施硅增強(qiáng)水稻對(duì)紋枯病抗性的機(jī)制研究.pdf

1、雖然硅作為高等植物必需營(yíng)養(yǎng)元素具有爭(zhēng)議，但是硅對(duì)水稻健康生長(zhǎng)和發(fā)育卻是有益的，硅在增強(qiáng)水稻抗病性，特別是抗紋枯病方面具有重要作用，但其抗病機(jī)制還不甚清楚。因此，本研究通過(guò)對(duì)江淮流域主要水稻品種的紋枯病抗性進(jìn)行鑒定，篩選出了抗、感差異顯著的品種，在此基礎(chǔ)上，研明了施硅對(duì)水稻紋枯病的抗病效應(yīng)和水稻生長(zhǎng)的影響，并系統(tǒng)研究了施硅增強(qiáng)水稻對(duì)紋枯病抗性的物理機(jī)制和生理生化機(jī)制。主要結(jié)果如下： 1、篩選出了對(duì)紋枯病抗感差異顯著的水稻品種

2、 2006年收集了69個(gè)水稻品種(系)，2007年收集了117個(gè)水稻品種(系)，采用分蘗末期人工接種紋枯病菌，抽穗后30 d調(diào)查紋枯病病級(jí)的方法進(jìn)行抗性鑒定。對(duì)調(diào)查所得病級(jí)進(jìn)行聚類(lèi)分析，把水稻品種對(duì)紋枯病的抗性分為高度感病、感病、抗病、較高水平抗病四類(lèi)，大多數(shù)水稻品種為感病和高度感病，較高水平抗病品種較少，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)紋枯病免疫的水稻品種?？垢胁町愶@著的品種，病級(jí)相差2～3倍，甚至差異更大。2008年選取32個(gè)品種進(jìn)一步驗(yàn)證了紋枯病抗感

3、差異顯著程度，鑒定結(jié)果顯示常優(yōu)1號(hào)、鹽優(yōu)1號(hào)、鹽粳5號(hào)、武粳15、華粳6號(hào)、91SP、特青等品種對(duì)紋枯病抗性較好，而日本晴、農(nóng)墾57、寧粳1號(hào)、Lemont等品種屬于感病品種。此外，較高水平抗病和抗病品種的葉鞘、莖稈中硅含量要明顯高于高度感病和感病品種。紋枯病危害后，水稻產(chǎn)量下降，稻米品質(zhì)變劣。 2、揭示了紋枯病菌侵染水稻的細(xì)胞學(xué)過(guò)程 紋枯病菌侵染水稻時(shí)先使寄主細(xì)胞死亡，再大量繁殖和生長(zhǎng)。菌絲在水稻表面生長(zhǎng)，初期在水稻葉

4、鞘內(nèi)表面蔓延，不久隨機(jī)縱橫分枝。接種后24 h就可以形成侵染墊和附著胞，出現(xiàn)水漬狀斑塊。菌絲通過(guò)直接侵入細(xì)胞壁、侵入胞間隙、從氣孔進(jìn)入三種方式侵染進(jìn)入水稻葉鞘細(xì)胞，以直接侵入細(xì)胞壁為多。紋枯病菌以初生菌絲的形式進(jìn)入水稻細(xì)胞后，在胞內(nèi)生長(zhǎng)，形成次生菌絲，其再形成新的次生菌絲，或者穿壁進(jìn)入鄰近細(xì)胞。菌絲進(jìn)入葉鞘后，在胞間隙和胞間進(jìn)行擴(kuò)展。菌絲在胞間穿壁時(shí)明顯變細(xì)，進(jìn)入鄰近細(xì)胞后又恢復(fù)原來(lái)的大小?；蛘呔z在靠近胞壁的部分膨大，穿壁后先變細(xì)再恢

5、復(fù)到穿壁前的粗細(xì)程度。紋枯病菌也能侵染水稻根部。 3、明確了施硅對(duì)紋枯病的抗病效應(yīng)和水稻生長(zhǎng)的影響 全生育期和短期在營(yíng)養(yǎng)液中添加硅水培水稻試驗(yàn)結(jié)果表明，施硅減輕了病級(jí)和病情指數(shù)，施硅對(duì)抗病品種91SP和特青的相對(duì)防治效果分別為10.02％和8.70％，而對(duì)感病品種Lemont和寧粳1號(hào)的相對(duì)防治效果達(dá)27.42％和24.29％，說(shuō)明施硅增強(qiáng)了水稻對(duì)紋枯病的抗性，特別顯著增強(qiáng)了感病品種Lemont和寧粳1號(hào)的抗性。短期硅水

6、培試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，營(yíng)養(yǎng)液中硅濃度為1.54 mmol/L時(shí)，其抗紋枯病能力最強(qiáng)。 4、研明了施硅增強(qiáng)水稻抗紋枯病的物理機(jī)制 抗病品種91SP葉表的硅化細(xì)胞、乳突數(shù)目要多于感病品種Lemont，其還具有Lemont沒(méi)有的直徑為12-24μm的大乳突；91SP葉片的硅化細(xì)胞、乳突、非硅化細(xì)胞和乳突的其它微區(qū)的硅元素峰值和含量均顯著高于感病品種Lemont；91SP葉鞘內(nèi)側(cè)的Si元素峰值明顯高于Lemont，Si元素含量也顯著高

7、于Lemont。接種紋枯病菌后，兩個(gè)水稻品種91SP和Lemont均發(fā)病，但兩個(gè)品種硅化細(xì)胞表面菌絲卻很少，抗病品種91SP葉鞘內(nèi)側(cè)菌絲數(shù)目明顯比感病品種Lemont少，Lemont施硅處理的葉片厚壁細(xì)胞的胞壁厚度是缺硅處理的2倍左右。說(shuō)明硅在水稻葉鞘內(nèi)側(cè)、葉表和厚壁細(xì)胞積累，起到了物理屏障的作用，延緩了紋枯病菌的擴(kuò)展。 5、闡明了施硅增強(qiáng)水稻抗紋枯病的生理生化機(jī)制 (1)接種紋枯病菌后，兩個(gè)水稻品種91SP和Lemon

8、t的葉鞘和葉片超氧陰離子自由基(O2-)產(chǎn)生速率顯著上升，MDA含量高于未接種處理，SOD、POD活性紊亂，CAT活性明顯下降；抗病品種91SP葉鞘和葉片施硅處理的O2-產(chǎn)生速率小于缺硅處理，葉鞘和葉片MDA含量在接種第3d后顯著低于缺硅處理，葉鞘SOD、POD、CAT活性在接種1 d后一直顯著高于缺硅處理，葉片SOD、POD、CAT活性在接種3d后顯著高于缺硅處理；感病品種Lemont葉鞘和葉片施硅處理的O2-產(chǎn)生速率、MDA含量始終

9、顯著小于缺硅處理，SOD、POD、CAT活性始終顯著大于缺硅處理。以上說(shuō)明在受到紋枯病菌侵染后，缺硅處理水稻葉鞘和葉片細(xì)胞內(nèi)活性氧代謝和清除酶系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重紊亂，而施硅降低了活性氧積累程度，緩解了紋枯病菌引起的葉片細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用和CAT活性的下降，增強(qiáng)了SOD、POD活性。 (2)水稻接種紋枯病菌后，感病品種寧粳1號(hào)施硅處理PPO、PAL活性顯著高于缺硅處理，抗病品種特青施硅處理PPO、PAL活性高于缺硅處理，但差異不顯著：接

10、種紋枯病菌后，施硅處理感病品種寧粳1號(hào)葉鞘的總酚、類(lèi)黃酮、阿魏酸、綠原酸和木質(zhì)素等含量顯著提高；而抗病品種特青葉鞘的總酚、類(lèi)黃酮、阿魏酸、綠原酸和木質(zhì)素等含量也有所提高，這表明硅對(duì)抗病品種特青的調(diào)控作用低于寧粳1號(hào)。 (3)在未接種紋枯病菌條件下，施硅增加了抗病品種幾丁質(zhì)酶活性，增加或顯著增加了感病品種的幾丁質(zhì)酶活性，但對(duì)β-1,3-葡聚糖酶活性影響不大。接種紋枯病菌后，水稻幾丁質(zhì)酶活性被迅速激活后又下降，施硅通過(guò)提高抗病品種9

11、1SP幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶活性來(lái)增強(qiáng)對(duì)紋枯病的抗性，以及通過(guò)提高感病品種Lemont幾丁質(zhì)酶活性來(lái)增強(qiáng)對(duì)紋枯病的抗性，但感病品種Lemont施硅處理的幾丁質(zhì)酶活性降低幅度小于抗病品種91SP。 (4)施硅可減緩紋枯病菌侵染引起的91SP和Lemont葉綠素含量的降低，Pn、Gs的下降幅度和Ci的上升幅度，有利于維持葉片較高的光合效率。接種后兩個(gè)品種PS II最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSII有效光化學(xué)效率(Fv'/

12、Fm')、PS II實(shí)際光化學(xué)效率(ФPS II)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和表觀光合電子傳遞速率(ETR)均降低，非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qNP)增大，而對(duì)于施硅處理的水稻葉片，上述熒光參數(shù)在紋枯病菌侵染條件下的變化均受到不同程度的抑制。這說(shuō)明施硅可以不同程度地緩解紋枯病菌侵染條件下非氣孔因素引起的水稻葉片光合速率的下降以及對(duì)光合機(jī)構(gòu)的破壞作用，提高光化學(xué)效率，改善葉片的光合功能。 (5)接種紋枯病菌后，特青和寧粳1號(hào)缺硅處理葉鞘的P

13、HI活性下降，MDH活性顯著下降，6PGDH活性顯著上升；施硅的水稻接種后PHI和6PGDH活性比未接種有所增加，MDH活性比未接種有所下降，說(shuō)明在水稻感染紋枯病條件下，硅通過(guò)促進(jìn)EMP和PPP途徑的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)控水稻的呼吸代謝生化途徑，有助于形成更多的ATP和NADPH，為水稻抗紋枯病提供能量和產(chǎn)生更多的中間產(chǎn)物，而這些中間產(chǎn)物又可以合成為具有抗病作用的物質(zhì)，從而增強(qiáng)水稻抗紋枯病的能力。 綜上所述，硅對(duì)水稻抗紋枯病的機(jī)制除了硅在葉