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求索回眸(12):硅酸钾能提高农作物的抗病性吗? 精选

已有 1753 次阅读 2021-4-24 11:51 |个人分类:科研进展|系统分类:科研笔记

 硅酸钾的抗病促生作用

 在研究草莓的连作障碍修复时,如何提高草莓的抗病性是一个重要问题。

 提高农作物的抗病性,是植物生产永恒的话题,是涉及人类能否吃饱吃好的问题。

 利用硅酸钾提高草莓抗病性,来自我的一个“突发奇想

 硅是植物营养元素之一。水稻需要施用硅肥,是植物营养上的常识。硅元素在禾本科植物中含量很高,特别是水稻茎叶中,二氧化硅含量高达15%-20%。硅能提高水稻茎秆的机械强度,抗倒伏。我由此想到,给草莓施硅肥,如能提高草莓茎叶片,特别是根系及叶片表皮细胞壁含硅量,使表皮细胞壁硅质化,就能提高根系及叶片表皮的机械强度,进而提高草莓根系及叶片抵抗病原微生物的侵染能力。如果能提高根系对土壤中病原真菌、细菌及线虫的侵染,将会大幅度降低草莓根腐病害引起的死亡率,将会避免根系病害造成的大幅度减产或绝收。减轻叶片病害,维持叶片健康生长,就能提高产量,改善草莓品质。但按传统的草莓栽培技术,没有施用硅肥的习惯。

 为了探索硅酸钾有无抗病性,我们进行了盆栽草莓硅酸钾抗病促生机理试验,并在日光温室进行了草莓连茬障碍修复效果试验,获得了一些有重要价值的结果,证明了硅酸钾确有抗病促生功能。

 2009-2011连续3年的盆栽试验表明,施用硅酸钾可显著增加草莓茎叶及根系中的全硅和全钾含量。硅酸钾处理中,草莓茎叶及根系中全硅含量连续3年测定值平均增加21%33%,根系中的全硅含量增幅远大于茎叶,预示硅酸钾处理草莓根系和叶片的抗病性会大幅度增加。此外,硅酸钾处理草莓叶片及根系中全钾含量3年平均增加19%33%。统计分析显示,与不施用硅酸钾的对照相比,上述增加均达到显著水平。

 钾和硅均为抗病元素。施用硅酸钾后,草莓根系和叶片中硅钾含量大幅度增加,必定会提高草莓的抗病性。这一推论也得到田间连茬草莓连作种植试验证明。

 在2009-2011年,我们同步进行了日光温室草莓连作障碍修复试验,在进行本试验之前,供试温室已连续种植草莓2年。在第3茬草莓移栽时,将硅酸钾溶液与土壤混匀成泥浆状蘸根,按泥浆附着量计算,草莓的施硅量( SiO 2 ) 60 mg/株。试验取得了令人鼓舞的结果。

 在连茬第3年的土壤上,硅酸钾处理的草莓一级苗比例较对照增加124%,草莓单株总鲜重增加94%,根系单株鲜重增加118%,叶片鲜重增加35%;叶片可溶性蛋白质含量增加76%,盛果期叶片PPO活性增加34%;开花时间较对照提前10天,花蕾数较对照增加113%,开花数较对照增加22%,果实数量增加35%,单果鲜重增加50%,单株产量增加102%。初果期,草莓果实可溶性固形物含量增加26%,可滴定酸降低20%,糖酸比提高27%。糖酸比提高,意味着口感改善。

 在连茬第4年的土壤上,硅酸钾处理草莓根系鲜重增加49%,单株叶片数增加65%,叶片鲜重增加30%,单株果实数增加58%,单果鲜重增加58%,单株产量增加139%死苗率较对照降低91%

 至此,我的“突发奇想”得到证明

 以上研究证明,硅酸钾能促进草莓生长,提高草莓的抗病性。但硅和钾的贡献各有多少,根系及叶片表皮细胞壁的硅质化程度提高多少,以及草莓抗病性提高的其他详细机理均不清楚。由于承担该项目的博士研究生申光辉毕业后从事食品微生物研究,硅酸钾的促生抗病性研究未能持续下去,特别是硅元素对根系的保护作用到底有多大,保护机理是什么,至今仍是一个谜,也成了我草莓连作障碍研究中的一件憾事。

 硅酸钾对草莓抗病性研究并不是单独进行的,是与密旋链霉菌对草莓抗病性研究同时进行的,各为同一试验方案中的一个独立影响因子,试验方案包括二者的单独处理,也有二者的配合处理,本文仅讨论了硅酸钾的单独作用。

 该研究首次证明,硅酸钾单独施用及其与密旋链霉菌 Act12 菌剂配合施用,均能显著促进连作草莓生长,增强植株抗病性,可有效缓解日光温室草莓连作障碍,提高果实产量及品质,在生产上具有很大的应用潜力,值得进行深入研究和在生产上推广应用。

硅酸钾有“抗生素”的功能吗?

 围绕硅酸钾的抗病效果,还做过一件有意义、值得一提的事情:通过我们的研究,澄清了一个文献报道的错误结论:硅酸钾具有“类似抗生素”的功能

 有文献报道,硅酸钾能抑制病原真菌生长,具有类似抗生素的作用

 抗生素的抗菌机理,主要有以下途径:通过抑制微生物细胞壁物质、蛋白质及核酸等生物大分子合成,质膜完整性及能量代谢等作用,达到抑制病原微生物生长的目的。

 在硅酸钾中,钾离子、硅酸根离子为无机离子,均没有抗生素所具有的上述功能。因此,我对文献的结论产生怀疑。我和申光辉一起对查阅到的文献进行了分析讨论,从文献提供的照片看,硅酸钾确实有抑制真菌生长的效果,这个效果不能否认。我们重复文献的试验,也得到了类似的验证结果。但我仍然认为,文献的结论是错的,硅酸钾不具备抗生素的抗菌作用。硅酸钾抑制病原菌的现象后面,一定有其他原因,我们一定要找到硅酸钾抑制真菌生长的原因,这对了解硅酸钾的抗病机理有重要意义。

 在探索硅酸钾的抑菌机理时,申光辉发现,硅酸钾溶液的pH相当高,达到9左右,这是我们在分析硅酸钾抑制真菌生长机制时没有想到的原因。这一发现,使我们恍然大悟,原来,硅酸钾抑制病原真菌生长的秘密就藏在溶液pH中。

 真菌适宜生长的pH为微酸性或中性,在微碱性或碱性环境中不生长。由此,我们推测硅酸钾拮抗病原真菌生长的原因是pH,而不是所谓的具有“类似抗生素”的功能。

 为了确证这个推想,我们设计了一个严密的验证方案:用酸碱溶液调整硅酸钾溶液的pH,使其分别呈微酸性、中性、微碱性及碱性,将其进行过滤除菌后加入已灭菌的真菌培养基,使培养基呈现从微酸性到碱性的一系列pH梯度,然后,接入5种病原真菌,观察病原真菌的生长情况。几天后,结果与我们事先推测完全一致:在微酸性培养基上,真菌生长良好;中性培养基上,真菌也能正常生长;在微碱性及碱性培养基上,真菌不生长,呈现出硅酸钾抑制病原真菌的抗菌现象。

 在验证方案中,在相同pH下,分别设置不同钾离子、硅酸根离子梯度对真菌的抑制作用,结果表明,钾离子、硅酸根离子对5种病原真菌均无抑制功能。

 至此,我们揭开了硅酸钾拮抗病原真菌的秘密。这个研究不仅澄清了一个硅酸钾抗菌机理的科学误解,也产生了我们研究室的第一篇SCI论文,尽管这篇论文的IF0.5左右,但该论文的发表揭开了我们研究室发表SCI论文的序幕。

 从以上科研往事回忆中,我有如下体会:对科研中的“突发奇想”,不要仅停留在“想”,而要去证明,可能就有新结果;对于科研中的错误结论,就要用科学试验去更正,不能让谬误流传。能做到这些,也是对人类探索自然,利用知识改变人类生活的微薄贡献。

 

主要参考文献

1.申光辉,薛泉宏(通讯作者),陈秦,王玲娜,赵娟,薛磊. 硅酸钾与密旋链霉菌 Act12 菌剂配施对连作草莓生长、果实产量及品质的影响. 中国生态农业学报, 2012, 20(3): 315321

2.申光辉.草莓连作根腐病发生机制与微生物及化学修复研究【D】.陕西杨陵,西北农林科技大学.2012.

 




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3 黄永义 宁利中 陈新平

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