大白菜根腫病抗感品種間的侵染過程及生理生化差異分析

蘇賀楠，秦六月，楊雙娟，魏小春，趙艷艷，王志勇，張文靜，張曉偉，原玉香

摘? ? 要：根腫病是由蕓薹根腫菌專性侵染十字花科蔬菜作物引起的一種世界性土傳病害，對大白菜等蔬菜造成了嚴重的經濟損失。以抗根腫病大白菜DH系（DH40R）和感病大白菜DH系（DH199S）為試驗材料，通過觀察根腫菌侵染的差異、防御酶活性、MDA和可溶性蛋白含量的測定研究大白菜根腫病抗性機制。結果表明，DH40R和DH199S的根毛侵染發生在接種后第2天，隨著侵染時間的延長，出現皮層侵染，但DH40R的皮層侵染在接菌第8天后被阻斷，對根腫病具有完全的抗性，而DH199S在接菌8 d后，根部有腫瘤產生。在接菌后2、8和13 d，分別對抗、感材料接菌和未接菌根部的防御酶活性、MDA和可溶性蛋白含量進行測定，發現DH40R在這3個時間點接菌后SOD的活性均顯著高于未接菌對照組，在第8天達到最高峰值，顯著高于DH199S；
DH40R接菌后的CAT活性在第8 天達到最高峰值1 572.68 μmol·mL-1·min-1，顯著高于DH40R未接菌對照組和接菌及未接菌處理的DH199S；
在接菌后8和13 d，抗根腫病大白菜DH系DH40R的MDA含量顯著低于接菌后的感病DH系DH199S；
接菌后DH40R的可溶性蛋白含量在接菌后8 和13 d均顯著高于DH199S。研究結果可為后期解析大白菜根腫病抗性相關機制的研究奠定基礎。

關鍵詞：大白菜；
根腫??；
侵染過程；
生理生化指標

中圖分類號：S634.1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2024）06-045-07

Infection process and physiological and biochemical difference between clubroot-resistant and-susceptible Chinese cabbage lines

SU Henan， QIN Liuyue， YANG Shuangjuan， WEI Xiaochun， ZHAO Yanyan， WANG Zhiyong， ZHANG Wenjing， ZHANG Xiaowei， YUAN Yuxiang

（Institute of Vegetables， Henan Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou 450002， Henan， China）

Abstract：
Clubroot is a worldwide soil-borne disease of the cruciferous plants caused by Plasmodiophora brassicae， leading to serious economic losses to cabbage and other Brassica crops. In order to clarify the clubroot resistance mechanism of Brassica rapa， this study was conducted to detect the differences of infection process， defense enzyme activity and the content of MDA and soluble protein between clubroot-resistant （DH40R） and clubroot-susceptible（DH199S）Chinese cabbage lines. The results showed that the primary （root hair infection） stage was at 2 day after inoculation（dai）in both clubroot-resistant （DH40R） and clubroot-susceptible （DH199S） Chinese cabbage lines. With the extension of the infection time， cortical infection was blocked and showed complete P. brassicae resistance in DH40R， while in DH199S， swollen root occurred in the root after 8 dai. The defense enzyme activity and the content of MDA and soluble protein were measured at 2， 8 and 13 dai. The activity of SOD in DH40R after inoculation is significantly higher than the mock at the whole experimental stage， the highest peak was reached at 8 dai， which was significantly higher than that of DH199S. The CAT activity of DH40R after inoculation reached the highest peak 1 572.68 μmol·mL-1·min-1 at 8 dai， which was significantly higher than the mock of DH40R and the inoculated and uninoculated DH199S. The MDA content of DH40R was significantly lower than that of DH199S at 8 and 13 dai. The soluble protein content in DH40R was higher than that of DH199S at 8 and 13 dai. Overall， these results can lay foundation for further exploration of resistance mechanism of B. rapa against P. brassicae infection.

Key words：
Chinese cabbage; Clubroot; Infection; Physiological and biochemical index

根腫病是由蕓薹根腫菌（Plasmodiophora brassicae Woron.）侵染引起的全球范圍內專性寄生于十字花科蔬菜作物的一種重要土傳病害，在全世界多個國家均有分布，我國最早在西南部和中部地區發病且尤為嚴重[1]。十字花科感病植株被根腫菌侵染后，寄主植物的地上和地下部分在侵染早期均與正常植株無明顯的差異，然而到侵染后期，寄主植株地上部分的葉片逐漸黃化、萎蔫，地下的根部組織逐漸形成肉眼可見的巨大根瘤，嚴重影響十字花科蔬菜作物的產量[2]。

蕓薹根腫菌的生活史主要分成兩個階段，即初級（根毛）侵染和次級（皮層）侵染。在初級侵染時期，土壤中的休眠孢子在適宜條件下萌發成為初級游動孢子，游動到根毛后刺入細胞壁進入根毛，以初級原生質團的形式存在，寄主的表型此時沒有變化。根毛中的游動孢子不斷地分裂繁殖，形成游動孢子囊（內含有4～16個次生游動孢子），簇生在根毛中，次生游動孢子再次穿透細胞壁侵入皮層細胞，這個階段稱為次級侵染。次級游動孢子進入皮層細胞后擾亂根部的正常發育，導致皮層細胞不斷分裂膨大并產生大量次級游動孢子囊，造成寄主的根部異常膨大[3-4]。劉亞奇[5]通過觀察不同抗性油菜接種根腫菌后的根毛侵染變化，發現第5天時感病材料N109-7和抗病材料MC0411均出現根毛侵染，且第15天時感病材料出現大量的皮層侵染，而抗病材料未觀察到皮層侵染。

當寄主植株被病原菌侵染后會產生一系列的防御反應，其中寄主抗性在生理生化方面主要與防御酶的代謝活性密切相關，常見的防御酶主要包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），過氧化氫酶（catalase，CAT）等，可能通過參與清除細胞內的活性氧，從而起重要的調控作用，因而防御酶的活性變化與植物的抗病性緊密相關[6]。當寄主植株體內遭受高活性氧水平的毒害時，SOD在清除自由基方面發揮作用，因此在植物的防御反應中SOD首先表現出重要作用[7]。況寧寧等[8]發現，大白菜侵染根腫菌后，根部的SOD活性明顯高于未侵染對照組；
孫勝男等[4]的研究結果表明，對兩個抗性不同的蘿卜品種接種根腫菌后，抗病型POD和SOD活性明顯高于感病型。CAT主要是通過抗氧化作用來保護植物的細胞膜，清除植物組織中過多的H2O2，參與多種植物防御機制，增強植物的抗逆能力[9]。不同抗性的甘藍品種接種根腫菌后，抗病甘藍品種的SOD和CAT活性都高于耐病品種，后者高于感病品種，且在第10天時差異最為顯著，即SOD和CAT活性越大則甘藍的抗性越強[10]。另外，植物在遭受病原菌侵害以后，還伴隨著其他非酶類生理指標的變化，比如丙二醛（malondialdehyde，MDA）和可溶性蛋白含量等，MDA是細胞膜脂質過氧化的產物，高含量的MDA表明植物膜脂受到嚴重損傷。朱紅芳等[11]的研究表明，可溶性蛋白和MDA含量可以作為抗根腫病品種早期篩選的輔助生理指標。

大白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis）屬于蕓薹屬蕓薹種（AA基因組，2n=20），是起源于我國的一種重要的十字花科蔬菜，在我國蔬菜供應中占有重要地位。而根腫病對大白菜危害嚴重，造成極大經濟損失。筆者以兩個抗病和感病大白菜DH系（DH40R和DH199S）為試材，從根腫菌侵染后的形態細胞學、生理生化指標等方面進行研究，以期從不同角度解析根腫病抗性機制。

1 材料與方法

1.1 材料

抗根腫病大白菜DH系DH40R（病情指數為0）和感根腫病大白菜DH系DH199S（病情指數為100）均是經過游離小孢子培養獲得，由河南省農業科學院葉類蔬菜研究室提供，其根腫病抗性來源于歐洲蕪菁ECD01。

供試菌株來自河南省南陽市新野縣的大白菜腫根，經Williams系統鑒定為致病性更強的4號生理小種，經ECD鑒別系統鑒定為ECD21/31/31[12]。

接種、侵染過程觀察和生理指標試驗均于2019年7－9月在河南省農業科學院葉類蔬菜研究室的人工氣候室、細胞及分子生物學實驗室進行。

1.2 菌液的制備及接種

大白菜腫根經打碎、過濾、離心等抽提得到休眠孢子懸浮液，接種前用血球計數板調整懸浮液孢子濃度為（1～10）×107個·mL-1，將2個材料分別播種到無菌基質的50孔穴盤，在光照培養箱中進行培養，控制條件為：溫度20～25 ℃，光周期16 h光照和8 h黑暗，播種后20 d采用注射法接種根腫菌，每個穴孔接種4 mL，對照采用等量蒸餾水處理[13]。

1.3 侵染過程觀察

分別對根腫菌接種0、2、5、8、13、22 d的根部進行取樣觀察，用清水沖洗干凈后，每個處理每個時期取3株幼苗根放置于0.5%熒光桃紅染液中染色3 h，染色完成后，用膠頭滴管吸取滅菌水滴加在載玻片中央，將染色后切下的側根或主根放在液滴上，蓋上蓋玻片，小心按壓蓋玻片，用濾紙吸去多余水分，用顯微鏡（Leica Microsystems CMS GmbH Ernst-Leitz-Str.）觀察根毛和皮層中根腫菌的侵染情況。

取接種后13和22 d清洗干凈的3～5 mm大白菜主根部位，每個處理每個時期取3株置于FAA固定液中，切片和組織染色過程參照蘇賀楠等[14]結球甘藍花蕾石蠟切片的制作方法進行，制備好的切片用顯微鏡進行皮層侵染過程的觀察。

1.4 酶粗液的提取

過氧化氫酶、超氧化物歧化酶活性及丙二醛、可溶性蛋白含量這幾個指標的測定第一步均是酶粗液的提取，將根部組織加液氮充分研磨后，稱取約0.1 g粉末，轉入2 mL離心管中，加入1 mL提取液（酶提取緩沖液），在12 000 r·min-1、4 ℃離心10 min，取上清液，即得到待測液，置于冰上備用。

1.5 過氧化氫酶、超氧化物歧化酶活性以及丙二醛、可溶性蛋白含量的測定

以下測定均采用全波長讀數儀進行測量，且試驗前30分鐘打開分光光度計進行預熱。采用蘇州格銳思生物科技有限公司的過氧化氫酶試劑盒測定CAT活性，采用超氧化物歧化酶（SOD）-WST法試劑盒測定SOD活性，采用丙二醛試劑盒（G0109F）測定丙二醛含量，采用考馬斯亮藍法測蛋白含量試劑盒（G0417F）測定可溶性蛋白含量，具體試驗操作方法按照試劑盒的說明書步驟進行。測量每個指標時，每個時期（接種根腫菌后和未接菌對照組的2、8、13 d）各測量3株苗，設置3次重復。

1.6 數據處理與分析

采用SPSS 17.0進行統計分析，采用Excel 2010進行數據處理和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 抗、感大白菜DH系接種根腫菌后的表型觀察

通過對抗病大白菜DH系DH40R和感病大白菜DH系DH199S接種根腫菌后的形態學觀察（圖1），發現未接菌、接菌后2 d和5 d，DH40R和DH199S主根和側根均未見小腫瘤產生，接菌后第8天，DH199S側根處有小腫瘤產生，而DH40R主根和側根均無明顯異常，接菌第13和第22天，DH199S主根明顯異常膨大，而DH40R的主根和側根始終無明顯異常，表現出完全的抗性。

2.2 抗、感大白菜DH系根毛及皮層侵染的組織學特征

通過對抗病大白菜DH系DH40R和感病大白菜DH系DH199S中根腫菌根毛侵染的過程進行熒光桃紅染色觀察（圖2），發現未接菌時，DH40R和DH199S的根毛內是空蕩的，未觀察到根腫菌；
接菌后第2天，DH40R的根毛中出現無固定形狀的根腫菌原生質團，DH199S的根毛中充滿原生質團狀的根腫菌；
接菌后第5天，DH40R的皮層細胞中觀察到少量的游動孢子囊和次生游動孢子，DH199S的皮層細胞中出現大量游動孢子囊和次生游動孢子；
接菌后第8天，DH40R的皮層細胞內存在少量的根腫菌次生游動孢子，DH199S的皮層細胞內遍布游動孢子囊和次生游動孢子。

接菌后第13和第22天，DH40R的根部無發病癥狀，DH199S的根部腫大，分別將DH40R和DH199S的主根部位制作石蠟切片，結果發現，接菌后第13天，DH40R的皮層細胞中存在少數未成熟的游動孢子，DH199S的皮層細胞中存在大量成熟的游動孢子；
接菌后第22天，DH40R的皮層細胞內存在少量未成熟的游動孢子，皮層細胞發育正常，DH199S的皮層細胞異常腫大，皮層細胞內充滿成熟的游動孢子囊和休眠孢子，大量異常腫大和異常分裂的皮層細胞擠壓維管束組織。

綜上，接菌后第2天，抗病大白菜DH系DH40R和感病大白菜DH系DH199S的根毛均開始被侵染，第8天，皮層細胞均被侵染，且DH199S根部出現小腫瘤，第13天及以后，DH40R在皮層侵染中抑制根腫菌進一步的生長繁殖，而DH199S無法抵抗根腫菌的生長繁殖，最終皮層細胞內充滿根腫菌，根部腫大。

2.3 抗、感大白菜DH系接種后不同時間根部生理指標的變化

筆者推測在抗病大白菜DH系DH40R的皮層細胞中產生了某種抑制根腫菌分裂繁殖的物質，阻止其分裂繁殖和病情進一步惡化，這個物質可能是酶、次級代謝產物等。因此筆者對接菌和未接菌2、8、13 d的抗病和感病大白菜DH系進行相關生理指標的測定。

抗、感病大白菜DH系DH40R和DH199S接菌后2、8、13 d的SOD活性變化情況如圖3-A所示，DH40R接種根腫菌后的SOD活性呈先上升后下降的變化趨勢，且SOD活性均顯著高于未接菌對照組，在接菌后第8天，DH40R中SOD活性達到峰值650.67 U·mL-1，顯著高于接菌后的DH199S，在接菌后第13天，DH40R中SOD活性顯著低于接菌后的DH199S?？?、感病大白菜DH系DH40R和DH199S接菌后CAT活性的變化趨勢如圖3-B所示，DH40R接種根腫菌后的CAT活性也呈先上升后下降的變化趨勢，且接菌后第8天達到峰值1 572.68 μmol·mL-1·min-1，顯著高于抗病大白菜DH系未接菌對照組，是接菌后感病大白菜DH系（554.20 μmol·mL-1·min-1）的2.84倍。

抗、感病大白菜DH系DH40R和DH199S接菌后2、8、13 d的MDA含量變化情況如圖3-C所示，接菌后DH40R的MDA含量緩慢下降，在接菌后第13天，與未接菌的抗、感病大白菜差異不顯著，但顯著低于接菌后的DH199S?？扇苄缘鞍缀康淖兓厔萑鐖D3-D所示，抗病大白菜DH系DH40R和感病大白菜DH系DH199S接菌和未接菌的可溶性蛋白含量均呈降低的變化趨勢，接種第8和第13天，DH40R的可溶性蛋白含量高于DH40R未接菌對照組；
DH199S在接種2、8、13 d，可溶性蛋白含量一直低于未接菌對照組；
在接種第8和第13天，接菌后的DH40R的可溶性蛋白含量顯著高于接菌后的DH199S。

3 討論與結論

根腫菌侵染植株的過程主要包括根毛侵染和皮層侵染，研究表明，根腫菌在接種抗病寄主、感病寄主以及非寄主植株之后均會出現根毛侵染的現象[15-17]。近年來，學者們對十字花科作物抗根腫病的生理生化指標進行了測定，但多數研究僅集中在根腫病侵染早期或者晚期[18-21]。在本研究中，筆者結合細胞學觀察根腫菌的整個侵染進程（根毛侵染和皮層侵染），對侵染起始到最終植株發病的整個周期進行生理生化指標的測定，依據這些生理生化指標在抗、感大白菜間的變化差異，進一步解析大白菜抗根腫病的生理生化防御機制。

Chen等[22]利用兩個大白菜近等基因系CRBJN3-2（抗根腫?。┖虰JN3-2（感根腫?。┙臃N根腫菌4號生理小種，接菌量為1 mL，在接菌后12、72、96 h觀察根部侵染情況，結果發現兩份材料在接菌12 h均出現根毛侵染現象，接菌72 h后，感病材料BJN3-2出現皮層侵染，而抗病材料CRBJN3-2在接菌后96 h也沒有發生皮層侵染，接菌30 d后，BJN3-2根部產生根瘤，而CRBJN3-2根部無異常。本研究中抗病和感病大白菜DH系在接菌后第2 天，根毛中分別出現和充滿了原生質團狀的根腫菌；
接菌后第5天，皮層細胞中均出現游動孢子；
接菌后第8天，感病大白菜DH系DH199S的皮層侵染數較多，且開始初級發病，側根處有小腫瘤，而抗病大白菜DH系DH40R雖皮層受到了侵染，但無發病癥狀，表明接菌后第8天，DH40R阻隔了根腫菌的侵染，可能是抗病大白菜DH系DH40R侵染后期沒有發病的直接原因，而伴隨著侵染時間的延長，感病大白菜DH系DH199S病情逐漸加重，皮層細胞中游動孢子數量不斷增加，導致皮層細胞充滿游動孢子，根部異常腫大。本研究的抗病材料中雖然也觀察到了皮層侵染現象，但最終沒有根瘤產生，這與Chen等[22]的研究結果次級侵染在抗病材料中沒有發生并不一致。

植物被病原菌侵入之后，體內將會產生大量活性氧（ROS），如H2O2、O2-等，損壞細胞膜的結構和功能，植物為了阻止此現象發生，建立了抗氧化保護系統，其中就包括POD、SOD和CAT直接參與植物的抗病反應[23-26]。朱紅麗[23]對分別接種4、8、12和16 d的白菜品種早熟長江5號和CR-英雄主根組織的一些生理生化指標進行測定，結果表明，接種根腫菌之后，抗病品種的CAT活性高于感病品種，抗感品種的SOD活性峰值均在第8天出現，且抗病品種的峰值顯著高于感病品種。本研究中抗病大白菜DH系DH40R在整個侵染階段，接菌后SOD活性均顯著高于未接菌對照組，在接菌后第8天，DH40R中SOD活性達到峰值，顯著高于接菌后的DH199S?？共〈蟀撞薉H系DH40R的CAT活性第2天最低，但是高于接菌后的DH199S，接菌后第8天，DH40R的CAT活性達到峰值1 572.68 μmol·mL-1·min-1，顯著高于抗病大白菜DH系未接菌對照組，是接菌后感病大白菜DH199S的2.84倍，說明CAT在接菌后第8天清除大量H2O2以維持DH40R體內的膜系統穩態，在抵抗根腫菌的侵害中發揮主要作用，與朱紅麗[23]的研究結果一致。MDA含量能夠作為反映細胞膜脂過氧化程度和植物受傷害程度的一個重要指標，MDA含量越高說明植物體遭受逆境的傷害越大[27]。從接菌后第2天開始，抗病大白菜DH系在接菌后整個過程MDA含量一直呈下降的趨勢，僅在被根腫菌侵染根毛（接菌后第2天）時高于未接菌對照組和接菌后感病大白菜DH199S，接菌后第8和第13天，顯著低于接菌后的DH199S，這說明抗病大白菜DH40R被根腫菌侵染后，根毛侵染階段（接菌后第2天）的SOD和CAT等防御酶活性較低，還不能完全清除根內過氧化產物，隨著侵染時間的延長，接菌后第8天，DH40R根中SOD和CAT活性達到峰值，可以清除根內過氧化產物，細胞膜的損傷較輕，膜脂過氧化程度不高，植株受傷害程度不重?？扇苄缘鞍资侵参镏凶罨钴S的蛋白質成分，研究表明，可溶性蛋白含量與植物抗性的產生有一定關系[28-29]。在本研究中，接菌后第2天，抗病大白菜DH系DH40R中的可溶性蛋白含量低于未接菌對照和感病大白菜DH系DH199S，DH199S的可溶性蛋白含量也低于未接菌對照組，而在第8和第13天，DH40R中的可溶性蛋白含量高于感病大白菜DH系DH199S，且高于DH40R未接菌對照組，而DH199S中的可溶性蛋白含量低于未接菌對照組，而馬丹丹[19]的研究表明，甘藍感病品種可溶性蛋白含量上升，抗病品種可溶性蛋白含量降低，與筆者的研究結果不一致，推測可能與不同物種抵抗根腫菌侵染的機制不同有關。

綜上所述，筆者通過形態細胞學觀察兩個不同根腫病抗性大白菜DH系在貫穿整個侵染過程的5個時間節點（接菌后2、5、8、13、22 d）的病情發展情況和根腫菌的侵染動態，另外對相關生理生化指標進行測定，發現在接菌后第8天，侵染時期和生理生化指標在抗、感材料之間存在顯著性差異，推斷在接菌后第8天是抗、感材料抗性差異產生的重要時期。該研究結果為后期挖掘根腫病抗性相關基因及解析根腫病抗性分子機制奠定了基礎。

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