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外源钙和茉莉酸甲酯诱导番茄植株抗灰霉病研究.pdf

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外源钙和茉莉酸甲酯诱导番茄植株抗灰霉病研究.pdf

p西北植物学报 ,2012,32(3)0505-0510Acta Bot.Boreal.-Occident.Sin.文章编号 1000-4025(2012)03-0505-06①外源钙和茉莉酸甲酯诱导番茄植株抗灰霉病研究李天来 ,张亢亢 ,余朝阁 ,李琳琳(沈阳农业大学 园艺学院 ,设施园艺省部共建教育部重点实验室 ,辽宁省设施园艺重点实验室 ,沈阳110866)摘要 以 ‘辽园多丽 ’番茄幼苗为材料 ,研究了经钙 (Ca)、钙螯合剂 (EGTA)和茉莉酸甲酯 (MeJA)处理后接种番茄灰霉病幼苗叶片的病情指数 、活性氧 (H2O2、O-2)含量和过氧化氢酶 (CAT)、超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化物酶 (POD)活性的变化 。结果显示 (1)Ca、MeJA、MeJA+Ca处理番茄幼苗的灰霉病发病率分别比对照显著降低32.5%、38.0%和 54.5%,而MeJA+Ca处理又显著低于 Ca、MeJA处理 32.6%和 15.3%;MeJA+EGTA处理高于 MeJA处理 30.3%,但低于 EGTA处理 13.1%;Ca处理低于 EGTA处理 34.2%。(2)Ca、MeJA及 MeJA+Ca处理番茄幼苗叶片中活性氧积累量高于对照 ,MeJA+Ca处理又高于 Ca、MeJA处理 ;但 MeJA+EGTA处理活性氧积累量低于 MeJA处理 ,而高于 EGTA处理 ;Ca处理的活性氧含量高于 EGTA处理 。(3)Ca、MeJA及 MeJA+Ca处理幼苗叶片的 SOD、CAT、POD的活性均比对照提高,且以MeJA+Ca处理最高;而MeJA+EGTA处理抗氧化酶活性低于 MeJA处理 ,但高于 EGTA处理 ;Ca处理抗氧化酶活性高于 EGTA处理 。研究表明 ,钙在茉莉酸甲酯诱导番茄抗灰霉病过程中具有重要调节作用 ,这种作用与钙促进茉莉酸甲酯诱导番茄活性氧积累和抗氧化酶活性有关 。关键词 钙 ;茉莉酸甲酯 ;灰霉病 ;番茄 ;诱导抗性中图分类号 Q945.79 文献标志码 AResearch of Exogenous Calcium and Methyl Jasmonateon Resistance to Botrytis cinereain TomatoLI Tian-lai,ZHANG Kang-kang,YU Zhao-ge,LI Lin-lin(Colege of Horticulture,Shenyang Agricultural University/Key Laboratory of Protected Horticulture,Ministry of Education/KeyLaboratory of Protected Horticulture of Liaoning Province,Shenyang 110866,China)AbstractThe disease index,reactive oxygen species(H2O2and O-2)content and activities of CAT,SOD andPOD were examined in tomato leaves treated with CaCl2,EGTA and methyl jasmonate,and then inoculatedwith Botrytis cinerea.Results showed that(1)Ca,MeJA and both combined treatment(MeJA+Ca)de-creased the incidence rates of tomato seedlings by32.5%,38.0%and 54.5%compared with control,whilethe treatment with MeJA+Ca caused a significant decrease of disease incidence by32.6%and 15.3%ascompared to the treatment with Ca or MeJA.MeJA+EGTA treatment was higher by30.3%than that ofMeJA treatment,lower by13.1%than that of EGTA treatment.The Ca handlingwas less by34.2%thanthat of EGTA treatment.(2)Compared with the control,Ca,MeJA and MeJA+Ca treatment promoted theaccumulation of reactive oxygen species in leaves.The active oxygen content of MeJA+Ca treatment washigher than that of single Ca or MeJA treatment.The accumulation of reactive oxygen species were inhibi-①收稿日期2011-10-22;修改稿收到日期 2012-01-17基金项目 国家 “十二五 ”科技支撑计划项目 (2011BAD12B03);辽宁省重大科技攻关项目 (2010215003)作者简介 李天来 (1955-),男 ,博士 ,教授 ,主要从事设施蔬菜栽培与生理研究 。E-mailtianlaili@126.comted byMeJA+EGTA compared with MeJA,but higher than that of EGTA treatment.The active oxygencontent of Ca treatment was higher than that of EGTA treatment.(3)The SOD,CAT,POD activities wereincreased significantlytreated with Ca,MeJA and the highest was MeJA+Ca treatment.The treatmentsprayed with MeJA+EGTA,however,reduced the antioxidant enzyme activities compared with MeJA,butenhanced compared with EGTA treatment.The antioxidant enzyme activities of Ca handlingwere higherthan that of EGTA treatment.This suggested calcium could adjust resistance to B.cinerea induced bymethyl jasmonate.This result is related with the role that calcium promoted methyl jasmonate-induced ac-cumulation of reactive oxygen and antioxidant enzyme activities.Keywordscalcium;methyl jasmonate;Botrytis cinerea;tomato;induced resistance灰霉病是设施番茄生产中最重要的病害之一 ,长期依赖于农药防治 ,极易导致环境和产品污染 ,而诱导抗性为蔬菜病害防治指明一条可持续途径[1-3]。茉莉酸是一种重要的植物激素 ,它不仅影响植物体的生长和发育 ,而且与抵抗病原侵染有关 ,它可启动植物体内抗病防御基因的表达 ,从而调控植物的防御反应 。现已证明茉莉酸对增强水稻 、番茄 、马铃薯 、甜菜等抗病有积极的作用[4-7]。近年来研究认为活性氧的积累是植物抗病反应的早期特征之一 ,并参与一系列抗病防卫反应的过程 。在植物与病原物不亲和互作中 ,活性氧快速大量积累 ,而亲和互作中则基本维持不变[8-9]。病原菌侵染植株而激活信号转导防御途径 ,原生质膜的受体激发子和透过细胞膜的离子流动(Ca2+、H+、K+、Cl-)调节下游反应 ,产生活性氧爆发 (活性氧产物 )、第二信使茉莉酸 、乙烯和水杨酸的形成[10-13]。拟南芥中发现胞外及胞内Ca2+共同参与茉莉酸诱导的钙动员[14],表明钙信号参与了茉莉酸途径 ,且钙作为胞内第二信使也参与植物抗病防卫反应[15-16]。虽然迄今钙和茉莉酸分别在植株抗病中的作用研究较多 ,但关于钙在茉莉酸甲酯防御途径中所起的作用和钙与茉莉酸甲酯复合施用对植株的抗病性影响 ,国内外鲜有报道 ,而且钙对茉莉酸甲酯诱导番茄抗病 、活性氧及抗氧化酶系统的影响机制尚不明确 。因此 ,本实验通过钙 、钙螯合剂与茉莉酸甲酯分别及复合施用后接种番茄灰霉病 ,测定番茄叶片活性氧及抗氧化酶等指标 ,探讨钙在茉莉酸甲酯诱导下番茄抗灰霉病途径中的作用 ,并为番茄品种抗病性改良和防治措施制定提供理论依据 。1 材料和方法1.1 材料本实验于2011年2~4月在沈阳农业大学园艺科研基地日光温室内进行 ,供试番茄品种为 ‘辽园多丽 ’(Lycopersicon esculentum Mil.)。供试灰霉菌(Botrytis cinerea)由田间分离所得 。病菌培养基为马铃薯 葡 萄 糖 琼 脂 培 养 基 (PDA)。茉 莉 酸 甲 酯(methyl jasmonate)为sigma公司生产 ,钙抑制剂EGTA为上海国药生产 。1.2 设计1.2.1 番茄幼苗培养2011年2月24日 ,挑选籽粒饱满 、大小均匀的番茄种子 ,经55℃温水处理10min后 ,于30℃水温浸种4h,然后置光照培养箱中28℃催芽 ,选择出芽一致的种子 ,进行穴盘基质育苗 。植株长到2片真叶时 ,选择长势一致的植株于12cm10cm塑料钵中进行分苗 。待植株长到4片真叶时 ,转至安有空调的拱棚中 ,保证800到1700棚内温度25℃。1.2.2 灰霉病孢子悬浮液的制备将灰霉菌常规方法纯化后 ,接种到PDA培养基上 ,26℃下培养14d,在超净工作台上将培养基切下放入装有无菌水的锥形瓶中 ,振荡10h,4层纱布过滤 ,镜检调整孢子悬浮浓度为1105 cfu/mL。1.2.3 幼苗处理试验共设置 茉莉酸甲酯 (MJ)、CaCl2(Ca)、EGTA(EG)、茉莉酸甲酯+CaCl2(MJ+Ca)和茉莉酸甲酯+EGTA(MJ+EG)等5个处理 ,以 蒸 馏 水 为 对 照 (CK)。其 中 的MJ、CaCl2、EGTA浓度分别为3、20和5mmolL-1,每组处理40株 。按照实验设计将上述溶液分别均匀喷施于番茄幼苗叶片背面 ,直到滴水为止 。为增强吸收效果 ,在上述溶液中加入0.1%的Tween-20。喷施处理第3天喷施灰霉菌孢子悬浮液于植株第3、4片叶 ,浓度为1105 cfu/mL,接菌后2d内进行遮荫 ,保证湿度在90%以上 ,第3天正常光照 。于接菌后的0、1、2、3、4、5d取植株第3、4叶 ,经液氮速冻后置于-20℃的冰箱保存 ,用于相关指标的测定 。单株取样 ,3次重复 。1.3 测定项目与方法1.3.1 病情指数接种5d后调查发病情况 。灰霉病发病程度分级标准为 0级 ,无病斑 ;1级 ,病斑605西北植物学报32卷面积占叶面积5%以下 ;3级 ,病斑面积占叶面积5%~15%;5级 ,病斑面积占叶面积15%~25%;7级 ,病斑面积占叶面积25%~50%;9级 ,病斑面积 占叶面积50%以上 。采用分级计数法计算病情指数 。病 情 指 数 (%)=∑(各级病叶数各级代表值 )调查总叶数最高一级代表值100%1.3.2 超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量叶片超氧阴离子 (O-2)的产生速率采用羟胺氧化法测定[17],过氧化氢 (H2O2)含量采用Ferguson等[18]的方法测定 。1.3.3 抗 氧 化 酶 活 性叶 片 超 氧 化 物 歧 化 酶(SOD)活性的测定采用NBT光氧化还原法 ,以抑制NBT光氧化还原50%的酶量为一个酶活性单位[19];过氧化氢酶 (CAT)活性的测定采用紫外吸收法 ,以每分钟吸光度OD240减少0.01为一个酶活力单位 ;过氧化物酶 (POD)活性的测定采用愈创木酚法 ,将每分钟吸光度OD470增加1时为一个酶活力单位[20]。1.4 数据处理试验所得数 据 采 用EXCEL软 件 处 理 ,SPSS13.0软件进行单因素方差 (One-WayANOVA)分析 ,Origin Pro7.5软件进行绘图 。2 结果与分析2.1 不同处理对番茄幼苗病情指数的影响由图1可知 ,与CK相比 ,Ca、MJ、MJ+Ca、MJ+EG处理病情指数分别显著降低32.5%、34.0%、54.5%和11.0%(P<0.05),而EG处理病情指数与对照相比没有显著差异 ;MJ+Ca处理病情指数比Ca、MJ单独处理显著下降32.6%、15.3%,但MJ+EG处理病情指数比MJ单独处理显著升高30.3%,低于EG处理13.1%;Ca处理比EG处理极显著降低34.2%。此结果说明Ca和茉莉酸甲酯均能显著诱导降低番茄灰霉病发病率 ,外源钙对茉莉酸甲酯诱导番茄抗灰霉病具有促进作用 ,而缺钙处理则抑制茉莉酸甲酯对番茄抗灰霉病的诱导作用 。2.2 不同处理对番茄叶片活性氧代谢的影响图2,a显示 ,随着接种时间的延长 ,番茄幼苗叶片的O-2产生速率在CK、Ca和EG处理中变化趋势相似 ,均表现为先上升后下降的单峰曲线 ,并均在接种2d时达到高峰 。而MJ、MJ+Ca、MJ+EG处理的O-2产生速率均出现2个峰值 ,且各处理出现峰值的时间有异 。其中 ,MJ处理O-2产生速率在接种2d之后迅速上升 ,在4d达到高峰之后下降 ,O-2产生速率显著高于CK;MJ+Ca处理O-2产生速率在接种1d和3d时形成2个峰值 ,均显著高于MJ7053期李天来 ,等 外源钙和茉莉酸甲酯诱导番茄植株抗灰霉病研究处理 ,之后O-2产生速率减慢 ;MJ+EG处理O-2产生速率的变化趋势与MJ+Ca类似 ,但始终低于MJ处理 。EG处理O-2产生速率低于Ca处理 。就H2O2含量而言 ,除MJ+Ca处理产生3个峰值外 ,各处理的变化趋势基本相同 ,即均在接种1d和3d达到峰值 ,之后逐渐下降 (图2,b)。其中 ,MJ处 理2个 峰 值 的H2O2含 量 分 别 高 出CK27.1%、38.0%;MJ+Ca处理达到峰值的H2O2含量分别高出MJ处理2.9%、2.3%;MJ+EG处理的两个峰值均低于MJ处理 ,但高于EG处理 。对照组和EG处理的H2O2含量变化是一个动态平衡的过程 ,前期波动上升 ,之后下降 。说明外源钙能够促进了茉莉酸甲酯诱导番茄抗灰霉病信号物质H2O2的合成 ,而缺钙处理则抑制了茉莉酸甲酯诱导的H2O2合成 。2.3 不同处理对番茄叶片抗氧化性酶的影响图3,a显示 ,随着接种时间的延续 ,蕃茄幼苗中CAT活性在Ca处理和MJ+Ca处理均出现2个峰图 3不同处理番茄幼苗的 CAT(a)、SOD(b)、POD(c)活性随接种时间的变化Fig.3 The CAT(a),SOD(b),POD(c)activitiesin tomato seedling leaves with differenttreatments after inoculation值 ,并显著高于CK,而在其他处理则呈现先逐渐上升后平缓下降的单峰曲线 。MJ处理CAT活性前期明显增加 ,而后呈现动态平衡 ,但始终高于CK;MJ+Ca处理的CAT活性显著高于MJ处理 ,而MJ+EG处理的CAT活性始终低于MJ处理 ,但高于EG单独处理 。同时 ,各处理番茄幼苗SOD活性的变化趋势与对照相似 ,先升高然后较缓慢地下降 ,EG、MJ+Ca、MJ+EG处理均在接种第3天达到最大值 ,Ca和MJ处理则在第4天达到峰值 ,并且均高于CK(图3,b)。各处理SOD活性在接种后变化幅度差异不大 ,其中MJ+Ca处理在接种上升之后始终处于较高水平 ,说明其幼苗中SOD能清除过多超氧阴离子 ,有效减轻体内氧化损伤 。番茄幼苗POD活性在Ca处理中随接种时间的延续逐渐升高 ,于第4天时达到峰值 ,之后下降 ;其他处理的POD活性均在接种第3天时达到峰值 ,之后逐渐下降 ,每个处理都高于CK(图3,c)。其中 ,MJ处理POD活性显著高于CK,在接种第3天时是对照POD活性的1.2倍 ;MJ+Ca处理的POD活性始终高于MJ处理 ,接种第3天时约是MJ处理的3倍 ;MJ+EG处理的POD活性始终低于MJ处理 ,高于EG处理 。可见 ,Ca诱导能茉莉酸甲酯提高番茄幼苗的POD活性 。3 讨论已有研究证实 ,在很多植物系统中Ca2+和茉莉酸在调控病原菌引起的防御反应中起关键作用[21-23]。本研究结果表明 ,外源钙能提高茉莉酸甲酯诱导番茄抗灰霉病能力 ,而钙螯合剂EGTA抑制茉莉酸甲酯抗灰霉病能力 ,即钙信号途径对茉莉酸甲酯抗灰霉病防御途径有影响 ,这和Van der Fits等[24]及Lucinda等[25]研究结果一致 。病原菌或者其他激发子侵入植株后可诱导超氧阴离子 、过氧化氢等活性氧爆发 ,O-2的产生速率增加 ,可以诱导植保素的积累[26];低浓度H2O2可抑制真菌孢子萌发 ,高浓度活性氧对植株有害[27]。在本实验中 ,外源钙能提高茉莉酸甲酯诱导番茄抗灰霉病过程中的O-2产率 ,O-2产生速度快 ,表明MJ+Ca处理对灰霉病菌侵染更敏感 ,能较早 、较快地产生O-2;同时 ,外源钙也增加诱导茉莉酸甲酯抗灰霉病过程中的H2O2含量 ,可直接作为信号传递过程中的中间体 ,在转录水平和调控植物体内各种防御相关基因的表达[28]。而外源EGTA抑制了茉莉805西北植物学报32卷酸甲酯诱导番茄抗灰霉病活性氧的积累 ,这是因为钙螯合剂影响了MeJA防御途径 。抗氧化酶在植株体内相互协调 ,限制病菌侵染 ,从而有效保护细胞膜稳定性和功能 ,增强植株抗病能力 。但SOD、POD、CAT在植株抗病反应中的变化规律说法不一 。一种是酶活性增加与抗病性呈正相关 ,另一种是酶活性与抗病性呈负相关 。本实验中发现 ,抗氧化酶活性与番茄抗灰霉病强弱呈正相关 ,这与前人研究结果一致[29]。SOD是主要的活性氧清除酶类 ,它催化O-2转化为O2和H2O2。经MJ+Ca处理的番茄叶片中O-2产生速率高 ,刺激SOD活性增强 ,所以MJ+Ca处理SOD活性高于其他处理 ,且长时间保持较高水平 ,导致叶片H2O2含量升高 。通过SOD活性提高进而引起H2O2含量的增加 ,这是钙诱导茉莉酸甲酯抗番茄灰霉病的机制之一 。虽然活性氧维持在相对较高的水平对植物的抗病性是有益的 ,但过量的活性氧通过脂质过氧化破坏植物细胞 ,所以必须有足够的抗氧剂而使活性氧维持在一个较低水平[30]。CAT和POD能使H2O2转化为H2O和O2,在活性氧的清除和维持植物体内活性氧的正常水平中起作用 。MJ+Ca处理后 ,番茄叶片中CAT、POD活性上升 ,且MJ+Ca处理后番茄叶片CAT、POD活性比MJ处理显著升高 ,更有利于植株体内活性氧的平衡 ,而钙螯合剂EGTA抑制茉莉酸甲酯抗灰霉病途径中抗氧化酶活性 。这说明钙提高了茉莉酸甲酯抗灰霉病途径中抗氧化酶活性 ,减少活性氧爆发对番茄造成的伤害 。综上所述 ,外源钙在茉莉酸甲酯诱导番茄抗灰霉病过程中 ,一方面加快前期活性氧水平的升高 ,升高的活性氧作为信号分子调控植株抗病过程 ;另一方面也影响番茄叶片抗氧化酶系统 ,维持植株体内活性氧的平衡 。外源钙促进茉莉酸甲酯诱导番茄抗灰霉病的原因在于激活了活性氧代谢 ,进而增加抗氧化酶活性 ,具体机理是激活了番茄抗灰霉病的防御途径 ,降低番茄灰霉病发病指数 ,对植株抵御番茄抗灰霉病起到了积极作用 。参考文献 [1]JAVIS W R.Epidemiology[M]//COLEY-SMITH J R,VERHOEFF K,JARVIS W R.The Biology of Botrytis.Academic Press.P.,1980219-250.[2]ECKERT J W,OGAWA J M.The chemical control of postharvest diseasesdeciduous fruits,berries,vegetables and root/tuber crops[J].Annual Review of Phytopathology,1988,26433-469.[3]BAUTISTA-BAOS S,HERNNDEZ-LAUZARDOA A N,VELZQUEZ-DEL V M G,et al.Chitosan as a potential natural compoundto control pre and postharvest diseases of horticultural commodities[J].Crop Protection,2006,25(2)108-118.[4]ZHANG ZH H(张智慧 ),NIE Y F(聂燕芳 ),HE L(何磊 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