)現(xiàn),馬鈴薯施鉀后其上蚜蟲數(shù)量顯著減少。是否由于施鉀后馬鈴薯體內(nèi)信號(hào)物質(zhì),如茉莉酸含量發(fā)生變化,由此調(diào)節(jié)了次生代謝物,導(dǎo)致蚜蟲數(shù)量的減少?本研究旨在從一個(gè)側(cè)面揭示施鉀馬鈴薯蚜蟲感染率顯著降低的原因,為進(jìn)一步揭示鉀肥增強(qiáng)馬鈴薯抗蟲的機(jī)理、有效地開(kāi)展蚜蟲的生態(tài)調(diào)控提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1研究種植馬鈴薯馬鈴薯兩品種選用克新1號(hào)(Kexin)和費(fèi)烏瑞它(Favorita),其種子購(gòu)于內(nèi)蒙古烏蘭察布市種子公司?？诵乱惶?hào)由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬鈴薯研究所育成,屬中晚熟高產(chǎn)品種;費(fèi)烏瑞它原產(chǎn)于荷蘭,屬早熟高產(chǎn)馬鈴薯品種。2010年6月播種于塑料盆中(內(nèi)徑∶高=33cm∶27cm)中,試驗(yàn)用土為沙∶土=1∶2(體積比),每盆施農(nóng)家肥500g,施前用硫酸銅(CuSO4)對(duì)農(nóng)家肥消毒。每盆種植馬鈴薯1株,植物在自然條件下生長(zhǎng)。桃蚜由中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所種群生態(tài)與全球氣候變化組提供。1.2桃/桃系接桃/限制硫酸鉀生長(zhǎng)試驗(yàn)選取長(zhǎng)勢(shì)一致、具有4片葉子的馬鈴薯克新1號(hào)80盆,將其分為2組,每組40盆。其一組作為對(duì)照,另一組施硫酸鉀,按75000株/hm2馬鈴薯計(jì)算,其用量為4g·株-1。自然條件下生長(zhǎng)2個(gè)月后,分別在兩組處理的20盆植株上接桃蚜5頭,接蟲枝用80目的紗網(wǎng)罩住,以防止昆蟲遷出。整個(gè)處理包括對(duì)照、施鉀、接蟲與施鉀+接蟲4種。費(fèi)烏瑞它的處理與克新1號(hào)相同。1.3蚜蟲群動(dòng)態(tài)觀察從8月25日到9月7日,每隔3d調(diào)查1次兩馬鈴薯品種上桃蚜的種群數(shù)量,詳細(xì)記錄其數(shù)量。各處理重復(fù)13次。1.4茉酸,氧化酶抑制劑上述4種處理葉片中,將蟲害植株上的蚜蟲掃掉后,隨機(jī)、均勻摘取各處理葉片放入液氮罐中,然后置于-80℃冰箱中保存?zhèn)溆?。每個(gè)處理重復(fù)4次。茉莉酸含量采用Ren等(2010)的方法,通過(guò)內(nèi)標(biāo)法,以GC/MS測(cè)定。蛋白酶抑制劑(PI)活性采用比色法測(cè)定,具體方法參見(jiàn)Thaler等(1996),脂氧合酶(LOX)活性測(cè)定參見(jiàn)Thaler等(2002)。過(guò)氧化物酶(peroxidase,POD)、多酚氧化酶(polyphenoloxidase,PPO)活性通過(guò)比色法進(jìn)行測(cè)定,具體方法參見(jiàn)《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》(張志良等,2009),并加以修改。1.5統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS18.0(SPSSInc.,USA)統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,Duncan’s檢驗(yàn)分析處理間平均值的差異顯著性。2結(jié)果與分析2.1害、施鉀與害蟲對(duì)茉酸含量的影響與對(duì)照相比,蟲害、施鉀與施鉀+蟲害處理均會(huì)使茉莉酸含量有所提高,如圖1所示?？诵缕贩N中,蟲害、施鉀與施鉀+蟲害處理后茉莉酸含量均顯著升高,分別比對(duì)照提高了2.2倍、2.0倍和1.4倍;費(fèi)烏瑞它中,蟲害與施鉀+蟲害處理也顯著提高了茉莉酸含量,分別是對(duì)照的1.7倍和1.5倍。此外,兩品種間蟲害處理后克新中茉莉酸含量顯著高于費(fèi)烏瑞它,其余品種間同一處理差異均無(wú)顯著差異。2.2pi活性的變化4種處理?xiàng)l件下,蛋白酶抑制劑活性變化如圖2所示。與對(duì)照相比,蟲害、施鉀與施鉀+蟲害均能使兩品種中PI活性有所提高,其中蟲害與施鉀+蟲害分別使克新中PI活性比對(duì)照增加了27.7%和28.4%,上述兩種處理分別使費(fèi)烏瑞它中PI活性比對(duì)照增加了22.4%和17.6%。兩品種間比較可以看出,克新中PI活性變化高于費(fèi)烏瑞它,其中蟲害處理后,克新中PI變化顯著高于費(fèi)烏瑞它。2.3不同保鮮劑處理對(duì)克新幼苗pod、多酚氧化酶活性的影響不同處理?xiàng)l件下,LOX活性變化如圖3所示。結(jié)果表明:與對(duì)照相比,不同處理均使兩品種葉片中脂氧合酶活性顯著提高?？诵轮?蟲害、施鉀和施鉀+蟲害3種處理分別比對(duì)照增加了37.3%、19.7%和17.8%,在費(fèi)烏瑞它中,上述3種處理分別比對(duì)照增加了29.1%、24.6%和26.2%,其中蟲害后兩品種中LOX提高最為顯著。圖4所示為過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶的活性變化。不同處理對(duì)兩品種中POD和PPO活性的影響有所差異,其中兩種酶活性在克新中的變化高于費(fèi)烏瑞它?？诵轮?盡管3種處理后克新中POD活性都有所提高,但蟲害對(duì)其有顯著的影響;此外,施鉀+蟲害處理顯著提高了克新中多酚氧化酶活性。費(fèi)烏瑞它品種中,除蟲害處理后POD活性顯著低于對(duì)照外,其他處理均與對(duì)照沒(méi)有顯著差異;多酚氧化酶活性在該品種中則無(wú)顯著差異。2.4藥物中昆蟲的數(shù)量施鉀對(duì)蚜蟲數(shù)量的影響如圖5所示。與對(duì)照相比,施鉀明顯降低了蚜蟲的數(shù)量,這種變化在馬鈴薯兩品種中具有一致性。在所測(cè)時(shí)間段中,盡管蚜蟲數(shù)量在對(duì)照克新上少于對(duì)照費(fèi)烏瑞它,但兩者間沒(méi)有顯著差異。施鉀處理后,蚜蟲數(shù)量在兩品種間也沒(méi)有顯著差異。3不同植物對(duì)馬鈴薯誘導(dǎo)抗性的影響茉莉酸是植物誘導(dǎo)抗性中重要的信號(hào)物質(zhì)。這已在鱗翅目昆蟲(Lepidoptera)、甲蟲(Coleoptera)、薊馬(Thysanoptera)、葉蟬(Homoptera)、蜘蛛(Araneida)、螨(Acari)等昆蟲取食的植物中得到證實(shí)(McCloudandBaldwin,1997;Howe,2004;Bostock,2005;HoweandJander,2008)。盡管多數(shù)報(bào)道認(rèn)為水楊酸是蚜蟲等刺吸式口器昆蟲取食植物后產(chǎn)生的重要信號(hào)物質(zhì)(Pengetal.,2004),但本研究結(jié)果表明,桃蚜取食馬鈴薯葉片后茉莉酸含量顯著增加,表明施鉀條件下茉莉酸是蚜蟲危害馬鈴薯后重要的信號(hào)物質(zhì)。這與一些報(bào)道的結(jié)果相似,如擬南芥突變體(cev1)過(guò)量表達(dá)JA和其前體十二氧植酸(OPDA),并且組成性地活化JA信號(hào),提高了對(duì)蚜蟲的抗性(Ellisetal.,2002),從而降低了蚜蟲繁殖,而茉莉酸缺陷株(coi1)則增加了蚜蟲的繁殖(deVosetal.,2007);外源應(yīng)用茉莉酸也可以誘導(dǎo)番茄的系統(tǒng)防御,降低蚜蟲的存活率(CooperandGoggin,2005)。蟲害植物產(chǎn)生的茉莉酸,上調(diào)了與防御相關(guān)的基因表達(dá)和蛋白及代謝產(chǎn)物的積累,提高了植物的直接誘導(dǎo)防御。如茉莉酸誘導(dǎo)的PI具有抗?fàn)I養(yǎng)的作用,通過(guò)抑制昆蟲消化酶影響其行為(FarmerandRyan,1992;Howeetal.,1996;Howe,2004;SchilmillerandHowe,2005)。棉鈴蟲幼蟲取食含有胰蛋白酶抑制劑的人工飼料后,其生長(zhǎng)發(fā)育受到顯著抑制(王琛柱等,1995)。此外,脂氧合酶作為茉莉酸合成途徑中的關(guān)鍵性酶,在植物的誘導(dǎo)抗性中也發(fā)揮著重要的作用。研究表明,LOX酶抑制劑處理植物(Pe1a-Cortésetal.,1993)和缺少LOX活性的轉(zhuǎn)基因植物(Belletal.,1995),其合成茉莉酸的能力均減低。蚜蟲取食提高了mRNA水平中PDF1.2和LOX2表達(dá),兩者均與JA信號(hào)級(jí)聯(lián)(KesslerandBaldwin,2002)。本研究中蟲害及其與鉀的交互作用中PI活性顯著增加,且除上述2種處理外,鉀處理也可以增加LOX酶的活性,表明3種處理中茉莉酸均能活化一些防御物質(zhì),以提高馬鈴薯誘導(dǎo)抗性,這可能是本試驗(yàn)中鉀抑制蚜蟲數(shù)量的原因之一。已有研究表明,鉀參與植物的新陳代謝、生長(zhǎng)和抗逆反應(yīng)。鉀缺乏會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞缺乏足夠的滲透勢(shì)而使植物生長(zhǎng)延緩,同時(shí)也抑制了光合作用、蛋白質(zhì)合成及長(zhǎng)距離運(yùn)輸,使N/C失衡,影響了植物的初生代謝。對(duì)擬南芥進(jìn)行鉀與茉莉酸信號(hào)關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn),缺鉀會(huì)使擬南芥根和芽中茉莉酸含量顯著增加,重施鉀后則茉莉酸含量顯著降低。說(shuō)明重施鉀后,擬南芥主要進(jìn)行植物的初生代謝,以恢復(fù)植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育。本文的結(jié)果與此有所不同,正常情況下,施鉀后茉莉酸含量在