Effects of the Plant Immune Inducer ZNC on Field Disease Control and Yield in Rice
Abstract:
To evaluate the effects of the plant immune inducer ZNC on field disease control and yield in rice, a field plot experiment is conducted. Using clear water spray or irrigation as controls (CK1, CK2), different mass concentrations of ZNC are applied via foliar spray (10, 50, 100, 200 ng/mL), or via irrigation (1, 5, 10, 20 ng/mL) at the seedling, tillering, and booting stages of rice. Growth indicators, disease control efficacy, yield components, and yield under different treatments are investigated. The results show that foliar spray with 100 ng/mL ZNC and irrigation with 10 ng/mL ZNC promote the growth of rice seedlings, with plant height and stem diameter significantly increased compared with the CK treatments. Foliar spray with 100 ng/mL ZNC provides better control against rice sheath blight and bacterial leaf streak, with efficacies of 34.98% and 20.63%, respectively. Spraying 50 ng/mL ZNC has a control efficacy of 35.75% against bacterial blight in rice.Irrigation with 10, 20, and 1 ng/mL ZNC shows better control effects against rice sheath blight, bacterial blight, and bacterial leaf streak, with efficacies of 33.28%, 22.58% and 16.14%, respectively. Rice yield is higher with foliar spray of 100 ng/mL ZNC and irrigation of 10 ng/mL ZNC, showing significant increases of 31.11% and 51.71%, compared with the CK treatments. ZNC can promote rice growth and development, enhance its resistance to pathogens, and increase yield. The control efficacy of ZNC against different rice diseases is closely related to the application rate, and an appropriate application rate can be selected based on specific field conditions.
水稻是我国重要的粮食作物之一,是保障我国粮食安全的基石[1]。据统计,2024年我国水稻种植面积达2 900.7万hm2,居世界第二位;产量居世界第一位,平均单产7 155 kg/hm2,总产量高达2.07亿t[2]。确保水稻产量的稳定增长,对保障民生及维护社会稳定具有至关重要的意义[3]。
水稻生产中会受到各种真菌、细菌和病毒病害的影响,导致稻米品质降低、产量减少,严重威胁我国粮食安全[4-5]。稻瘟病、白叶枯病、纹枯病是水稻的三大主要病害,其他重要病害还有稻曲病、恶苗病、细菌性条斑病等[6],各种病害造成的水稻减产高达30%以上[7]。目前,农业生产上大多使用化学药剂进行水稻病害防治,存在成本高昂、农药残留、环境污染和病原菌产生抗药性等问题,亟需寻找一种经济高效且环境友好的新技术、新方法[8]。
植物免疫诱抗剂作为一种绿色、安全的新型生物药剂,在病害防治研究中备受青睐。植物免疫诱抗剂通过激活植物免疫系统及调节植物新陈代谢,能有效增强植物抗病性和抗逆性,促进植物生长发育[9]。与化学农药相比,植物免疫诱抗剂产品仍严重缺乏[10]。智能聪(ZNC)是从野生沙棘植物根系中分离得到的宛氏拟青霉(Paecilomyces variotii)菌株SJ1的发酵提取物,是一种安全、无毒、理化性质稳定及活性超高的植物免疫诱抗剂,具有抗病、促生的功效[11]。前期研究表明,低浓度ZNC可以促进马铃薯叶片活性氧(ROS)积累,诱导抗病、生长相关基因表达,从而提高马铃薯产量及晚疫病抗性[12]。ZNC能以极低水平促进水稻对氮的吸收,提高水稻产量,实现减肥增效[13]。ZNC通过促进PAL基因表达激活水杨酸(SA)通路,正向调节RNA沉默,使植物获得系统的病毒抗性,如增强烟草对马铃薯X病毒(PVX)的抗性[14]。
为探究植物免疫诱抗剂ZNC对水稻田间病害的防治效果及产量的影响,在水稻苗期、分蘖期及孕穗期分别进行了ZNC喷施、冲施处理。本文从水稻性状、产量、抗病性等方面进行研究,揭示ZNC在促进水稻生长、提高水稻抗病性中的作用,以期为ZNC在水稻生产中的推广应用提供科学依据和理论基础。
1
材料与方法
1.1
试验地概况
试验在山东省泰安市天宝镇天宝四村大棚内进行。试验地点属暖温带半湿润大陆性季风型气候,年平均气温13 ℃。供试土壤为棕壤土,土壤理化性状:pH为6.48,w(有机质)为14.99 g/kg,w(有效磷)为19.79 mg/kg,w(速效钾)为141.44 mg/kg,w(全氮)为0.70 g/kg,w(碱解氮)为51.30 mg/kg。
1.2
供试材料
供试水稻品种为“大粮306”,临沂市金秋大粮农业科技有限公司;植物免疫诱抗剂智能聪(ZNC),5 mg/mL,山东蓬勃生物科技有限公司;通用水稻复合肥,23-8-15,中盐红四方股份有限公司。
1.3
试验设计
共设置喷施、冲施两组试验。喷施组以清水为对照(CK1),设置ZNC质量浓度分别为10、50、100、200 ng/mL等4个处理,每亩(1亩=667 m2)喷施用水量为15 L;冲施组同样以清水为对照(CK2),设置ZNC质量浓度分别为1、5、10、20 ng/mL等4个处理,每亩地冲施用水量为5 000 L。每个处理重复3次,在水稻苗期、分蘖期及孕穗期分别进行喷施或冲施,试验期间不施用其他对水稻病害有防效的药剂。水稻于2023年5月6日播种,7月11日进行表型调查,10月13日收获测产。每个试验小区面积20 m2,行距20 cm,株距13~15 cm。播种前每亩底施50 kg通用水稻复合肥,其他肥料追施及田间管理措施均按水稻常规栽培要求实施。
1.4
项目及其测定方法
1.4.1
生长指标测定及理论测产
于水稻生长中期测定生长指标,记录水稻株高及茎粗;水稻收获前,每个小区按对角线取样法选取3个样点,每个样点连续取10穴,调查有效穗数、穗粒数、结实率、千粒质量等指标;在成熟期测定产量。
1.4.2
病原菌接种及病害调查
纹枯病病原菌接种:以通用的马铃薯琼脂培养基培养水稻纹枯病病原菌,培养10~15 d后产生的大量褐色菌核作为接种菌源。接种时,用镊子夹取大小一致的菌核放置在水稻叶鞘中,保湿,10 d后统计发病情况。
白叶枯病病原菌接种:用磷酸盐缓冲溶液(PBS)稀释白叶枯病菌液至细菌数约为9×109个/mL。采用剪叶法接种,于水稻孕穗期接种。接种时,先用剪刀蘸取菌液,然后剪去剑叶叶尖约2 cm。每个单株至少接种5片剑叶,接种14 d后进行病情统计。
细菌性条斑病病原菌接种:用PBS稀释细菌性条斑病菌液至细菌数约为9×109个/mL。采用渗透法,于水稻孕穗期选取剑叶接种。接种时,先用一次性注射器吸取菌液,然后将注射口按住叶片,用力推动注射器,使菌液通过压力渗入叶片内,接种14 d后统计病情指数。
每个小区80株水稻接种病原菌。调查时,每个小区按对角线5点取样,每点调查6株,每个小区调查30株水稻。按式(1)~式(3)计算各处理的水稻发病率、病情指数及防效。
1.5
数据处理
采用Microsoft Excel 2019和DPS 2006软件进行试验数据的处理分析,并检验各处理的平均值在P<0.05水平的差异显著性;采用Origin 2018软件进行作图。
2
结果与分析
2.1
对水稻生长指标的影响
于水稻生长中期进行性状调查,结果见图 1。
图 1
从图 1(a)可看出,喷施ZNC处理可以促进水稻生长发育,株高和茎粗均较CK1处理的有所增加。喷施100 ng/mL处理对水稻的促生效果最优,株高和茎粗较CK1处理的增加37.97%和73.04%;其次是喷施200 ng/mL处理,株高和茎粗分别较CK1处理的增加34.16%和52.00%。
从图 1(b)可看出,冲施不同浓度ZNC均能促进水稻生长发育。冲施10 ng/mL处理对水稻的促生作用最优,株高和茎粗分别较CK2处理的增加9.74%和40.59%;其次是冲施20 ng/mL处理,株高和茎粗分别较CK2处理的增加9.02%和33.65%。
2.2
对水稻纹枯病的防治效果
接种水稻纹枯病病原菌10 d后进行田间病情调查,结果见表 1和表 2,表中同列数据后不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05),下同。
表 1
|
ρ(ZNC)/ (ng·mL-1) |
病情指数/% |
发病率/% |
防效/% |
|
0(CK1) |
42.53±1.80 a |
61.38±1.81 a |
|
|
10 |
29.83±3.70 bc |
51.99±1.00 bc |
28.56±1.95 a |
|
50 |
36.45±1.36 ab |
54.62±1.40 b |
14.18±3.41 b |
|
100 |
27.49±0.98 c |
56.33±1.24 b |
34.98±2.15 a |
|
200 |
34.82±0.99 b |
49.48±1.52 c |
18.00±2.05 b |
表 2
|
ρ(ZNC)/ (ng·mL-1) |
病情指数/% |
发病率/% |
防效/% |
|
0(CK2) |
38.62±2.07 a |
53.46±1.30 a |
|
|
1 |
25.66±4.21 b |
51.39±2.74 a |
25.33±3.39 ab |
|
5 |
34.83±2.72 ab |
52.92±4.50 a |
10.41±1.69 c |
|
10 |
26.00±2.43 b |
45.30±1.29 a |
33.28±3.69 a |
|
20 |
27.19±1.88 b |
45.41±1.01 a |
29.50±0.50 ab |
从表 1可看出,喷施不同质量浓度的ZNC均能有效防治水稻纹枯病,各处理的病情指数及发病率均低于CK1处理的。喷施10、100 ng/mL处理的防治效果较好,防效显著高于其他处理的;其中喷施100 ng/mL处理的防效最高(34.98%),且病情指数最低(27.49%)。因此,喷施ZNC防治水稻纹枯病的质量浓度以100 ng/mL为宜。
从表 2可看出,冲施不同质量浓度的ZNC均能有效防治水稻纹枯病。冲施10 ng/mL处理的效果较好,发病率比CK2处理的低15.26%,防效为33.28%;其次为冲施20、1 ng/mL处理,发病率比CK2处理的分别降低15.06%、3.87%,防效分别为29.50%和25.33%。
2.3
对水稻白叶枯病的防治效果
接种白叶枯病病原菌14 d后进行田间病情调查,结果见表 3和表 4。
表 3
|
ρ(ZNC)/ (ng·mL-1) |
病情指数/% |
平均病斑面积占比/% |
防效/% |
|
0(CK1) |
45.19±2.22 a |
19.99±0.97 a |
|
|
10 |
33.33±2.57 bc |
15.81±1.06 bc |
25.80±6.88 ab |
|
50 |
28.89±0.64 c |
14.56±1.30 c |
35.75±3.47 a |
|
100 |
36.70±0.61 b |
18.20±0.64 ab |
18.38±4.25 b |
|
200 |
38.37±1.19 b |
18.66±1.11 ab |
14.74±4.22 b |
表 4
|
ρ(ZNC)/ (ng·mL-1) |
病情指数/% |
平均病斑面积占比/% |
防效/% |
|
0(CK2) |
42.96±1.12 a |
19.28±1.28 a |
|
|
1 |
34.81±1.02 bc |
16.73±0.58 ab |
18.93±2.04 a |
|
5 |
39.26±1.48 ab |
17.67±1.06 a |
8.55±3.43 b |
|
10 |
36.70±0.46 bc |
17.61±0.72 ab |
14.51±1.18 ab |
|
20 |
33.33±2.45 c |
14.75±1.25 b |
22.58±4.05 a |
从表 3可看出,喷施不同质量浓度的ZNC对水稻白叶枯病均有一定的防治效果。喷施50 ng/mL处理的防效最高,平均病斑面积占比较CK1处理的降低27.16%,防效达到35.75%;其次为喷施10 ng/mL处理,防效为25.80%;喷施100、200 ng/mL处理对水稻白叶枯病的防效较低。
从表 4可看出,冲施不同质量浓度的ZNC对水稻白叶枯病均有不同程度的防治效果。冲施20 ng/mL处理的防效最高,达22.58%,平均病斑面积占比较CK2处理的降低23.50%;冲施1 ng/mL处理的次之,防效为18.93%,平均病斑面积占比较CK2处理的降低13.23%。
2.4
对水稻细菌性条斑病的防治效果
喷施及冲施不同质量浓度的ZNC对水稻细菌性条斑病的防治效果见表 5和表 6。
表 5
|
ρ(ZNC)/ (ng·mL-1) |
病情指数/% |
平均病斑面积占比/% |
防效/% |
|
0(CK1) |
42.59±1.34 a |
4.95±0.39 ab |
|
|
10 |
39.77±1.24 a |
4.88±0.29 ab |
6.58±1.84 ab |
|
50 |
42.60±1.77 a |
5.01±0.72 a |
-0.46±7.32 b |
|
100 |
33.83±2.57 b |
3.66±0.32 b |
20.63±4.92 a |
|
200 |
37.85±0.52 ab |
4.71±0.23 ab |
11.00±2.35 ab |
表 6
|
ρ(ZNC)/ (ng·mL-1) |
病情指数/% |
平均病斑面积占比/% |
防效/% |
|
0(CK2) |
42.26±1.17 a |
4.65±0.25 a |
|
|
1 |
35.44±1.08 b |
3.32±0.54 a |
16.14±0.27 a |
|
5 |
36.90±0.40 b |
3.88±0.72 a |
12.52±2.86 a |
|
10 |
37.09±0.98 b |
4.19±0.32 a |
12.21±0.89 a |
|
20 |
40.37±1.30 a |
4.60±0.39 a |
4.49±0.83 b |
从表 5可看出:喷施100 ng/mL ZNC处理对水稻细菌性条斑病有明显的防治效果,平均病斑面积占比较CK1处理的降低26.06%,防效为20.63%;其次为喷施200、10 ng/mL处理的,防效分别为11.00%、6.58%;喷施50 ng/mL处理的防治效果不及CK1处理的。
从表 6可看出,冲施不同质量浓度的ZNC均能降低水稻平均病斑面积占比。冲施1 ng/mL处理的防效最高,为16.14%,平均病斑面积占比较CK2处理的降低28.60%;冲施5、10 ng/mL处理的次之,防效分别为12.52%、12.21%。
2.5
对水稻产量的影响
水稻病害是影响水稻产量的主要因素。在水稻苗期、分蘖期及孕穗期分别进行ZNC喷施、冲施处理,测定接种不同病原菌的水稻产量及产量构成因子,结果见表 7和表 8。
表 7
|
ρ(ZNC)/(ng·mL-1) |
有效穗数/(万·hm-2) |
穗粒数/(粒·穗-1) |
千粒质量/g |
结实率/% |
产量/(kg·hm-2) |
|
0(CK1) |
307.05±25.22 ab |
127.11±6.33 b |
23.44±1.01 a |
87.10±0.25 a |
6 719.47±281.86 b |
|
10 |
309.12±18.38 ab |
127.61± 6.22 b |
24.20±0.32 a |
87.00±0.26 a |
7 050.17±418.52 b |
|
50 |
290.26±8.30 b |
145.25±6.62 ab |
24.04±0.20 a |
87.20±0.21 a |
7 479.60±467.81 b |
|
100 |
349.60±13.43 a |
139.42±5.67 ab |
23.62±0.25 a |
87.53±0.32 a |
8 809.61±433.31 a |
|
200 |
332.12±14.81 ab |
147.96±8.01 a |
23.67±0.79 a |
87.47±0.27 a |
8 707.34±124.15 a |
表 8
|
ρ(ZNC)/(ng·mL-1) |
有效穗数/(万·hm-2) |
穗粒数/(粒·穗-1) |
千粒质量/g |
结实率/% |
产量/(kg·hm-2) |
|
0(CK2) |
305.44±5.97 c |
117.81±8.51 b |
23.35±0.18 a |
87.70±0.13 a |
6 264.06±478.06 c |
|
1 |
335.11±11.05 ab |
144.19±8.26 a |
24.91±1.54 a |
87.67±0.12 a |
8 907.09±710.88 ab |
|
5 |
337.41±1.99 ab |
121.83±5.99 b |
24.48±1.10 a |
87.17±0.24 a |
8 105.91±264.32 b |
|
10 |
342.28±2.28 a |
148.83±4.44 a |
24.93±0.82 a |
87.97±0.27 a |
9 503.09±239.12 a |
|
20 |
319.24±9.22 bc |
147.54±1.26 a |
24.10±0.37 a |
87.63±0.28 a |
8 433.92±338.54 ab |
从表 7可看出,喷施不同质量浓度的ZNC均能促进水稻多个产量构成因子数值的增加,从而提高水稻产量。喷施100 ng/mL处理对水稻的增产作用显著,产量较CK1处理的增加2 090.14 kg/hm2,增产幅度为31.11%;其次是喷施200 ng/mL处理,较CK1处理增产1 987.87 kg/hm2,增产幅度为29.58%。
从表 8可看出,冲施ZNC的处理均能促进水稻多个产量构成因子数值的增加,从而提高水稻产量。冲施10 ng/mL处理对水稻的增产作用最显著,比CK2处理增产3 239.03 kg/hm2,增产幅度为51.71%;其次是喷施1 ng/mL处理,较CK2处理增产2 643.03 kg/hm2,增产幅度为42.19%;其他喷施ZNC处理的产量增加1 841.85~2 169.86 kg/hm2。
3
讨论
水稻作物受到约70种病原体的影响,其中病毒、细菌、真菌和线虫等严重威胁水稻产量[15]。植物免疫诱抗剂是一类可减少农产品农药残留、提高产品质量和安全性的新型生物农药,具有显著的抗病、防冻、增产、提质的效果[16-18]。目前,在农业生产中应用的免疫诱抗剂主要有寡糖、植物免疫蛋白、水杨酸、脱落酸和次生代谢物等[18]。据相关研究报道,喷施3~4 mg/mL植物免疫蛋白溶液产品可以提高水稻产量;5%氨基寡糖素产品(氨基寡糖有效质量浓度为166.67~333.33 μg/mL) 能诱发水稻产生免疫反应,促进秧苗生长和分蘖;芸苔素内酯的质量浓度为0.033 mg/L时,可以显著提高稻谷根芽长及发芽率,促进生长发育,增强水稻的抗逆性;植物免疫诱抗剂阿泰灵能使小麦、水稻等粮食作物增产5%~10%,并且对烟草花叶病毒病、水稻纹枯病等具有明显的防治效果[19-23]。
ZNC是一种高效植物免疫诱抗剂,能激发由病原体相关分子模式(PAMP)触发的免疫反应(PTI),诱导植物防御反应,促进植物生长发育,在农业生产中表现出巨大的潜力[24]。前期研究表明,ZNC能激活拟南芥中的水杨酸生物合成和信号通路,促进拟南芥对氮和磷的吸收,提高其对病原菌的抗性。ZNC在小麦、水稻等粮食作物及萝卜、小白菜等蔬菜上具有促生提质的作用,还能提高拟南芥、小麦、烟草等对病原菌的抗性,保护植物免受病原菌的侵害[25-29]。
水稻纹枯病是水稻主要的真菌病害,主要危害叶鞘、叶片,严重时可侵入茎秆并蔓延至穗部[30];白叶枯病在水稻全生育时期均可发生,主要危害水稻叶片及叶鞘,以孕穗期发病最为严重;水稻细菌性条斑病主要危害水稻叶片,严重时会影响水稻抽穗灌浆,严重影响水稻的产量[31]。3种病害可以在水稻的任一生育期发生,给水稻生产带来极大威胁。植物免疫诱抗剂对水稻表现出良好的抗病促生效果,但对施用剂量有严格的要求。试验结果表明,喷施100 ng/mL ZNC处理对水稻纹枯病的防治效果最好,其次为喷施10 ng/mL处理。此结果与前期研究中喷施200 ng/mL处理对水稻纹枯病抗性最佳的结论不同,可能是水稻品种、种植区域气候、土壤条件等不同所致[27];冲施10 ng/mL ZNC处理的效果最显著,防效与喷施100 ng/mL ZNC处理的相当。喷施50 ng/mL ZNC处理对水稻白叶枯病的防治效果最好;冲施20 ng/mL ZNC处理的防效最高。对于水稻细菌性条斑病,喷施100 ng/mL ZNC处理有显著效果;冲施1、5、10 ng/mL ZNC处理均有显著效果。综上所述,ZNC对水稻不同病害防治的最佳质量浓度不同,可针对田间具体情况选择适宜的ZNC施用量。喷施100 ng/mL ZNC处理对3种病害均有防治效果,且防效大于18%;冲施1、10 ng/mL ZNC处理对3种病害均有显著防效,防效均大于12%。上述结果与前期研究中ZNC能提高拟南芥抗病性,促进烟草对病害的抵抗能力等结论一致[32]。
同时,ZNC具有促进植物生长发育的作用。喷施100 ng/mL ZNC处理和冲施10 ng/mL ZNC处理能促进水稻植株生长,水稻的株高、茎粗明显增加。喷施50 ng/mL ZNC处理虽未能提高水稻对细菌性条斑病的防效,但水稻产量较对照处理的有所提升,说明ZNC可通过降低水稻病害及促进水稻生长发育来提高水稻产量。根据试验结果,喷施100、200 ng/mL ZNC时,水稻增产显著,结合成本综合考虑,优选喷施100 ng/mL ZNC;冲施10 ng/mL ZNC时,水稻产量显著增加。上述结果与前期报道的ZNC具有促生增产作用的研究结果相符[27-28]。
与市场上已有的植物免疫诱抗剂相比,ZNC用量更少、活性更高、效果更好。结合市场上已有产品的推荐使用质量浓度,ZNC在田间的使用量更低,是植物免疫蛋白产品用量的百万分之一,是氨基寡糖素、芸苔素内酯用量的百分之一。ZNC在极低质量浓度下即能对水稻纹枯病、白叶枯病及细菌性条斑病产生一定的抗病性,促进水稻生长发育,提高水稻产量,在水稻生产中具有广阔的应用前景。
4
结语
通过水稻田间试验,进一步优化了ZNC在水稻生产中的应用,明确了ZNC提高不同病害防效及促进增产的最佳使用量及施用方式。综合考虑试验中ZNC对水稻病害防治、促生增产效果,结合前期的研究结果及施用成本,选择喷施100 ng/mL ZNC或冲施10 ng/mL ZNC,水稻的增产效果较佳且表现稳定,并与前期试验结果一致。因此,将该指标作为ZNC的推荐使用量,同时也为免疫诱抗剂在水稻生产上的应用提供科学依据和理论指导。