戚秀秀，劉藝凝，魏 暢，王 祎，姜 瑛，韓燕來

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450002）

玉米是我國(guó)第一大糧食作物，其產(chǎn)量和質(zhì)量安全在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。近年來，隨著全球溫度上升，玉米病蟲害不斷加劇，嚴(yán)重影響了玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]，其中蚜蟲是我國(guó)夏播玉米的主要害蟲之一[2]。常見的玉米蚜蟲有玉米蚜 (Rhopalosiphum maidis)、禾谷縊管蚜 (Rhopalosiphum padi)、荻草谷網(wǎng)蚜 (Macrosiphum miscanthi) 和麥二叉蚜 (Schizaphis graminum)，其中禾谷縊管蚜是危害玉米最為嚴(yán)重的種群[3]。蚜蟲體型小，具有繁殖快、適應(yīng)性強(qiáng)、世代重疊等生物學(xué)特性[4]，一方面以成、若蟲刺吸植株汁液，在其表皮造成輕微的創(chuàng)傷，直接影響玉米的生長(zhǎng)發(fā)育；另一方面在葉片上分泌蜜露污染莖葉，形成霉污，導(dǎo)致玉米抽穗后玉米的花粉成熟受阻，影響植株光合作用和授粉質(zhì)量，同時(shí)傳播玉米病毒等，間接造成玉米產(chǎn)量和品質(zhì)下降[5-6]。目前蚜蟲防治的主要方法是化學(xué)防治，但隨著農(nóng)藥的大量使用，不僅導(dǎo)致蚜蟲的抗藥性增加，農(nóng)藥殘留也會(huì)導(dǎo)致食品安全問題。因此，尋找一種綠色高效的蚜蟲防治方法是當(dāng)前解決蚜蟲危害的熱點(diǎn)之一。

實(shí)際上，植株與植物病蟲害的長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化過程中，形成了多種有效的防御響應(yīng)機(jī)制，其中包括組成型防御和誘導(dǎo)型防御機(jī)制[7-9]。組成型防御機(jī)制是植物本身存在的一種防御機(jī)制，包括物理和化學(xué)防御，研究發(fā)現(xiàn)葉片上茸毛的密度、蠟質(zhì)含量、葉片的顏色、葉表皮層厚度、葉肉細(xì)胞排列緊密程度、pH、滲透壓等都會(huì)影響蚜蟲取食和繁殖[10-13]，抗麥長(zhǎng)管蚜的小麥品種在分蘗期、莖伸長(zhǎng)期和旗葉發(fā)育期具有較高的組成型PAL、PPO和POD活性[14]。誘導(dǎo)型防御機(jī)制是植物在受到病蟲害危害的過程中，發(fā)展出一系列可精密調(diào)控的防御機(jī)制[15]。研究表明當(dāng)植物受到蚜蟲侵害時(shí)，植物體內(nèi)的活性氧 (ROS)水平上升，活性氧代謝系統(tǒng)的平衡會(huì)被打破，體內(nèi)膜脂過氧化和膜脂脫脂作用被啟動(dòng)，從而破壞膜結(jié)構(gòu)[16-19]，而超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化氫酶(CAT) 等抗氧化酶能有效地去除植物體內(nèi)過量的ROS，減少ROS自由基對(duì)生物體的傷害[20-21]。同時(shí)ROS作為一種信號(hào)物質(zhì)還能夠誘導(dǎo)植物部分防御酶和激素介導(dǎo)的防御反應(yīng)下游基因大量上調(diào)，激活JA和SA防御信號(hào)反應(yīng)途徑[7,22-23]，改變植物體內(nèi)的苯丙氨酸解氨酶 (PAL)、脂氧合酶 (LOX) 和多酚氧化酶 (PPO) 等防御酶活性[14,24]，提高植物體內(nèi)次生防御物質(zhì) (如酚類、木質(zhì)素等) 的含量[25-26]，增強(qiáng)植物的抗性。研究發(fā)現(xiàn)，蚜蟲取食誘導(dǎo)后，不同抗性水平的植株體內(nèi)PPO、過氧化物酶（POD）及PAL的酶活性增加[27]。此外，多種農(nóng)業(yè)防治措施能夠改變植物體內(nèi)防御物質(zhì)，提高其對(duì)昆蟲的防御能力。前人通過在作物上施入N、P、K、Si 等元素來提高作物體內(nèi)的防御物質(zhì)含量[28-29]，研究發(fā)現(xiàn)，施鉀能夠降低小麥組成型游離氨基酸、誘導(dǎo)型游離氨基酸和可溶性蛋白的積累，提高誘導(dǎo)型可溶性糖的積累，共同降低小麥苗期麥長(zhǎng)管蚜密度[30]，氮能夠提高超氧化物歧化酶 (SOD)、過氧化物酶 (POD) 和過氧化氫酶(CAT) 活性，有效抑制蚜蟲的繁殖[31]。

硅是地殼中的第二大元素，以許多有益的方式影響植物的生理生化，如促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，提升作物品質(zhì)，降低植物的生物和非生物脅迫[32-34]。前人已經(jīng)做了很多關(guān)于施硅通過改變植物代謝途徑，提高植物抗性的研究[35-36]。研究表明，施硅和病蟲害侵染均能夠誘導(dǎo)SA、JA信號(hào)傳導(dǎo)途徑，提高植物體內(nèi)防御酶活性和次生代謝物質(zhì)[37]，激活植物的誘導(dǎo)型防御機(jī)制。研究表明在單子葉和雙子葉植物中，植物體內(nèi)硅含量與抗蟲性呈正相關(guān)[38]。外源硅能提高玉米的抗蟲性[39]，調(diào)控油菜體內(nèi)防御酶活性和基礎(chǔ)代謝，提高油菜抗蟲性[40]；氮硅配施能夠提高小麥葉片和穗部可溶性糖、總酚和單寧的含量，降低蚜蟲的種群數(shù)量[41]?？扇苄怨杩勺鳛榈诙攀?、防御反應(yīng)調(diào)節(jié)劑或啟動(dòng)劑[42-43]，參與植物體內(nèi)生理代謝活動(dòng)，誘導(dǎo)植物激素信號(hào)傳導(dǎo)，調(diào)節(jié)抗氧化酶活性，降低活性氧含量[44-46]，同時(shí)誘導(dǎo)類黃酮、木質(zhì)素、酚類化合物和植物抗毒素的積累[46-48]，提高植物的抗蟲性。然而從玉米組成型和誘導(dǎo)型抗氧化系統(tǒng)、次生代謝和信號(hào)傳導(dǎo)三方面探究施硅提高玉米抗蚜性的研究還鮮有報(bào)道。

本研究從抗氧化系統(tǒng)、次生代謝和信號(hào)傳導(dǎo)方面探究施硅對(duì)增強(qiáng)玉米組成型和誘導(dǎo)型抗性的生理生化機(jī)制，進(jìn)一步明確施硅提高玉米抗蚜性的內(nèi)在機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 玉米品種 供試玉米品種為鄭單958，將玉米種子挑選、清洗后，用10%的雙氧水消毒30 min，蒸餾水洗滌干凈，室內(nèi)浸泡24 h，25℃催芽。將萌發(fā)狀況相同的玉米，移栽到塑料盆中，在光照培養(yǎng)室中培養(yǎng)，待用。

1.1.2 蚜蟲 供試蚜蟲為禾谷縊管蚜 (Rhopalosiphumpadi)，飼養(yǎng)設(shè)定溫度為20℃，相對(duì)濕度為70%，光照 (LED燈) 周期為L(zhǎng)∶D = 14∶10，光強(qiáng)為3000 lx。選擇大小和日齡相同的無翅成蟲用于試驗(yàn)。

1.1.3 營(yíng)養(yǎng)液制備 供試營(yíng)養(yǎng)液為Hoagland營(yíng)養(yǎng)液：Ca(NO3)2·4H2O 472.3 mg/L、K2SO4130.6 mg/L、MgSO4·7H2O 160.2 mg/L、KCl 7.455 mg/L、KH2PO440.8 mg/L、K2HPO4·3H2O 5.7 mg/L、FeSO4·7H2O 27.9 mg/L、Na2EDTA 37.22 mg/L、NaFeEDTA 44.21 mg/L、H3BO30.06183 mg/L、MnSO4·H2O 0.16901 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.2875 mg/L、CuSO4·5H2O 0.02497 mg/L、(NH4)6MoO2·H2O 6.179 mg/L、CaCl2211.9 mg/L。

1.1.4 硅試劑的制備 供試硅試劑為硅酸四乙酯，首先將4 mL無水乙醇與190 mL 蒸餾水充分?jǐn)嚢?.5 h，將0.1344 mL硅酸四乙酯 (TEOS)、4 mL無水乙醇以及 2 mL吐溫80的混合液緩緩滴入，充分?jǐn)嚢? h，配制成總體積為200 mL的硅制劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年5月6—30日在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)光照培養(yǎng)室進(jìn)行，采用水培試驗(yàn)，設(shè)置不施硅不接蚜蟲 (-Si-A)、不施硅接蚜蟲 (-Si+A)、施硅不接蚜蟲(+Si-A)、施硅接蚜蟲 (+Si+A) 4個(gè)處理，每個(gè)處理在玉米兩葉一心、三葉一心時(shí)分別噴施200 mL的硅制劑，每個(gè)處理重復(fù)3次，每盆留1株苗。于玉米四葉一心時(shí)使用毛筆將無翅成蟲接到玉米葉片上，每株玉米接30頭蚜蟲，為防止蚜蟲從接蟲植株上遷出，用上端開口的玻璃紙罩將植株罩住，開口處再蓋上用0.178 mm (80目) 的尼龍做成的蓋子。于溫度為24℃，相對(duì)濕度為70%，光照 (LED燈) 周期為L(zhǎng)∶D = 14∶10，光強(qiáng)為3000 lx的光照培養(yǎng)室內(nèi)培養(yǎng)。

分別在蚜蟲侵染后48、60、72、96、120 h時(shí)對(duì)蚜蟲密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)玉米植株進(jìn)行動(dòng)態(tài)取樣。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 酶活性以及過氧化氫、丙二醛含量測(cè)定 將收集到的鮮樣放入預(yù)冷過的瓷研缽中，進(jìn)行液氮研磨。稱取約0.1 g研磨好的植株鮮樣，加入1 mL提取液，進(jìn)行冰浴勻漿，8000 × g、4℃離心10 min，取上清液，置于冰上待測(cè)。

超氧化物歧化酶 (SOD) 采用 NBT 還原法[49]，在黃嘌呤氧化酶藕聯(lián)反應(yīng)體系中抑制百分率為50%時(shí)，每mL反應(yīng)體系中的超氧化物歧化酶活力定義為一個(gè)酶活力單位 (U)；多酚氧化酶 (LOX)[50]、脂氧合酶 (PPO)[51]、苯丙氨酸解氨酶 (PAL)[52]采用紫外分光光度法，以每g組織每mL反應(yīng)體系中每min吸光值變化0.01個(gè)單位為一個(gè)酶活力 (U) 單位表示，單位均為U/g, FW；過氧化氫酶 (CAT) 采用愈創(chuàng)木酚法[52]，以每g組織每min催化1 μmol過氧化氫降解為一個(gè)酶活力單位表示，單位為μmol/(g·min), FW；丙二醛 (MDA) 含量測(cè)定參照趙世杰等[53]的測(cè)定方法，單位為nmol/g, FW，過氧化氫 (H2O2) 含量測(cè)定參照Gong等[54]的測(cè)定方法，單位為ng/g, FW。

1.3.2 木質(zhì)素以及信號(hào)傳導(dǎo)物質(zhì)含量測(cè)定 木質(zhì)素含量測(cè)定：小麥葉片在95%乙醇和適量石英砂研缽中，研磨至勻漿轉(zhuǎn)移到離心管中13860 × g下離心5 min，倒出上清液，95%乙醇清洗沉淀物3次，乙醇∶正己烷 = 1∶2 (v∶v) 沖洗2次，收集沉淀物使其自然干燥，加入2 mL乙酰溴∶乙酸 = 1∶3 (v∶v)70℃水浴加熱30 min，使沉淀溶解，冷卻后加入0.9 mL氫氧化鈉 (2 mol/L) 和0.1 mL羥胺鹽酸 (7.5 mol/L)，用乙酸定容至10 mL。在13860 × g離心5 min后，在280 nm (A280) 處測(cè)量上清液的吸光度，單位為 ng/g, FW[55]。

茉莉酸(JA)含量通過GC-MS-SIM測(cè)定[56]。用丙酮和50 mmol/L檸檬酸 (70:30，v/v) 溶液提取0.5 g干燥樣品，離心取上清，并用10 mL乙醚萃取3次。[9, 10-2H2]-JA (20 ng) 作為內(nèi)標(biāo)。用10 mL乙醚和乙酸 (98:2，v/v) 洗脫JAs (內(nèi)源性JA和內(nèi)標(biāo)物)。蒸發(fā)溶劑并用過量重氮甲烷醚化殘余物后，用二氯甲烷將樣品調(diào)節(jié)至50 mL，采用GC-MS-SIM對(duì)提取物進(jìn)行分析，單位為mg/g, FW。

水楊酸(S A)含量采用高效液相色譜法(HPLC)[57]測(cè)定。用90%和100%甲醇依次提取0.2 g凍干樣品。兩種提取物都在真空中干燥。加入2.5 mL 5% 三氯乙酸，并用乙酸乙酯/環(huán)戊烷/異丙醇 (49.5∶49.5∶1，v∶v) 分離上清液。將頂層轉(zhuǎn)移到4 mL小瓶中并用純化氮?dú)飧稍?。將SA再次懸浮于1 mL 70%甲醇中并通過HPLC進(jìn)行分析，單位為mg/g, FW。

1.4 數(shù)據(jù)處理

玉米組成型抗性為不接蚜蟲處理所測(cè)得的指標(biāo)含量；誘導(dǎo)型抗性為接蟲處理下指標(biāo)含量與不接蟲處理下指標(biāo)含量的差值。采用 Microsoft Office 2010、SPSS 23.0 和Metabo Analyst進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，Origin 6.0作圖，單因素方差分析采用LSD法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性 (P ＜ 0.05為差異顯著)，相關(guān)性采用Pearson相關(guān)性分析，施硅、蚜蟲侵染、侵染后時(shí)間的交互作用采用三因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施硅對(duì)蚜蟲種群密度的影響

由表1可知，隨著時(shí)間的推移，蚜蟲種群密度逐漸增加，不施硅處理下，接蟲后60、72、96、120 h蚜蟲數(shù)量分別比接蟲后48 h時(shí)顯著增加了12.50%、16.96%、27.68%、40.18%；施硅處理下，分別顯著增加了12.36%、19.66%、35.95%、49.44%。在同一時(shí)間點(diǎn)，施硅處理的蚜蟲種群密度均顯著低于不施硅處理，在接蟲后48～120 h時(shí)間段顯著降低了15.29%～20.64%，其中在接蟲后60 h時(shí)降低幅度最大，為20.64%。

表1 施硅對(duì)蚜蟲種群密度的影響Table 1 Effects of Si application on the population density of aphids

2.2 施硅對(duì)玉米抗氧化系統(tǒng)中組成型抗性與誘導(dǎo)型抗性的影響

由表2可知，施硅、蚜蟲侵染與侵染后時(shí)間三者的交互作用顯著影響了玉米體內(nèi)SOD、CAT活性、H2O2和MDA含量。如果將不接蟲玉米體內(nèi)的抗氧化物質(zhì)含量和相關(guān)酶活性定義為組成型抗性，接蟲前后抗氧化物質(zhì)含量和酶活性的差值即可視為誘導(dǎo)性抗性。在培養(yǎng)各時(shí)間點(diǎn)，與不施硅處理相比，施硅均可提高玉米體內(nèi)組成型CAT、SOD活性，增幅分別為24.91%～66.27%、30.70%～45.71%；降低了組成型H2O2和MDA含量，降幅分別為4.41%～15.35%、5.35%～17.95%；施硅使誘導(dǎo)型SOD活性顯著降低了54.89%～74.44%，誘導(dǎo)型CAT活性在侵染后60、96和120 h分別顯著增加了73.84%、60.66%和128.86%，誘導(dǎo)型H2O2含量顯著降低 (除侵染后60 h顯著升高外)，誘導(dǎo)型MDA含量先增加后降低，在各時(shí)間點(diǎn)差異性不顯著。在同一培養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)，無論是否施硅，組成型SOD、CAT活性、H2O2和MDA含量均顯著高于誘導(dǎo)型。

表2 施硅及蚜蟲侵染對(duì)玉米體內(nèi)抗氧化物質(zhì)含量及相關(guān)酶活性的影響Table 2 Antioxidant substance contents and related enzyme activities in maize as affected by Si application and aphid infestation

2.3 施硅對(duì)次生代謝中玉米組成型抗性與誘導(dǎo)型抗性的影響

由表3可知，施硅、蚜蟲侵染與侵染后時(shí)間三者的交互作用顯著影響了玉米體內(nèi)PAL、LOX、PPO活性和木質(zhì)素含量。在整個(gè)培養(yǎng)期間，施硅條件下的組成型PAL、LOX、PPO活性和木質(zhì)素含量高于不施硅處理，分別增加了7.05%～16.26%、12.13%～55.88%、0.41%～12.27%和1.92%～46.78%，其中除侵染后96 h的LOX活性和侵染后48 h的木質(zhì)素含量外，其他時(shí)間點(diǎn)均達(dá)到顯著水平，且組成型PAL活性的增幅先降低后增加，組成型LOX活性增幅先增加后降低，侵染后60 h組成型PPO活性和侵染后96 h組成型木質(zhì)素含量的增幅最大；與不施硅處理相比，施硅處理下誘導(dǎo)型PAL活性先升高后降低，誘導(dǎo)型PPO和木質(zhì)素含量降低，分別降低了64.43%～92.50%、3.18%～90.80%，其中除侵染后48 h誘導(dǎo)型木質(zhì)素含量外，其它時(shí)間點(diǎn)均達(dá)到顯著水平，誘導(dǎo)型LOX活性除侵染后72和96 h外均降低，且在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)均達(dá)到顯著水平。在同一培養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)，無論是否施硅，組成型PAL、LOX、PPO活性和木質(zhì)素含量均顯著高于誘導(dǎo)型。

表3 施硅及蚜蟲侵染對(duì)玉米體內(nèi)次生代謝物質(zhì)及相關(guān)酶活性的影響Table 3 Secondary metabolites and related enzyme activities in maize as affected by Si application and aphid infestation

續(xù)表3 Table 3 continued

2.4 施硅對(duì)信號(hào)傳導(dǎo)中玉米組成型與誘導(dǎo)型抗性的影響

由表4可知，施硅、蚜蟲侵染與侵染后時(shí)間三者的交互作用顯著影響了玉米體內(nèi)JA和SA含量。在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，與不施硅處理相比，施硅處理均提高了組成型JA和SA含量，分別顯著增加了0.12%～29.47%、4.62%～19.55%，且組成型JA含量的增幅先增加后降低，SA含量的增幅先降低后增加，兩者增幅呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)；施硅處理可降低誘導(dǎo)型JA含量，顯著降低了29.57%～94.54%，顯著增加了43.77%～117.48%的誘導(dǎo)型SA含量，且在各時(shí)間點(diǎn)均達(dá)到顯著水平。在同一培養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)，無論是否施硅，組成型JA和SA含量均顯著高于誘導(dǎo)型。

表4 施硅及蚜蟲侵染對(duì)玉米體內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)物質(zhì)的影響Table 4 Signal transduction substances in maize as affected by Si application and aphid infestation

2.5 玉米體內(nèi)組成型和誘導(dǎo)型抗氧化物質(zhì)、次生物質(zhì)和信號(hào)傳導(dǎo)物質(zhì)的主成分分析

通過主成分分析 (PCA)，探究施硅對(duì)玉米體內(nèi)組成型和誘導(dǎo)型抗氧化物質(zhì)及其酶活性、次生代謝物質(zhì)及其酶活性和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)物質(zhì)分布的影響。主成分分析結(jié)果 (圖1A) 顯示，PC1和PC2對(duì)總方差的貢獻(xiàn)分別為86.0%和3.8%。PCA圖顯示對(duì)照組和處理組之間指標(biāo)的分離情況，除48 h的施硅和不施硅處理外，其余時(shí)間點(diǎn)下的不同處理均被PC2顯著分離，侵染后120 h施硅處理被PC1顯著分離。此外，玉米體內(nèi)組成型CAT活性和MDA含量以及誘導(dǎo)型PPO活性、MDA、木質(zhì)素和SA含量對(duì)PC1和PC2均有顯著影響 (圖1B)，誘導(dǎo)型PAL活性和H2O2含量對(duì)PC1影響顯著。組成型和誘導(dǎo)型SOD活性、組成型LOX活性、H2O2和木質(zhì)素含量、誘導(dǎo)型CAT活性以及蚜蟲數(shù)量顯著影響了PC2，其中對(duì)主成分貢獻(xiàn)最大的為組成型和誘導(dǎo)型CAT、SOD活性和誘導(dǎo)型H2O2、SA含量。

圖1 硅誘導(dǎo)玉米組成型抗性和誘導(dǎo)型抗性中防御酶活性、次生代謝產(chǎn)物和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)物質(zhì)變化的主成分分析 (PCA)Fig. 1 Principal component analysis (PCA) of Si induced variation in the defense enzymes activity, secondary metabolites and signal transduction substances of maize

2.6 施硅對(duì)玉米體內(nèi)組成型和誘導(dǎo)型各指標(biāo)的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果 (圖2、表5)表明，在蚜蟲侵染后的48、60、96和120 h，蚜蟲種群密度與玉米抗氧化系統(tǒng)中組成型CAT、SOD活性呈顯著性負(fù)相關(guān)，與組成型H2O2和MDA含量呈正相關(guān)，且均在侵染后60和96 h時(shí)達(dá)到顯著水平，與侵染后60、96和120 h時(shí)誘導(dǎo)型CAT活性呈顯著性負(fù)相關(guān)，與誘導(dǎo)型SOD活性和H2O2含量呈正相關(guān)，且均在侵染后48、60、96和120 h時(shí)達(dá)到顯著水平；次生代謝中，蚜蟲的種群密度除侵染后72 h外與組成型和誘導(dǎo)型PAL活性、組成型PPO活性、侵染后48、60、120 h組成型LOX活性、侵染后60、96和120 h木質(zhì)素含量呈顯著性負(fù)相關(guān)，與侵染后60～120 h誘導(dǎo)型PPO活性和木質(zhì)素含量、侵染后48、60、120 h LOX活性呈顯著正相關(guān)，與侵染后48 h誘導(dǎo)型PPO活性、侵染后72、96 h LOX活性呈顯著負(fù)相關(guān)；在蚜蟲侵染后的各時(shí)間點(diǎn)與信號(hào)傳導(dǎo)中組成型JA和SA呈負(fù)相關(guān)，與除侵染后48 h以外的其它時(shí)間點(diǎn)的誘導(dǎo)型JA含量呈顯著性負(fù)相關(guān)，與誘導(dǎo)型SA呈顯著性正相關(guān)。

表5 蚜蟲侵染后不同時(shí)間各指標(biāo)組成型、誘導(dǎo)型抗性與蚜蟲密度相關(guān)性分析Table 5 Correlation of the resistance of measured items with the aphid population density at different time after aphid infestation

圖2 硅誘導(dǎo)玉米組成型抗性 (C) 和誘導(dǎo)型抗性 (I) 中防御酶活性、次生代謝產(chǎn)物和信號(hào)傳導(dǎo)物質(zhì)的聚類分析Fig. 2 Analysis of Si induced variation in the defense enzymes activity, secondary metabolites and signal transduction substances of maize by cluster analysis

蚜蟲種群密度與組成型CAT、SOD、PAL、PPO、LOX活性和木質(zhì)素、JA、SA含量呈負(fù)相關(guān)，與組成型H2O2、MDA含量呈正相關(guān)，與誘導(dǎo)型CAT、侵染后60 h SOD、侵染后48 和72 h PAL活性、侵染后72和96 h LOX活性、除侵染后48 h外JA含量、侵染后48 h PPO活性和SA含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與誘導(dǎo)型SOD活性、H2O2、MDA含量、侵染后96和120 h PAL活性、侵染后60～120 h PPO活性、木質(zhì)素、SA含量、侵染后48、60和120 h LOX活性、侵染后48 h JA含量呈顯著正相關(guān)。

3 討論

植物的抗性包括植物本身產(chǎn)生的組成型抗性和病蟲害侵染后所表現(xiàn)出來的誘導(dǎo)型抗性[7]。植物的組成型抗性是植物體內(nèi)固有的，跟自身基因型有關(guān)，具有全株性，貫穿植物一生并始終起作用[58-59]，而誘導(dǎo)型抗性是對(duì)環(huán)境變化的一種應(yīng)激反應(yīng)，具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，根據(jù)危害的部位可以分為局部性和全株性[60]，根據(jù)危害時(shí)間的長(zhǎng)短可分為快速誘導(dǎo)反應(yīng)和慢速誘導(dǎo)反應(yīng)，快速誘導(dǎo)反應(yīng)是當(dāng)植物被病蟲危害時(shí)立即被激活，慢速誘導(dǎo)反應(yīng)需要較長(zhǎng)時(shí)間的蟲害誘導(dǎo)才被激活，雖然反應(yīng)時(shí)間緩慢但能維持較長(zhǎng)時(shí)間，并抵御后來昆蟲的襲擊[15]。

研究表明，施硅能夠降低昆蟲的取食和發(fā)育，增強(qiáng)植物對(duì)植食性昆蟲的抗性[35]，與本研究結(jié)果中施硅能夠降低蚜蟲的種群密度相一致。前人在甘藍(lán)和水稻上研究發(fā)現(xiàn)施硅能夠降低蚜蟲的取食以及內(nèi)稟增長(zhǎng)率和凈生長(zhǎng)率[36,61]，進(jìn)一步證明了施硅能夠降低蚜蟲的種群密度，提高農(nóng)作物的抗蚜性。隨著侵染后時(shí)間的延長(zhǎng)，施硅處理下蚜蟲增長(zhǎng)的速度小于不施硅處理?？赡苁且?yàn)橛衩兹~片表面噴施硅，使葉表黏附了很多細(xì)密的硅顆粒，這些硅顆粒使玉米表皮角質(zhì)層形成硅質(zhì)化細(xì)胞提高莖葉的硬度，降低了玉米葉的適口性，從而有效抑制蚜蟲的生長(zhǎng)繁殖，蚜蟲生殖能力下降，也可能與二氧化硅誘導(dǎo)植株表皮或葉肉釋放抗蟲化學(xué)物質(zhì)有關(guān)[39-48]。

本研究結(jié)果表明，施硅提高了玉米體內(nèi)組成型SOD、CAT活性、誘導(dǎo)型CAT活性，與前人在水稻上研究發(fā)現(xiàn)的施硅能夠提高水稻體內(nèi)CAT和SOD活性的結(jié)果相類似[62]，但降低了誘導(dǎo)型SOD活性、組成型H2O2和MDA的含量，誘導(dǎo)型H2O2和MDA含量先升高后降低。MDA作為脂質(zhì)過氧化主要物質(zhì)之一，能與細(xì)胞內(nèi)各種成分發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)、核酸、糖和膜脂分子的氧化破壞[63]，其含量常被作為脂質(zhì)過氧化程度的重要指標(biāo)[64]，蚜蟲侵染導(dǎo)致玉米體內(nèi)活性氧 (ROS) 含量升高，脂質(zhì)氧化水平上升，其中 SOD 可歧化 O2·產(chǎn)生H2O2，導(dǎo)致前期MDA和H2O2含量增加，氧化代謝失衡，誘導(dǎo)玉米自身產(chǎn)生誘導(dǎo)型抗性，同時(shí)硅可通過調(diào)節(jié)玉米體內(nèi)代謝，影響抗氧化酶活性[65]，CAT可清除過量H2O2，避免其對(duì)玉米產(chǎn)生毒害[17-19]，提高玉米的抗性。本試驗(yàn)相關(guān)性分析表明，蚜蟲密度與組成型和誘導(dǎo)型CAT和組成型SOD活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與誘導(dǎo)型SOD活性、組成型和誘導(dǎo)型H2O2、MDA的含量呈顯著性正相關(guān)，這與在茄子[66]和小麥[67]上的研究結(jié)果相類似。同時(shí)本研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在同一培養(yǎng)時(shí)間，無論是否施硅，誘導(dǎo)型防御酶活性、H2O2、MDA、木質(zhì)素、JA和SA含量均顯著低于組成型，可能是因?yàn)楸狙芯肯冗M(jìn)行施硅處理，硅通過葉片噴施，迅速形成多硅酸復(fù)合物在葉面沉積，同時(shí)硅作為防御反應(yīng)調(diào)節(jié)劑或啟動(dòng)劑[42]，率先啟動(dòng)玉米組成型中的物理和化學(xué)防御，當(dāng)蚜蟲開始侵染時(shí)，組成型抗性作為防御的第一道屏障進(jìn)行防御的同時(shí)，誘導(dǎo)型抗性中的快速誘導(dǎo)物質(zhì)也開始進(jìn)行防御，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蚜蟲的種群密度增加，慢速誘導(dǎo)反應(yīng)逐漸被激活[15]，但仍以組成型抗性為主。

Ye等[48]研究發(fā)現(xiàn)，蚜蟲生殖能力下降可能與二氧化硅誘導(dǎo)植株表皮或葉肉釋放抗蟲化學(xué)物質(zhì)有關(guān)。本研究通過對(duì)次生代謝相關(guān)酶活性和木質(zhì)素含量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，施硅能提高玉米體內(nèi)組成型PPO、PAL、LOX和木質(zhì)素含量，這與前人的研究[68-70]相一致。PAL和PPO作為大多數(shù)酚類物質(zhì)的關(guān)鍵酶，可以催化木質(zhì)素的形成[71]，促進(jìn)細(xì)胞壁和組織的木質(zhì)化，增加植物體的硬度，降低昆蟲的消化率[72-73]。LOX作為植物誘導(dǎo)的防御物質(zhì)，是活性氧的來源之一，以非酶促方式啟動(dòng)膜脂質(zhì)過氧化，促進(jìn)脂氧化反應(yīng)及其相關(guān)防衛(wèi)基因的表達(dá)[74]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，硅與芳香族代謝中的關(guān)鍵酶 (PAL)、木質(zhì)素和其他細(xì)胞壁成分具有相關(guān)性[28-75]。本相關(guān)性研究表明，蚜蟲密度與侵染后48、60、96、120 h組成型防御酶活性、木質(zhì)素含量和侵染后48 h誘導(dǎo)型PAL、PPO活性、侵染后72 h PAL、LOX活性、侵染后96 h LOX活性呈顯著性負(fù)相關(guān)，與侵染后96、120 h誘導(dǎo)型PAL、侵染后60～120 h誘導(dǎo)型PPO活性和木質(zhì)素含量以及除侵染后72、96 h外的LOX活性呈顯著性正相關(guān)。組成型次生代謝物質(zhì)和侵染后72、96 h誘導(dǎo)型LOX活性與呂敏[76]等的研究發(fā)現(xiàn)，蚜蟲侵染能夠提高LOX活性的結(jié)果相類似，而侵染后96、120 h誘導(dǎo)型PAL、侵染后60～120 h PPO活性和木質(zhì)素含量所表現(xiàn)出的正相關(guān)，可能是因?yàn)榻M成型抗性是植物的固有特性，是植物在遭受侵害前就己存在的抗性，且貫穿植物的一生[15,77]，能夠迅速對(duì)蚜蟲取食做出反應(yīng)，且不同的物質(zhì)對(duì)蚜蟲侵染所做出反應(yīng)的時(shí)間段有一定的差異[78]，隨著蚜蟲密度的增加，組成型抗性作為第一道防線被攻破，誘導(dǎo)反應(yīng)被激活，從而提高誘導(dǎo)型防御酶活性。在蚜蟲侵染后48 h時(shí)，施硅處理下的誘導(dǎo)型PAL和PPO活性顯著高于不施硅處理，研究發(fā)現(xiàn)可溶性硅可作為第二信使、防御反應(yīng)調(diào)節(jié)劑或啟動(dòng)劑，啟動(dòng)信號(hào)傳導(dǎo)途徑，調(diào)控植物體內(nèi)PAL、PPO、CAT等防御酶活性、木質(zhì)素和酚類化合物等的含量[42,79]。在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，施硅降低了誘導(dǎo)型PPO活性和木質(zhì)素含量，誘導(dǎo)型PAL活性先升高后降低，而LOX活性則呈現(xiàn)出先降低后升高隨后又降低的趨勢(shì)。當(dāng)玉米在感應(yīng)到蚜蟲的侵染時(shí)，不同的物質(zhì)對(duì)蚜蟲侵染所做出反應(yīng)的時(shí)間段有一定的差異[78]，快速誘導(dǎo)物質(zhì)在蚜蟲侵染時(shí)被激活，活性或含量隨之增加，如本研究中的誘導(dǎo)型PAL活性；隨著侵染后時(shí)間的延長(zhǎng)，慢速誘導(dǎo)物質(zhì)被激活，活性或含量開始升高[15]，如本研究中的誘導(dǎo)型LOX活性，但誘導(dǎo)型PPO活性和木質(zhì)素含量在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)均呈降低趨勢(shì)，可能是因?yàn)樵摲烙镔|(zhì)主要以組成型為主，且不同的物質(zhì)對(duì)蚜蟲侵染所做出反應(yīng)的靈敏度也有一定的差異[78]。

研究發(fā)現(xiàn)，在植物與蚜蟲的互作中，植物通過激活茉莉酸 (JA) 和水楊酸 (SA) 途徑的拮抗或協(xié)同交互作用來激活植物對(duì)蚜蟲的防御[80-82]。本試驗(yàn)相關(guān)性研究表明，組成型SA、JA含量和誘導(dǎo)型SA含量與蚜蟲密度呈顯著性負(fù)相關(guān)，誘導(dǎo)型JA含量與蚜蟲密度呈顯著性正相關(guān)，且與不施硅處理相比，施硅處理提高組成型JA含量、組成型和誘導(dǎo)型SA含量，降低誘導(dǎo)型JA含量，可能是施硅誘導(dǎo)了玉米體內(nèi)組成型和誘導(dǎo)型SA途徑的傳導(dǎo)，對(duì)組成型JA和誘導(dǎo)型JA途徑產(chǎn)生了協(xié)同或拮抗作用，在植物與蚜蟲互作中發(fā)現(xiàn)，水楊酸途徑的相關(guān)基因被激活，而茉莉酸途徑的相關(guān)基因被抑制[83]，但在苜蓿中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)綠蚜侵染會(huì)誘導(dǎo)水楊酸途徑與茉莉酸途徑相關(guān)的基因同時(shí)表達(dá)[84]，這與Bonnet等[85]發(fā)現(xiàn)的SA和JA信號(hào)傳導(dǎo)通路之間可能會(huì)發(fā)生拮抗或協(xié)同交互作用，其中一條通路的誘導(dǎo)會(huì)對(duì)其他通路產(chǎn)生積極或消極的調(diào)節(jié)作用的結(jié)果相一致。此外，SA是植物體內(nèi)普遍存在的內(nèi)源信號(hào)分子之一，能誘導(dǎo)植物對(duì)蚜蟲等植食性昆蟲產(chǎn)生防御反應(yīng)[86]，SA和JA在生成的過程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)蚜蟲有很強(qiáng)毒害作用的次生代謝物質(zhì) (如單寧、總酚、黃酮等)[79,87]。

4 結(jié)論

施硅可通過增強(qiáng)玉米體內(nèi)組成型和誘導(dǎo)型JA和SA之間的協(xié)同和拮抗作用，激活信號(hào)傳導(dǎo)途徑，提高玉米抗氧化系統(tǒng)中組成型CAT和SOD活性、次生代謝系統(tǒng)中組成型次生防御物質(zhì)含量及其相關(guān)酶活性，降低抗氧化系統(tǒng)中組成型H2O2和MDA含量，調(diào)控抗氧化系統(tǒng)中快速誘導(dǎo)反應(yīng)的誘導(dǎo)型CAT、慢速誘導(dǎo)反應(yīng)的誘導(dǎo)型SOD活性、次生代謝系統(tǒng)中慢速誘導(dǎo)反應(yīng)的誘導(dǎo)型PPO活性和木質(zhì)素含量，共同降低蚜蟲的種群密度，其中組成型和誘導(dǎo)型CAT、SOD活性和誘導(dǎo)型H2O2、SA指標(biāo)貢獻(xiàn)性最高，共同揭示施硅提高玉米抗蚜性的組成型和誘導(dǎo)型生理代謝機(jī)制。