印度梨形孢和CaCl2對(duì)香蕉抗寒性的影響

王 斌, 林芳柯, 李 丹, 劉嘉鵬, 黃玉吉, 程春振,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建 福州 350002；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西 太谷 030801)

香蕉屬于芭蕉科芭蕉屬(Musa)大型草本植物，是世界上馴化最早也是最重要的果樹(shù)之一[1-2].我國(guó)是重要的香蕉種植國(guó)，栽培面積居世界第五，產(chǎn)量居世界第二.然而，我國(guó)香蕉主產(chǎn)區(qū)大都地處亞熱帶，不屬于香蕉最適種植區(qū)，冬季常有寒潮入侵.2008年，受低溫霜凍天氣的影響，廣西省香蕉的受災(zāi)面積高達(dá)其栽培總面積的97%，苗木和果實(shí)均受到不同程度的凍害，造成了7億多元的經(jīng)濟(jì)損失[3].2016年1月下旬，受極端的雨夾雪、結(jié)冰、冰雹、凍雨等寒凍災(zāi)害天氣的影響，廣西香蕉全產(chǎn)區(qū)均受到了嚴(yán)重的災(zāi)損[4].2020年12月末及2021年1月初的兩次寒潮對(duì)我國(guó)香蕉主產(chǎn)區(qū)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失.受惡劣天氣的影響，近些年來(lái)我國(guó)香蕉的進(jìn)口量呈波動(dòng)式上升趨勢(shì)[5]，產(chǎn)區(qū)優(yōu)勢(shì)未能充分體現(xiàn).因此，提高植株的抗寒性對(duì)于香蕉產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展意義重大.

鈣作為一個(gè)主要的第二信使，在抵御逆境脅迫時(shí)可以有效防止膜系統(tǒng)損傷和離子滲漏，有穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)和維持膜完整性的作用.研究表明，外源施用CaCl2能夠有效減輕低溫對(duì)香蕉的傷害，減緩葉綠素降解，提高植物抗寒物質(zhì)的含量或活性，提高香蕉的抗寒性[6-8].

印度梨形孢(Piriformosporaindica)是印度學(xué)者Varma et al在印度西部拉賈斯坦邦的塔爾沙漠中發(fā)現(xiàn)的一種類(lèi)叢枝菌根真菌[9].印度梨形孢宿主范圍廣泛，對(duì)宿主植物的促生增抗作用已被廣泛證實(shí)[10-11].印度梨形孢對(duì)宿主植物抗寒能力的提高作用也有了一些成功報(bào)道.如：Varma et al[12]研究表明，在低溫環(huán)境下印度梨形孢可以提高12種蔬菜的種子萌發(fā)率，促進(jìn)生物量的積累；Murphy et al[13]研究表明，印度梨形孢定殖可以提高大麥在低溫條件下的產(chǎn)量；Alizadeh et al[14]研究表明，印度梨形孢可以通過(guò)影響抗氧化酶活性促進(jìn)綠豆在低溫條件下的生長(zhǎng).與叢枝菌根真菌不同，印度梨形孢還可以定殖在十字花科植物上.有研究指出，印度梨形孢可以通過(guò)上調(diào)CBF等冷脅迫響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)進(jìn)而提高擬南芥的抗寒能力和冷害后的恢復(fù)能力[15].香蕉是印度梨形孢的理想宿主[16-17]，有印度梨形孢定殖的香蕉不僅生根和生長(zhǎng)情況顯著優(yōu)于無(wú)定殖對(duì)照，抗熱和抗病能力也顯著提升[18-19].

本研究以冷敏感栽培香蕉種質(zhì)‘天寶蕉’(Musaacuminatecv. ‘Tianbaojiao’)幼苗為材料，研究外源CaCl2噴施和印度梨形孢定殖處理對(duì)其抗寒性的影響，旨在為CaCl2和印度梨形孢在香蕉等作物上的抗寒生產(chǎn)應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 材料

供試印度梨形孢菌株和‘天寶蕉’幼苗均由福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院提供.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)增殖、生根和煉苗后，取長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的‘天寶蕉’幼苗移栽入營(yíng)養(yǎng)土盆缽中，置于人工氣候室培養(yǎng)2個(gè)月后，選取長(zhǎng)勢(shì)均一、高度約為20 cm的6～7葉期幼苗分成兩組(每組20株)，一組接種印度梨形孢，一組不接種.印度梨形孢發(fā)酵液制備參照程春振等[20]的方法，為確保印度梨形孢的定殖，印度梨形孢接種組每間隔3 d澆一次，共澆3次.之后將兩組香蕉苗進(jìn)一步各分為兩組：一組在葉片上噴施2 g·L-1CaCl2溶液至有液滴落下，每隔3 d噴施一次，共噴施6次；另一組噴施無(wú)菌水.由此，香蕉苗被分為未做處理的對(duì)照組(CK)、噴施CaCl2處理組(T1)、接種印度梨形孢處理組(T2)以及噴施CaCl2和接種印度梨形孢復(fù)合處理組(T3)，共4組.最后，將4組香蕉苗再各分成2組，分別置于4和28 ℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng).每組設(shè)5個(gè)生物重復(fù).培養(yǎng)12 h后觀察和記錄幼苗表型，然后取第2片葉用于生理生化指標(biāo)的測(cè)定.

1.3 生理生化指標(biāo)的測(cè)定

采用電導(dǎo)法[21]測(cè)定4和28 ℃培養(yǎng)的香蕉苗第2片葉的電解質(zhì)相對(duì)滲透率.使用5 mm直徑的打孔器在葉片上打出15個(gè)葉圓片，放入含有15 mL蒸餾水的試管中，另取一個(gè)試管，加入等量蒸餾水作為空白對(duì)照.利用抽氣機(jī)使試管內(nèi)部真空換氣10 min，再置于常溫30 min后測(cè)定第1次的電導(dǎo)率(K1)，將試管放入沸水中處理10 min后測(cè)定第2次的電導(dǎo)率(K2)，以未經(jīng)處理的空白對(duì)照組的電導(dǎo)率(C)作為本底.電解質(zhì)滲透率/%=(K1-C)/(K2-C)×100.

過(guò)氧化氫(H2O2)濃度、丙二醛(malondialdehyde, MDA)濃度和可溶性糖含量采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的試劑盒測(cè)定，具體操作按其說(shuō)明書(shū)進(jìn)行.

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用SPSS軟件分析各組樣品間各指標(biāo)在0.05水平的差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1 CaCl2和印度梨形孢處理對(duì)香蕉幼苗表型的影響

28 ℃條件下，3種處理方式對(duì)香蕉幼苗表型均無(wú)顯著影響，而4 ℃處理12 h后4組樣品間表現(xiàn)出明顯的受害癥狀差異(圖1).其中：CK組幼苗受害癥狀最為嚴(yán)重，葉片表現(xiàn)出卷曲萎縮和大面積水漬癥狀；T1、T2和T3組幼苗也出現(xiàn)冷害癥狀，但葉片卷曲程度明顯輕于CK組，水漬程度也更輕.

圖1 28和4 ℃處理12 h后4組‘天寶蕉’幼苗表型Fig.1 Phenotypes of ‘Tianbaojiao’ seedlings after treatments at 28 and 4 ℃ for 12 h

2.2 CaCl2和印度梨形孢處理對(duì)香蕉葉片電解質(zhì)滲透率、H2O2濃度和MDA濃度的影響

圖2顯示：28 ℃條件下，CK組香蕉葉片的電解質(zhì)滲透率最高，與T1、T2、T3組的差異不顯著；4 ℃條件下，CK、T1、T2和T3組的電解質(zhì)滲透率均升高，分別為28 ℃處理的1.72、1.85、1.68和1.55倍，其中,CK組與T1組的差異顯著(P<0.05)；4 ℃條件下，T1組的電解質(zhì)滲透率低于CK組，但未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，而T2和T3組的電解質(zhì)滲透率顯著低于CK組(P<0.05).

圖3和圖4顯示：28 ℃條件下，T1、T2和T3組香蕉葉片的H2O2和MDA濃度均高于CK組，T1和T3組的H2O2濃度顯著高于CK組(P<0.05)，T2和T3組的MDA濃度顯著高于CK組(P<0.05)；4 ℃條件下，CK、T1、T2和T3組的H2O2濃度升高，CK、T2和T3組的H2O2濃度顯著高于各自的28 ℃處理組(P<0.05，分別為28 ℃處理組的2.76、1.67和1.33倍)，CK和T1組的MDA濃度均顯著升高(P<0.05，分別為28 ℃處理組的2.1和1.32倍)，而T2和T3組略有下降(P>0.05，分別為28 ℃處理組的90.32%和93.63%).

2.3 CaCl2和印度梨形孢處理對(duì)香蕉葉片可溶性糖含量的影響

圖5顯示：28 ℃條件下，T1、T2和T2組香蕉葉片的可溶性糖含量均顯著高于CK組，分別為CK組的1.3、1.23和1.6倍；相較于28 ℃，4 ℃條件下的CK和T1組的可溶性糖含量均顯著升高(P<0.05，分別為28 ℃處理組的1.72和1.16倍)，T2組略有升高(P>0.05，為28 ℃處理組的1.12倍)，而T3組顯著下降(P<0.05，為28 ℃處理組的80.92%)；4 ℃處理12 h后，T1、T2和T3組的可溶性糖含量均顯著低于CK組(P<0.05，分別為CK組的97.91%、80.4%和75.61%).

3 討論

3.1 外源噴施CaCl2和根系定殖印度梨形孢可以通過(guò)影響葉片H2O2和MDA的濃度提高香蕉抗寒性

逆境條件下，植物細(xì)胞Ca2+濃度會(huì)發(fā)生變化，并由此引發(fā)植物一些特定的生理反應(yīng)以進(jìn)行自我保護(hù)和調(diào)節(jié)[22].張永福等[23]研究表明，25 ℃條件下，20 mmol·L-1CaCl2處理組的假連翹葉片中的H2O2濃度顯著高于未處理的對(duì)照組，隨著Ca2+濃度的下降，H2O2濃度也逐漸下降.本研究結(jié)果表明，28 ℃條件下，CaCl2噴施和復(fù)合處理組的香蕉葉片H2O2濃度顯著高于CK組，而單獨(dú)的印度梨形孢處理對(duì)其影響不顯著.說(shuō)明CaCl2在調(diào)節(jié)葉片H2O2濃度方面的作用更顯著.大量研究表明，CaCl2處理可以降低低溫脅迫下植物葉片H2O2濃度.如Wang et al[24]研究表明，10 mmol·L-1CaCl2處理能夠顯著抑制低溫脅迫下結(jié)縷草葉片H2O2濃度；韓曉村[25]研究表明，15 mmol·L-1CaCl2處理可以減少低溫脅迫下西瓜葉片中H2O2的積累.本研究結(jié)果顯示：4 ℃處理后，T1、T2和T3組香蕉葉片H2O2濃度均顯著低于CK組，說(shuō)明CaCl2和印度梨形孢均可抑制低溫脅迫下香蕉葉片H2O2的積累.

低溫會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜透性大幅增大，造成離子大量滲漏，最終導(dǎo)致組織受損或死亡.同時(shí)，細(xì)胞膜的損傷會(huì)加劇MDA的積累，對(duì)植物造成毒害作用[26].本研究結(jié)果表明：28 ℃條件下，T1、T2和T3組香蕉葉片的MDA濃度顯著高于CK組，這可能與多次噴施CaCl2和接種印度梨形孢對(duì)植株造成脅迫有關(guān).王小媚等[27]研究表明，經(jīng)300 mg·L-1CaCl2處理的番木瓜抗寒性最好，減少了低溫脅迫下葉片MDA的積累；楊芮[28]研究表明，印度梨形孢定殖可以減輕低溫脅迫下紅掌細(xì)胞膜受損程度，降低MDA濃度，提高植株耐寒性.本研究結(jié)果表明，低溫處理后，印度梨形孢處理組和復(fù)合處理組香蕉葉片相對(duì)電解質(zhì)滲透率均顯著低于CK組和CaCl2噴施處理組，MDA濃度也低于CK組；此外，本研究結(jié)果還表明，低溫處理后的CK組和CaCl2處理組香蕉葉片MDA濃度與28 ℃相比均上升，而印度梨形孢處理組和復(fù)合處理組變化不大.進(jìn)一步說(shuō)明印度梨形孢能夠增強(qiáng)低溫下細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，提高香蕉對(duì)低溫的耐受能力.

3.2 外源噴施CaCl2和根系定殖印度梨形孢可以通過(guò)調(diào)節(jié)葉片可溶性糖含量提高香蕉抗寒性

低溫條件下，植物體內(nèi)的可溶性糖含量增加，進(jìn)而可以提高細(xì)胞液的濃度、減少低溫?fù)p傷[29].研究表明，可溶性糖含量高且隨著溫度下降而變化平穩(wěn)的品種，其抗寒性強(qiáng)，反之則抗寒性弱[30].李利蘭[31]指出，CaCl2處理能使低溫下辣椒細(xì)胞內(nèi)可溶性糖含量保持在較高的水平，從而提高其抗寒性；劉雪琳等[32]研究表明，印度梨形孢定殖可以提高逆境脅迫下水稻葉片可溶性糖含量，以維持細(xì)胞的正常代謝.本研究結(jié)果表明：28 ℃條件下，T1、T2和T3組香蕉葉片可溶性糖含量顯著高于CK組；4 ℃處理后，CK、T1和T2組可溶性糖含量均有所升高，T1和T2組的可溶性糖含量上升幅度低于CK組，變化相對(duì)平穩(wěn)，說(shuō)明經(jīng)CaCl2和印度梨形孢處理的香蕉，其抗寒性更強(qiáng).值得注意的是：T3組香蕉葉片可溶性糖含量在4 ℃處理后有所下降，這可能與其自身抗寒能力更強(qiáng)，12 h的4 ℃低溫處理下不需要大量積累可溶性糖用于降低低溫?fù)p傷有關(guān).

3.3 外源噴施CaCl2和根系定殖印度梨形孢復(fù)合處理對(duì)香蕉抗寒能力的促進(jìn)效果最佳

Meents et al[33]研究表明，印度梨形孢與擬南芥根系共生初期，擬南芥細(xì)胞中的Ca2+濃度升高，說(shuō)明Ca2+可能是印度梨形孢與植物互作的一個(gè)早期信號(hào).本研究結(jié)果表明：CaCl2和印度梨形孢處理均能提高香蕉耐寒性，兩種處理均能顯著降低4 ℃低溫和28 ℃處理下香蕉葉片的相對(duì)電解質(zhì)滲透率，顯著提高28 ℃處理下的可溶性糖含量，抑制4 ℃低溫處理下的H2O2濃度、MDA濃度和可溶性糖含量的增加.二者的作用效果也存在一定的差異：印度梨形孢定殖在降低低溫條件下葉片的相對(duì)電解質(zhì)滲透率，提高28 ℃條件下MDA濃度等方面的效果優(yōu)于CaCl2處理，CaCl2處理則在調(diào)節(jié)葉片H2O2積累方面的效果更顯著.而二者的復(fù)合處理表現(xiàn)出明顯的協(xié)同作用，對(duì)香蕉抗寒能力的促進(jìn)效果優(yōu)于單獨(dú)處理.

綜上可以看出，根系定殖印度梨形孢和葉片噴施CaCl2處理均能提高香蕉的抗寒能力.二者復(fù)合處理的效果最佳，有應(yīng)用于香蕉田間防寒減災(zāi)的潛力.