外源茉莉酸甲酯对连作草莓土壤养分和酶活性的影响
时间：2023-01-18 17:05:11 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张奇瑞，刘小林，徐胜光，范志伟，马焕锦，李 宇，洪永忠，阮亚男，张 瑞
(1. 昆明学院农学与生命科学学院, 昆明 650214; 2.云南省高校生物炭工程研究中心，昆明 650214; 3. 宜春学院生命科学与资源环境学院，江西 宜春 336000)
【研究意义】草莓(Fragaria×ananassaDuch)是蔷薇科(Rosaceae)草莓属(FragariaL.)植物的统称，属多年生的草本植物，是世界上栽培种植面积最广的水果之一，具有极高的营养、药用价值以及抗衰老功能，所以深得消费者喜爱[1-2]。但是，由于草莓是多年生草本植物[3]，常年连作生产，容易出现大面积的品质、产量下降和病虫害增多等连作障碍现象[4]，严重时会导致草莓减产30%～80%，甚至造成绝收现象[5-6]。【前人研究进展】近年来，有较多研究报道，施用外源茉莉酸甲酯(MeJA)可以增加植株内源茉莉酸含量[7]，且认为茉莉酸和茉莉酸甲酯可以提高植株相关酶活性和诱导相关抗性基因表达，从而增强植株的防御和抗病能力[8]，降低植株连作时的发病率，达到消减连作障碍的效果[9]。但是，在此方面前人研究结果不尽一致。张晓霞等[10]认为MeJA处理后，番茄幼苗的过氧化氢酶和多酚氧化酶等防御酶活性显著提高，且随着处理浓度的提高呈现先上升后下降的趋势。而苏媛等[11]则认为，利用MeJA处理草莓根系后，根系的苯丙氨酸解氨酶、过氧化物酶和过氧化氢酶等防御酶活性明显提高，且随着MeJA处理的浓度和时间增加呈现逐渐增高的趋势，并不会表现出降低趋势。【本研究切入点】作物连作障碍的发生与连作后土壤的理化性质和酶活性的改变密切相关，但是在MeJA消减作物连作障碍的机理方面，已有的研究仅关注施用外源MeJA后植株自身的变化，尚未关注连作土壤理化性质及土壤酶活性的变化。【拟解决的关键问题】本研究以草莓3年连作土壤和红颜草莓为材料，通过观测草莓根际土壤养分含量、pH、土壤酶活性、草莓单株果数和单果重等指标，探究施用外源MeJA后，草莓根际土壤理化性质及土壤酶活性的变化，为揭示MeJA消减作物连作障碍的机理奠定基础。
1.1 材料来源
试验于2020年9—12月在昆明学院农学与生命科学学院温室内进行。供试草莓品种为红颜草莓(Fragaria×ananassaDuch)，供试的95%茉莉酸甲酯(MeJA)购自美国Sigma公司。供试土壤采集于昆明市呈贡区已连续种植3年草莓的0～20 cm耕作层，土壤碱解氮含量551.67 mg/kg、有机质含量9.06%、有效磷含量98.36 mg/kg、有效钾含量1643.28 mg/kg、pH 6.22。
1.2 试验设计
试验设MeJA溶液0 μmol/L(处理CK)、10 μmol/L(处理T1)、50 μmol/L(处理T2)、100 μmol/L(处理T3)、200 μmol/L(处理T4)、500 μmol/L(处理T5)共6个处理，每个处理10盆，每盆3株。MeJA溶液的配制方法为：以少量二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide, DMSO)溶解MeJA后，用含体积分数为0.2%Tween 80的蒸馏水配成1.0×103μmol/L的母液，再用蒸馏水依次稀释成10、50、100、200和500 μmol/L溶液[12]。
1.3 试验方法
每盆装入充分风干的土壤12 kg，混入控释肥[m(N)∶m(P)∶m(K)=18∶10∶18]10 g后装入规格为长80 cm、宽40 cm、高30 cm的条形盆。2021年9月2日，选取出苗15 d且株高在6～8 cm的红颜草莓匍匐茎，分别用不同浓度MeJA蘸根处理10 mins后移栽至条形盆，CK组使用相同浓度的二甲基亚砜和乳化剂Tween 80蘸根处理。之后，每5 d按50 mL每株用量喷洒对应浓度MeJA溶液至草莓叶面，共计喷洒6次，其余种植管理同当地生产实践一致。
1.4 指标测定
在幼苗期(移栽后第30天)和开花结果期(移栽后第60天)，每个处理分别用抖根法[13]采集5盆草莓植株根际土壤。土壤有机质含量测定采用重铬酸钾外加热法[14]，土壤碱解氮测定采用扩散法[15]，土壤有效磷测定采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法[16]，土壤有效钾测定采用乙酸铵浸提—原子吸收火焰光度计法[17]，土壤pH测定采用电极电位法测定(1.0∶2.5土水比例浸提液)[18]，多酚氧化酶和过氧化物酶测定采用底物诱导法，蛋白酶测定采用福林法，脲酶测定采用比色法[19-20]。
开花结果期时，测量各处理的株高、单株果数和单果重。用测量尺测量草莓根茎部到最长叶片的垂直高度来计算株高[21]，草莓植株成熟果实全部摘除时记录并计算草莓单果重以及单株果数[22]。
1.5 统计与分析
采用软件SPSS 26.0对数据进行统计分析，Duncan法进行差异显著性分析，显著水平均为P﹤0.05，使用软件Origin 2018进行作图。
2.1 草莓根际土壤养分变化
从图1可以看出，无论是在幼苗期还是开花结果期，相对不施加MeJA的对照处理，MeJA处理的草莓根际土壤碱解氮、有机质、有效磷、有效钾含量在总体上呈现出降低趋势，且多数达到显著程度。
在幼苗期，各处理碱解氮含量排序为0>10>50>500>200>100 μmol/L，MeJA处理较对照显著降低15.41%～55.29%；
各处理有机质含量排序为0>10>500>200>50>100 μmol/L，MeJA处理较对照显著降低4.24%～19.59%；
有效磷含量各处理排序为0>10>200>500>100>50 μmol/L，除处理T1与对照无显著性差异外，其余MeJA处理较对照显著降低16.25%～25.45%；
有效钾含量各处理排序为0>50>10>500>200>100 μmol/L，处理T4较对照显著降低了4.57%，其余处理无显著性差异。
在开花结果期，各处理碱解氮含量排序为0>为0>50>200>500>100>10 μmol/L，MeJA处理较对照显著降低16.49%～28.17%。有效钾含量各处理排序为0>10>200>50>500>100 μmol/L，处理T3较对照显著降低16.47%，其余处理无显著性差异。
500>200>10>100>50 μmol/L，除处理T4和处理T5与对照无显著性差异外，其余MeJA处理较对照显著降低19.32%～41.61%。各处理有机质含量排序为0>500>10>50>100>200 μmol/L，除处理T5与对照无显著性差异外，其余MeJA处理较对照显著降低5.56%～11.56%。有效磷含量各处理排序尽管在总体上，MeJA处理的草莓根际土壤碱解氮、有机质、有效磷、有效钾含量相对比对照呈现降低趋势，但是综合各个指标和各个时期可以看出，100 μmol/L或邻近浓度处理处于峰谷位置，在其之后，随着MeJA处理浓度的提高，草莓根际土壤碱解氮、有机质、有效磷、有效钾含量呈反弹上升趋势。
2.2 草莓根际土壤pH变化
从图2可以看出，在幼苗期和开花结果期，MeJA处理的pH较对照均有提高，尤其是100 μmol/L处理。分时期来看，在幼苗期，根际土壤pH各处理排序为100>50>500>200>10>0 μmol/L，MeJA处理较对照显著提高3.90%～5.58%，其中处理T3 pH最高，为6.49；
在开花结果期，根际土壤pH各处理排序为100>10>500>50>200>0 μmol/L，处理T3 pH最高，为5.92，较对照显著提高2.19%，其余MeJA处理与对照无显著性差异。
表2 不同浓度MeJA处理对草莓植株生长指标的影响
2.3 草莓根际土壤酶活性变化
从图3可以看出，MeJA处理的过氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶和脲酶的活性总体上相比对照有所提高，且大多数处理提高程度显著。
在幼苗期，各处理过氧化物酶活性排序为100>50>10>0>200>500 μmol/L，50 μmol/L处理和100 μmol/L处理较对照显著提高9.29%和13.11%，其余处理较对照无显著性差异；
各处理多酚氧化酶活性排序为50>200>100>10>0>500 μmol/L，除500 μmol/L处理与对照无显著性差异外，其余MeJA处理较对照显著提高22.06%～78.83%；
各处理蛋白酶活性排序为100>50>10>0>200>500 μmol/L，100 μmol/L处理较对照显著提高65.11%，其余MeJA处理较对照无显著性差异；
各处理脲酶活性排序为100>200>50>500>10>0 μmol/L，MeJA处理较对照显著提高47.65%～380.83%。
在开花结果期，各处理过氧化物酶活性排序为50>100>10>500>200>0 μmol/L，除200 μmol/L处理与对照无显著性差异外，其余MeJA处理较对照显著提高9.71%～30.72%；
各处理多酚氧化酶活性排序为100>50>10>500>200>0 μmol/L，100 μmol/L处理较对照显著提高34.04%，其余MeJA处理与对照无显著性差异；
各处理蛋白酶活性排序为100>50>10>0>200>500 μmol/L，处理T3的蛋白酶活性较对照显著提高52.17%，其余MeJA处理与对照无显著性差异；
各处理脲酶活性排序为100>200>50>500>10>0 μmol/L，MeJA处理较对照显著提高16.50%～255.07%。
无论是在幼苗期还是开花结果期，随着MeJA处理浓度从0 μmol/L增加到500 μmol/L，各处理的根际土壤过氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶、脲酶含量在总体上呈现先上升后下降的趋势。综合来看，100 μmol/L处理或邻近浓度处理的位于顶峰，其后随着MeJA浓度的提高，草莓根际土壤过氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶、脲酶活性呈下降趋势。
2.4 草莓植株生长指标变化
由表2可知，与对照相比，MeJA处理显著降低了草莓株高，降低幅度为22.33%～27.19%；
MeJA处理可提高草莓单株果数，尤其是100 μmol/L处理，相较对照的提高幅度为26.25%；
MeJA对草莓单果重的影响呈先上升后下降的趋势，具体排序为100>50>10>0>200>500 μmol/L，10、50和100 μmol/L处理较对照显著提高4.02%～31.60%。
氮、磷、钾作为植物生长的必要元素[23]，影响着植株的生长状况和产量形成[24]。本研究结果显示，MeJA处理的草莓根际土壤碱解氮、有机质、有效磷、有效钾含量在总体上与对照相比呈降低趋势，且多数达显著程度。说明MeJA对草莓植株具有一定的生理调节作用，有利于促进植株对根际土壤养分吸收。樊婕等[25]认为外源MeJA的添加，可以增加植株内源茉莉酸含量，进而促进植物呼吸和淀粉水解，有利于作物生长。Han等[26]的研究表明，MeJA的添加可以促进草莓果实中花青素含量增加，促进果实早熟、软化。这种有益效果，很可能与本研究所发现的MeJA促进草莓对根际土壤的碱解氮、有机质、有效磷、有效钾吸收有关。
pH是土壤的重要理化指标之一，对植株的生长有着重要影响[27]。本研究结果显示，草莓开花结果期根际土壤pH相对幼苗期降低，说明草莓连作会使根际土壤逐渐酸化，这与田给林[28]的研究结果一致。但是，本研究结果也表明，施加外源MeJA能够有效减缓连作草莓土壤酸化程度。这种缓解酸化的结果，可能与外源MeJA应用能够减少酚酸等酸性有害物质在根际的积累有关[29]。同时，鉴于已有文献指出，土壤酸化会对草莓生长产生负面影响，如降低草莓根系养分利用效率和加剧病虫害，从而影响草莓的质量和产量，因此，依据本研究结果，可以在生产实践中通过施加外源MeJA来缓解连作草莓土壤酸化。
土壤酶活性是反映土壤生物化学过程的重要指标，土壤中养分转化、累积和分解几乎都是通过酶的作用来完成[30]。相对于已有文献较多关注MeJA对植株自身相关酶活性的影响而言，本研究主要关注了连作土壤酶活性在施用外源MeJA后的变化。结果显示，草莓植株经MeJA处理后，根际土壤的过氧化物酶、多酚氧化酶、蛋白酶、脲酶活性相比于对照有明显增强。由于长期连作会导致过氧化氢酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、脲酶等土壤主要酶活性的降低，从而影响土壤中养分循环和转化[31]。因此，本研究所发现的施加外源MeJA可以增强根际土壤相关酶活性这一结果表明在生产实践中可以通过施加外源MeJA的措施来增强土壤相关酶活性和土壤养分的循环转化，进而提高植株长势和缓解连作障碍。
施加外源MeJA后，草莓根际土壤养分、pH和土壤酶活性对照表现降低和升高的趋势以外，也表现出随着MeJA浓度的增加而100 μmol/L或其邻近浓度发生转折的规律。即随着MeJA浓度的增加，草莓根际土壤的碱解氮、有机质、有效磷、有效钾含量呈现先下降后上升的趋势，土壤pH呈现先上升后下降的趋势，土壤酶活性呈现先上升后下降的趋势，且转折点都出现在T3或其邻近处理。这说明，在以本研究结果为基础，应用外源MeJA改善连作土壤理化性质和土壤酶活性时，应根据作物种类和应用环境筛选最优使用浓度。
施用适量外源MeJA后，连作草莓表现出根际土壤有机质、碱解氮、有效磷、有效钾被较多吸收、土壤酸化程度缓解和土壤酶活性上升，进而使得草莓单株果数和单果重等生长指标提升。但是，上述趋势会随着MeJA浓度的增加而在浓度为100 μmol/L附近时发生转折。这说明，在生产实践中，可以应用外源MeJA改善连作草莓根际土壤的理化性质和土壤酶活性，以促进植株生长和缓解连作障碍；
同时，应根据作物种类和应用环境筛选最优使用浓度。
