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作物杂志, 2022, 38(4): 154-159 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2022.04.021

生理生化·植物营养·栽培耕作

基施锌肥对长期连作马铃薯抗病性相关酶活性、土传病害和产量的影响

谢奎忠,1, 孙小花1, 罗爱花1, 柳永强1, 唐德晶2, 朱永永3, 胡新元,1

1甘肃省农业科学院马铃薯研究所,730070,甘肃兰州

2西北师范大学地理与环境科学学院,730070,甘肃兰州

3甘肃省农业技术推广总站,730020,甘肃兰州

Effects of Basal Zinc Fertilizer on Activities of Disease Resistance-Related Enzymes, Soil Borne Diseases and Yield of Potato under Long-Term Continuous Cropping

Xie Kuizhong,1, Sun Xiaohua1, Luo Aihua1, Liu Yongqiang1, Tang Dejing2, Zhu Yongyong3, Hu Xinyuan,1

1Potato Research Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, Gansu, China

2College of Geography and Environmental Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, Gansu, China

3Gansu Agricultural Technology Extension Station, Lanzhou 730020, Gansu, China

通讯作者: 胡新元,研究方向为植物营养与栽培,E-mail： 844374905@qq.com

收稿日期: 2022-03-29   修回日期: 2022-05-22   网络出版日期: 2022-06-20

基金资助: 国家自然科学基金(31860354)
联合国世界粮食计划署“甘肃富锌马铃薯小农户试点项目”(WFPGSPP-1)
甘肃省农业科学院重点研发计划(2022GAAS36)
甘肃省科技项目(GNKJ-2021-25)
甘肃省科技项目(GNKJ-2021-26)

Received: 2022-03-29   Revised: 2022-05-22   Online: 2022-06-20

作者简介 About authors

谢奎忠,研究方向为马铃薯高效栽培与连作障碍,E-mail： xiekz79@163.com

摘要

为了研究微量元素锌对长期连作马铃薯的抗病性和土传病害的影响,2020-2021年在连续种植5年马铃薯的大田中分别基施0（对照,CK）、15、30、45和60.0kg/hm2 ZnSO4·7H2O,共5个处理。在薯块膨大期测定各处理马铃薯根系中抗病性相关酶的活性,调查土传病害,测定产量并进行分析。结果表明,长期连作马铃薯基肥中加入锌后,根系体内超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性均显著提高,根系丙二醛（MDA）含量随着锌肥基施量的增加呈先降后升的变化趋势。基肥中加入30kg/hm2 ZnSO4·7H2O时,土传枯萎病和黑痣病的发病率和病情指数均达到最低值,马铃薯收获后,病薯率最低,商品薯率最高,经济产量最高。总之,基肥中加入30kg/hm2 ZnSO4·7H2O能有效提高长期连作马铃薯根系中抗病性相关酶活性,降低MDA含量,减轻土传枯萎病和黑痣病的发病率和病情指数,降低收获后病薯率,提高商品薯率,从而增加马铃薯经济产量。

关键词： 马铃薯; 长期连作; 锌肥; 土传病害; 抗病性相关酶; 经济产量

Abstract

In order to study the effects of trace element zinc on the disease resistance and soil borne diseases of long-term continuous cropping potato, a field experiment with five treatments of 0 (CK), 15, 30, 45 and 60kg/ha ZnSO4·7H2O were set in the potato field of five consecutive years from 2020 to 2021. The activities of disease resistance-related enzymes in potato roots of each treatment were measured, soil borne diseases were investigated, and the yield was measured and analyzed. The results showed that the activities of superoxide dismutase, peroxidase and catalase in roots increased significantly of long-term continuous cropping potato after base fertilizer was added with zinc fertilizer. The content of malondialdehyde (MDA) in roots decreased first and then increased with the increase of zinc in base fertilizer. When 30kg/ha ZnSO4·7H2O was added into the base fertilizer, the incidence rate and disease index of Fusarium Wilt and Rhizoctonia solani were the lowest, with the lowest rate of diseased potato, the highest rate of commercial potato, and the maximum economic yield of potato after harvest. To summarise, adding 30kg/ha ZnSO4·7H2O can effectively improve the activities of disease resistance-related enzymes of long-term continuous cropping potato roots, decrease MDA content, incidence rates and disease indexes of Fusarium Wilt and Rhizoctonia solani, disease rate of potato after harvest, and increase rate of commercial potato, so as to increase economic yield of potato.

Keywords： Potato; Long-term continuous cropping; Zinc fertilizer; Soil borne diseases; Disease resistance- related enzymes; Economic yield

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本文引用格式

谢奎忠, 孙小花, 罗爱花, 柳永强, 唐德晶, 朱永永, 胡新元. 基施锌肥对长期连作马铃薯抗病性相关酶活性、土传病害和产量的影响. 作物杂志, 2022, 38(4): 154-159 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2022.04.021

Xie Kuizhong, Sun Xiaohua, Luo Aihua, Liu Yongqiang, Tang Dejing, Zhu Yongyong, Hu Xinyuan. Effects of Basal Zinc Fertilizer on Activities of Disease Resistance-Related Enzymes, Soil Borne Diseases and Yield of Potato under Long-Term Continuous Cropping. Crops, 2022, 38(4): 154-159 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2022.04.021

马铃薯是甘肃省地理标志产品,品质好,产量高,享誉国内外[1]。马铃薯种植的高效益促进当地种植面积不断扩大,集约化种植程度不断提高,使得当地马铃薯连作现象越来越普遍,甚至连作年限长达7~8年[2]。连作使得土壤营养元素逐渐缺失且得不到及时补充,出现缺素症,土壤养分比例逐渐失调。卜东升等[3]研究表明,新疆棉田土壤有效锌在连作超过5年后呈下降趋势。多年连作使作物根系有选择地吸收利于自身抵御逆境的物质,造成土壤单一养分过度消耗,导致植株缺乏某些必需营养元素,使作物抗逆能力下降、病虫害加重,直接影响正常生长和发育,产量和品质会随之下降[4⇓-6]。

锌是动植物体内必需微量元素之一,一旦缺锌,作物的细胞膜结构会受到破坏[7],导致细胞内小分子有机物向外界大量渗漏[8],根系渗漏小分子有机物质是土壤中病原菌的诱饵[9]。需要适量锌保护根细胞膜结构的完整性和通透性来调控根系分泌物变化,阻止土壤中病原菌入侵根系[10],减少土传病害发生。锌肥的施入可以促进植物根系的养分吸收,还可以促进生长素的合成,锌也是调节酶活性的活化剂,能提高作物生长过程中抗病和抗虫害能力[11⇓⇓⇓⇓-16]。

甘肃马铃薯生产中大多施用氮肥和磷肥,锌肥施用较少,加上长期连作使得马铃薯的品质和产量停滞不前,甚至可能倒退。为探明增施锌肥对连作马铃薯抗病性及产量的影响,对长期连作马铃薯增施不同量的锌肥,研究其对马铃薯抗病性相关酶活性、土传病害发生和经济产量的影响,为甘肃马铃薯产业发展提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在甘肃省定西市安定区宁远镇红土村甘肃省农业科学院马铃薯研究所试验基地进行,耕作层土壤有机质13.89g/kg、全氮1.02g/kg、全磷0.83g/kg、全钾23.72g/kg、碱解氮58mg/kg、速效磷30.07mg/kg、速效钾393mg/kg、pH 8.31。

1.2 试验设计

试验在连续5年种植马铃薯的大田进行,共设5个处理,基肥中分别加入0（CK）、15、30、45、60kg/hm2 ZnSO4·7H2O,各处理重复3次,随机区组排列,小区面积21.0m2（5.0m×4.2m）。

试验于2020和2021年4月下旬播种,品种为陇薯14号,行距60.00cm,株距33.00cm,密度为50 500株/hm2,施肥参照当地标准,施纯N 150kg/hm2、P2O5 120kg/hm2、K2O 75kg/hm2、农家肥37 500kg/hm2,各处理ZnSO4·7H2O和基肥混匀一起施入。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 马铃薯根系相关酶活性

在马铃薯薯块膨大期,每个小区挖出5株马铃薯,抖动根系土壤,收集所有挖出的毛根,剪取距根尖10cm处部分毛根作为样品,用苏州科铭生物技术有限公司提供的试剂盒测定根系中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性及丙二醛（MDA）含量。

1.3.2 土传病害的调查和统计

参照曲延军等[17]和朱亚萍等[18]对马铃薯枯萎病和黑痣病病情分级标准（表1）,调查和统计马铃薯枯萎病和黑痣病发病率和病情指数。

表1   马铃薯枯萎病和黑痣病病情指数标准

Table 1  Classification criteria for potato Fusarium Wilt and Rhizoctonia solani

病害
Disease		级别
Grade		标准
Standard
枯萎病
Fusarium Wilt		0叶片没有明显枯黄萎蔫,植株生长正常
11%~25%的叶片枯黄萎蔫
226%~50%的叶片枯黄萎蔫
351％~75%的叶片枯黄萎蔫
475%以上的叶片萎蔫或整株枯死
黑痣病
Rhizoctonia solani		0薯块表面没有菌核
1菌核面积占整个薯块面积的1%~5%
2菌核面积占整个薯块面积的6%~35%
3菌核面积占整个薯块面积的36%~65%
4菌核面积占整个薯块面积的66%~95%
5菌核面积占整个薯块面积的96%以上

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发病率和病情指数的计算：

发病率（%）=发病株数/调查总株数×100;病情指数=∑（病级株数×代表值）/（调查总株数×最高级代表值）。

1.3.3 产量

参照文献[2]的方法进行马铃薯考种和测产。收获前分小区选择正常的植株20株,挖出薯块称重,求其平均值,并且记录腐烂薯块的数量和重量,记录≥75g及<75g薯块的重量和数量,计算病薯率。分小区收获记产,并且折算成公顷产量。

1.4 数据处理

采用SPSS软件对数据进行方差分析,用新复极差法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同锌肥基施量对长期连作马铃薯根系抗病性相关酶活性的影响

图1表明,2020和2021年马铃薯根系内POD活性随锌肥基施量变化的曲线基本一致,当锌肥基施量为0kg/hm2时,马铃薯根系POD活性最低,约为800U/g FW。随着锌肥基施量的增加,POD活性呈上升趋势,当锌肥基施量为30kg/hm2时,根系POD活性最强,2020年达到1123U/g FW,2021年达到1075U/g FW,分别比对照显著增加了33.67%和36.94%。继续增加锌肥基施量时,发现POD活性不再增强,反而呈下降趋势,当锌肥基施量增加到60kg/hm2时,根系POD活性下降到约900U/g FW,高于对照,但是差异不显著。

图1

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图1   锌肥基施量对马铃薯根系POD活性的影响

不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著,下同

Fig.1   Effects of zinc fertilizer base application rate on POD activity of potato roots

Different lowercase letters indicate significant difference at the 5% level, the same below


由图2可知,当锌肥基施量为0kg/hm2时,根系SOD活性为2.25U/g FW左右,开始增施锌肥后SOD活性逐渐增加。当锌肥基施量达到30kg/hm2时,2020年马铃薯根系SOD活性达到最大值,为2.62U/g FW,比对照显著增加18.08%;当锌肥基施量达到45kg/hm2时,2021年马铃薯根系SOD活性增加到最大值,为2.60U/g FW,比对照显著增加14.69%;之后随着锌肥基施量的增加,根系SOD活性开始显著下降。当锌肥基施量为60kg/hm2时,SOD活性显著下降到2.35~2.38U/g FW之间,比对照略高,且差异不显著。

图2

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图2   锌肥基施量对马铃薯根系SOD活性的影响

Fig.2   Effects of zinc fertilizer base application rate on SOD activity of potato roots


由图3可知,当锌肥基施量为0kg/hm2时,根系CAT活性为42.85~44.47 U/g FW,开始增施锌肥后,CAT活性显著增加。当锌肥基施量达到30kg/hm2时,2020年马铃薯根系CAT活性达到最大值,为50.32U/g FW,比对照显著增加17.44%;当锌肥基施量达到45kg/hm2时,2021年马铃薯根系CAT活性增加到最大值,为49.85U/g FW,比对照显著增加12.10%;之后随着锌肥基施量的增加,根系CAT活性开始显著下降。当锌肥基施量为60kg/hm2时,2020年下降到47.72U/g FW,比对照显著提高11.37%,2021年下降到47.84U/g FW,比对照显著提高7.59%。

图3

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图3   锌肥基施量对马铃薯根系CAT活性的影响

Fig.3   Effects of zinc fertilizer base application rate on CAT activity of potato roots


由图4可知,当锌肥基施量为0kg/hm2时,马铃薯根系的MDA含量为0.63nmol/g FW。施用锌肥后,马铃薯根系内MDA含量开始显著下降,当锌肥基施量达到45kg/hm2时,根系中MDA含量最低,2020年为0.58nmol/g FW,2021年为0.59nmol/g FW,分别比对照显著降低7.45%和7.16%;之后随锌肥基施量的增加,根系内MDA含量增加。当锌肥基施量达到60kg/hm2时,2年根系内MDA含量均为0.62nmol/g FW,比对照低,且差异不显著。

图4

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图4   锌肥基施量对马铃薯根系中MDA含量的影响

Fig.4   Effects of zinc fertilizer base application rate on MDA content of potato roots


2.2 不同锌肥基施量对长期连作马铃薯土传病害的影响

表2显示,与对照相比,施用锌肥能显著减轻连作马铃薯的土传病害。随着锌肥基施量的增加,土传枯萎病、黑痣病的发病率和病情指数显著降低,当锌肥基施量达到30kg/hm2时,2种土传病害的发病率和病情指数均达到最低值,与对照相比,2020年枯萎病发病率为4.00%,显著降低8.67个百分点,病情指数为2.00,显著降低70.46%,黑痣病发病率为1.24%,显著降低7.90个百分点,病情指数为2.06,显著降低79.34%;2021年与对照相比,枯萎病发病率为12.00%,降低17.33个百分点,病情指数为3.67,显著降低64.47%,黑痣病发病率为12.00%,显著降低4.00个百分点,病情指数为3.07,显著降低39.45%。此时土传病害最轻,马铃薯田间长势最好。当锌肥基施量由30kg/hm2增加到60kg/hm2,马铃薯土传枯萎病和黑痣病的发病率和病情指数均有升高的趋势,但差异不显著。

表2   锌肥施用量对长期连作马铃薯土传病害的影响

Table 2  Effects of zinc fertilizer application rate on soil borne diseases of long-term continuous cropping potato

年份
Year		锌肥施用量
Zinc fertilizer application amount (kg/hm2)		枯萎病Fusarium Wilt黑痣病Rhizoctonia solani
发病率Incidence (%)病情指数Disease index发病率Incidence (%)病情指数Disease index
20200 (CK)12.67±1.20a7.83±0.76a9.14±2.20a9.97±2.25a
156.67±1.20b3.83±0.58b2.90±1.40c2.36±1.20c
304.00±2.00c2.00±1.00c1.24±0.82cd2.06±1.00c
455.33±1.20bc3.00±0.87bc3.68±1.20bc0.46±0.28c
606.00±1.00bc3.33±0.29b4.57±1.42b4.84±1.20b
20210 (CK)29.33±2.31a10.33±0.58a16.00±2.00a5.07±1.29a
1520.00±4.00b6.67±1.53b11.33±1.15 b2.93±0.46b
3012.00±1.20c3.67±0.58bc12.00±0.00 b3.07±0.46b
4516.00±4.00bc5.33±1.53bc12.00±0.00 b3.07±0.23b
6017.33±2.31bc5.00±1.00c13.33±3.06ab4.27±1.15ab

同列不同小写字母表示差异达到显著水平（P < 0.05）,下同

Different lowercase letters in the same column are significantly different at the 0.05 level, the same below

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2.3 不同锌肥基施量对长期连作马铃薯产量及其构成因素的影响

2.3.1 对连作马铃薯产量及其构成因素的影响

由表3可知,与对照相比,基施锌肥能显著降低长期连作马铃薯收获后的病薯率,当开始施加锌肥,发现马铃薯的病薯率逐渐减低,病薯的重量也逐渐降低,当锌肥基施量增加到30kg/hm2时,病薯个数和重量占比都达到最低值,马铃薯病薯个数占比在1.24%~2.87%,病薯重量占比在0.80%~2.06%。当锌肥基施量由30kg/hm2增加到60kg/hm2时,马铃薯病薯个数和重量占比反而有显著增高。与对照相比,基施锌肥能显著提高长期连作马铃薯商品薯率,当开始施加锌肥,发现马铃薯的商品薯个数和重量占比显著增高,当锌施用量增加到30kg/hm2时,商品薯个数和重量占比基本达到最高值。当锌肥基施量由30kg/hm2增加到60kg/hm2时,商品薯个数和重量占比反而呈降低趋势。

表3   锌肥施用量对长期连作马铃薯产量及其构成因素影响

年份
Year		锌肥施用量
Zinc fertilizer application
amount (kg/hm2)		病薯率
The ratio of diseased tuber (%)		商品薯率
The ratio of marketable tuber (%)		经济产量
Economic yield
(kg/hm2)
个数Number重量Weight个数Number重量Weight
20200 (CK)9.41±1.46a9.97±1.84a61.47±1.62b83.44±2.41b42 333.55±284.80c
152.90±0.25c2.36±0.38c65.15±1.41ab87.13±1.78ab46 989.12±509.18b
301.24±0.28d2.06±1.65c67.31±1.01a89.38±2.04a51 178.03±2464.05a
453.68±0.68bc0.46±0.07c66.54±1.11a86.63±1.96ab51 133.59±818.54a
604.57±1.01b4.84±1.20b63.49±1.74ab85.54±1.62b50 555.81±3509.11ab
20210 (CK)10.57±1.41a8.46±2.20a89.43±1.41d59.37±4.04b28 031.89±180.28c
154.24±2.10cd2.68±1.04bc95.76±2.10ab67.22±3.62ab29 174.75±928.68b
302.87±0.56d0.80±0.29c97.13±0.56a67.29±1.07ab30 206.50±54.99a
456.00±0.85bc3.11±0.38bc94.00±0.85bc69.72±4.66a29 857.29±0.00ab
607.08±0.61b5.80±2.76ab92.92±0.60c63.70±6.85ab29 650.94±270.78ab

Tabel 3 Effects of zinc fertilizer application rate on yield and its components of long-term continuous cropping potato

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2.3.2 对连作马铃薯经济产量的影响

表3显示,与对照相比,施加锌肥能够显著提高长期连作马铃薯的经济产量,当施加锌肥量为30kg/hm2时,马铃薯的经济产量最高,2020年为51 178.03kg/hm2,2021年为30 206.50kg/hm2。当锌肥基施量由30kg/hm2增加到60kg/hm2时,长期连作的马铃薯经济产量有降低的趋势,但差异不显著。

3 讨论

目前,锌元素的缺乏问题在世界范围内普遍存在,并且引起了广泛的关注[19-20],作物缺锌问题与人体缺锌问题存在着直接联系[21-22]。施加锌肥是提高农作物可食部位锌含量的有效措施,对马铃薯施用锌肥的研究已取得了一系列的重要成果[22],主要集中在锌对马铃薯生长发育、产量和品质影响等方面。本研究从施用锌肥对马铃薯抗病性入手,研究锌肥基施量对长期连作马铃薯根系抗病性酶POD、SOD、CAT活性以及MDA含量的影响,进一步研究施用锌肥对长期连作马铃薯抗病性、土传病害和生长的影响。POD是植物体内常见的氧化还原酶,具有较强的抗氧化活性,可以使体内的毒性物质失活,催化有毒物质氧化分解[23-24]。SOD是超氧自由基清除剂,是植物体内清除自由基最关键的保护酶之一,SOD活性增加能提高植物的适应能力,被认为是衡量植物抗逆性状的一种重要指标蛋白[24⇓-26]。CAT又称触酶,存在于植物体内的末端氧化酶,能催化细胞内H2O2分解,清除作物体内的活性氧[27]。POD、SOD和CAT通常共同清除细胞内的自由基,组成了一个完整的防氧化链条,构成植物体内活性氧防御系统[28]。杨文英等[23]研究表明,锌可以提高辣椒POD活性,锌浓度达到一定值时,POD活性最大,此后活力随锌浓度的增加而减小。孙天国等[24]研究表明,甜瓜幼苗的POD、SOD和CAT活性均随着锌浓度升高呈先升高后下降的趋势。这与本试验在马铃薯根系的研究结果一致,当增加锌肥基施量后,能够有效提高长期连作马铃薯根系抗病性酶活性,马铃薯根系中POD、SOD和CAT活性随着锌肥施用量的增大呈先升高后降低的趋势,呈抛物线状。

MDA是生物体内自由基作用于脂质发生过氧化反应的产物,可同植物体内的蛋白质、核酸和不饱和脂肪酸等发生反应,会加剧膜脂的损伤,故可以通过MDA了解膜脂过氧化的程度,以间接测定膜系统受损程度以及植物的抗逆性[29-30]。高质等[31]研究发现,缺锌土壤施锌肥有利于降低玉米体内MDA含量,从而降低氧自由基的伤害,这与本试验在马铃薯根系上的研究结果基本一致。本研究中马铃薯根系MDA含量随着锌肥基施量的增大表现出先降低后升高的趋势。在适宜的浓度范围内,经过ZnSO4浸种处理可有效地促进马铃薯的种薯萌发与幼芽伸长和增粗,从而增强芽势,保证苗齐和苗壮,同时也能有效地提高根系活力和壮苗指数,进而改善幼苗质量[32-33]。施用适量锌肥可以改善其结薯量和薯块质量,能降低病薯率,提高商品薯率,从而提高马铃薯的产量和种植的经济效益[34-35]。这与本研究部分结果相一致,施用适量锌肥能降低马铃薯病薯率,有效提高商品薯率和经济产量,直接提升种植的经济效益;然而,当锌肥施用量超过45kg/hm2后,反而会影响马铃薯生长和产量提高。

4 结论

当锌肥施用量为30kg/hm2时,长期连作马铃薯根系抗病性相关酶POD、SOD和CAT活性最高,土传枯萎病和黑痣病的发病率和病情指数达到最低,病薯率最低,商品薯率最高,经济产量也最高。

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