纳米SiO2增强水稻瘟病抗性机制的研究
作者单位：吉林农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：高俊渤;刘俊渤
授予年度：2011年
摘 要：硅能显著提高水稻对多种病害的抗性,尤其是对稻瘟病具有重要的作用。但目前国内外公开发表关于水稻硅素营养的研究,其抗稻瘟病机制一直不清楚,长期存在争论,而且纳米SiO2对水稻生长发育及其对生物胁迫的抗性机制研究甚少。因此,本研究以对稻瘟病有抗病性的农大18号和高感病性的蒙古稻两个水稻品种为研究对象,施用纳米SiO2,通过研究生物矿化硅的作用,阐明了纳米SiO2对水稻的抗病效应及生长发育的影响,并且具体探讨了纳米SiO2增强水稻对稻瘟病菌的结构抗性和生理生化抗性。主要研究结果如下： 1、对稻瘟病的抗病效应及水稻生长发育的影响 水培试验结果表明,纳米SiO2处理的抗病品种和感病品种的病情指数分别比不施硅处理下降了30.98%和51.03%,抗病品种的相对防治效果达到54.93%,而感病品种的相对防治效果达到了73.47%。施硅减轻了病级和病情指数,增强了水稻对稻瘟病的抗性,特别显著增强了对感病品种蒙古稻的抗性。水稻在施用纳米SiO2后,不仅可显著提高叶片叶绿素含量,增大叶片净光合速率,气孔导度和胞间CO2浓度,使水稻叶片的光合作用增强,而且可以增加新生根系的根数和最长根长,提高根系活跃吸收面积,使根系活力增强,同时还增大了水稻叶面接触角,减小了叶倾角,使水稻植株挺拔,减少真菌附着,有利于水稻正常生长。 2、增强水稻对稻瘟病的结构抗性 由扫描电镜分析可知,施硅的水稻叶片内硅化细胞比不施硅处理数量要多而且面积较大,硅化细胞间的间隙要比不施硅处理小得多;通过X射线能谱分析可知施硅处理的水稻叶片硅化细胞、乳突和其他微区中的硅含量显著高于不施硅处理。接种稻瘟病菌后,经过施硅处理的水稻叶片表面只存在少数的稻瘟病菌菌丝,并且其菌丝数量要比不施硅处理少的多。说明施硅能够有效的抑制稻瘟病菌的入侵,增强水稻对稻瘟病的结构抗性。同时还观察到施硅处理的水稻叶片表面,菌丝纵横穿越硅化细胞,说明硅对到稻瘟病菌没有毒性。利用透射电镜分析水稻叶片病健处,发现叶片各细胞内均有矿化硅物质存在。在感病品种水稻叶片的表皮细胞和叶肉细胞内仅存在少量的矿化硅,但抗病品种叶片的各细胞中菌丝的周围有大量的致密的矿化硅物质存在,并且稻瘟病菌丝被这种物质包围着,甚至有些菌丝被掏空。说明水稻在施硅后,在叶片内形成某种矿化硅物质,这种物质能阻止稻瘟病菌对水稻叶片的进一步侵害,甚至将其清除,从而增强水稻对稻瘟病的结构抗性。 3、对水稻膜脂过氧化和活性氧清除系统的影响 在未接种稻瘟病菌的条件下,抗病品种与感病品种水稻叶片的POD和SOD活性,施硅处理均比不施硅处理大,CAT活性无显著变化,说明施硅能够显著增大水稻体内的POD和SOD活性。水稻在受到稻瘟病菌侵染后,施硅处理的水稻能显著降低系统内活性氧的积累程度,提高POD和SOD活性,减轻因稻瘟病菌引起的水稻叶片细胞膜脂的过氧化作用,从而增强水稻对稻瘟病菌的抗性,并且施硅对感病品种的增强作用要大于抗病品种。 4、对水稻叶片中酚类物质代谢的影响 在未接种稻瘟病菌条件下,两种水稻叶片的PAL和PPO活性、类黄酮和木质素含量施硅与不施硅处理无显著性差异,说明施硅对它们没有明显的效果;而施硅水稻叶片的总酚含量显著大于不施硅处理,说明施硅能显著提高叶片中总酚的含量。在接种稻瘟病菌后,两种水稻施硅处理的PPO、PAL活性、总酚含量和木质素含量显著高于不施硅处理;抗病品种的PPO活性总体大于感病品种。说明水稻受到稻瘟病菌侵害后施硅能够增强水稻体内酚类物质代谢相关酶的活性,提高对稻瘟病菌有抵抗作用的酚类物质(类黄酮、木质素等),从而增强水稻对稻瘟病菌的抗性,并且,对感病品种的效应要优于抗病品种。 5、对水稻叶片病程相关蛋白活性的影响 在未接菌条件下,两种水稻施硅处理的几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶活性都显著大于不施硅处理,而且施硅后蛋白质含量也显著高于不施硅处理;在接种稻瘟病菌后,两种水稻的β-1,3-葡聚糖酶活性均先升高后下降然后再上升。对于抗病品种,叶片中几丁质酶的活性迅速升高,并于接菌48h后,活性达到峰值,而后下降,施硅处理的几丁质酶活性一直显著高于不施硅处理;感病品种在接种稻瘟病菌后,几丁质酶的活性也开始上升,在接菌初期,施硅处理显著大于不施硅处理,不施硅处理在接菌48h达到峰值后,就开始下降,而施硅处理继续上升并在接菌72h后达到峰值。说明施硅能使稻瘟病菌侵染下感病品种水稻叶片中的几丁质酶活性维持更高浓度,且更为持久,有助于提高水稻对稻瘟病的抗性。 综上所述,本研究的结果证明纳米SiO2不仅能够增强水稻对稻瘟病菌的结构抗性,而且纳米SiO2还能通过调节水稻体内各项生理机能来增强水稻对稻瘟病菌的抗性作用。
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