番茄砧木抗根结线虫特性及其根系分泌物的化感作用研究

番茄砧木抗根结线虫特性及其根系分泌物的化感作用研究
植物根结线虫(Meloidogyne spp.)病是一种世界性病害,且以南方根结线虫危害最为广泛。

番茄是我国主栽蔬菜品种,由于多在保护地栽培,根结线虫危害逐年加重。

20世纪40年代,番茄抗线虫基因Mi被发现,后来被证明是所有番茄栽培种的唯一抗源,利用该基因现已选育出许多抗根结线虫番茄栽培品种和嫁接砧木,被认为是目前防控根结线虫病最安全、有效的理想途径。

近年来,根系分泌物的化感作用研究逐渐成为各国学者的研究热点。

植物根系能够向根际释放大量的物质,例如氨基酸、复杂的多糖、蛋白质、挥发的亲脂性小分子等,这些物质可以对土壤生物产生直接或间接的影响,当然也包括线虫。

根系分泌物可以吸引线虫向根部移动或反向排斥,或抑制线虫的运动能力,甚至使线虫死亡。

然而,到目前为止根结线虫识别和导向寄主植株根部的具体机制现在仍不清楚。

此外,根结线虫病属于土传病害,研究其抗性机制时需要综合植株-线虫-土壤生物学活性三者之间的关系,根系分泌物对土壤微生物数量和土壤酶活性的影响是否与植株抗根结线虫特性存在某种相关性呢?目前未见报道。

本文以不同抗性番茄砧木为试材,通过南方根结线虫接种抗性鉴定,筛选出抗感差异显著的高抗、中抗和高感3个番茄砧木,通过根系分泌物GC-MS检测,分别鉴定其根系分泌物组分和含量变化,从中选择可能与抗病性有关的特异物质进行研究。

通过实验室及田间试验,明确特异物质对南方根结线虫卵孵化、二龄幼虫(J2)存活和趋化性及植株抗性的影响。

通过化感验证,明确特异物质对种子萌发和植株生长发育、生理生化以及土
壤生物学活性的影响。

最后通过差异基因分析,对特异物质进行基因功能验证。

旨在通过上述问题的研究探讨为植物抗根结线虫提供理论基础及依据。

具体研究结果如下：1.采用温室盆栽人工接种法,鉴定了12个番茄材料对南方根结线虫(M. incognita)的抗性程度。

抗病性可涵盖高抗、中抗、抗病、感病、高感五种类型,其中高抗砧木Baliya 病情指数最低,高感对照L-402病情指数最高。

通过测定生理指标、根际土壤微生物数量和土壤酶活性,并与抗性进行相关分析,明确了番茄抗南方根结线虫能力和体内PAL、PPO、POD活性显著正相关,和相对电导率、丙二醛含量显著负相关,和土壤中细菌、放线菌数量、过氧化氢酶、过氧化物酶、多酚氧化酶和脲酶活性显著正相关。

2.通过高抗(Baliya)、中抗(RS2)和高感(L-402)番茄根系分泌物对南方根结线虫卵孵化、二龄幼虫(J2)存活和趋化性的调查发现：(1)抗病和感病番茄根系分泌物都可抑制南方根结线虫卵孵化和J2存活,抗性番茄根系分泌物的抑制效果更为明显。

(2)感病番茄根系分泌物对J2具有吸引作用,而抗病番茄根系分泌物对J2具有排斥作用。

通过根系分泌物分离、纯化和GC-MS鉴定,对比分析后确定接种南方根结线虫后抗性番茄根系分泌物中酯类和酚类物质含量明显增加,其中邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二丁酯、L-抗坏血酸-2,6-二棕榈酸酯和2,6-二叔丁基对甲苯酚含量变化最大。

最后通过根系分泌物模拟成分的室内和田间外源施加实验验证：(1)4种根系分泌物都可以抑制南方根结线虫卵的孵化和J2存活。

其中L-抗坏血酸-2,6-二棕榈酸酯2 mmol·L-1浓度对南方根结线虫卵的孵化抑制作用最强,邻苯二甲酸二甲酯2 mmol·L-1浓度抑制J2存活效果最佳；(2)
邻苯二甲酸二丁酯对J2具有排斥作用。

(3)4种根系分泌物均可显著降低感病番茄病情指数,其中L-抗坏血酸-2,6-二棕榈酸酯2 mmol·L-1浓度抗病效果最佳。

进一步证实了番茄根系分泌物在南方根结线虫抗性中的作用。

3.通过种子萌发、田间外源施加实验,明确根系分泌物对番茄种子和植株的化感作用：(1)对种子的化感作用：L-抗坏血酸-2,6-二棕榈酸酯表现促进作用,邻苯二甲酸二甲酯表现明显的抑制作用,2,6-二叔丁基对甲苯酚和邻苯二甲酸二丁酯表现低浓度促进高浓度抑制。

(2)对植株的化感作用：4种根系分泌物对番茄植株生长发育的影响整体表现“低促高抑”,浓度在0.5mmol·L-1左右对株高、茎粗、地上和地下鲜重表现明显的促进作用,而且促进侧根生长,使根系更加粗壮。

同时该浓度对植株根系活力、叶绿素含量、PAL的促进作用也最强。

而不同浓度对POD、PPO活性均表现抑制作用。

4.通过模拟物质对番茄根际土壤微生物种类数量、土壤理化性质和土壤酶活性的影响研究,验证其对土壤生态环境的调控作用。

外源施加模拟物质后,总体上增加的指标有：土壤pH值、速效磷含量,微生物总量、细菌和真菌数量,脲酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性,降低的指标有：土壤速效钾含量、放线菌数量、过氧化物酶活性。

其中2,6-二叔丁基对甲苯酚、邻苯二甲酸二丁酯和邻苯二甲酸二甲酯浓度在0.5-1.0 mmol·L-1之间土壤酶活性最高、土壤微生物结构、土壤理化性质最适宜,是植株生长的理想状态。

5.采用基因表达谱测序并分析L-抗坏血酸-2,6-二棕榈酸酯处理后根部差
异表达基因,结果检测到1896个差异表达基因,其中上调基因442个,下调基因1454个。

经差异表达基因的功能注释和分析,明确L-抗坏血酸-2,6-二棕榈酸酯
提高番茄抗性及其高浓度条件对番茄植株化感作用的分子机制。