作物杂志

硅对燕麦抗秆锈病及抗氧化特性的影响

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李英浩 ¹^,² , 杨澳 ¹ , 刘景辉 ¹ , 田露 ² , 米俊珍 ¹

作物杂志 | 生理生化·植物营养·栽培耕作 2026,42(1): 118-124

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作物杂志 | 生理生化·植物营养·栽培耕作 2026, 42(1): 118-124

硅对燕麦抗秆锈病及抗氧化特性的影响

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李英浩¹^,², 杨澳¹, 刘景辉¹, 田露², 米俊珍¹

作者信息

¹内蒙古农业大学农学院/内蒙古高校燕麦工程研究中心/燕麦内蒙古自治区工程实验室/内蒙古农业大学杂粮产业协同创新中心，010019，内蒙古呼和浩特

²内蒙古自治区农牧业科学院，010031，内蒙古呼和浩特

李英浩，主要从事作物抗逆栽培生理研究，E-mail：15947616475@163.com；

杨澳为共同第一作者，主要从事作物抗逆栽培生理研究，E-mail：18631861620@163.com

通讯作者:

刘景辉，主要从事作物栽培学与耕作学研究，E-mail：cauljh@163.com

Effects of Silicon on Stem Rust Resistance and Antioxidant Properties in Oats

Yinghao Li¹^,², Ao Yang¹, Jinghui Liu¹, Lu Tian², Junzhen Mi¹

Affiliations

¹College of Agriculture, Inner Mongolia Agricultural University / Oat Engineering Research Center of Inner Mongolia Universities / Oat Engineering Laboratory of Inner Mongolia Autonomous Region / Collaborative Innovation Center of Grain Industry of Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China

²Inner Mongolia Academy of Agricultural & Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, Inner Mongolia, China

出版时间: 2026-02-15 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2026.01.015

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摘要

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为探究硅对秆锈病菌侵染下燕麦叶片生理特性的影响，明确其提升燕麦秆锈病抗性的生理机制，以易感秆锈病的燕麦品种“坝莜1号”为试验材料开展盆栽试验，分别设置CK（不施硅，不接种秆锈菌）、+Si-P（施硅，不接种秆锈菌）、-Si+P（不施硅，接种秆锈菌）和+Si+P（施硅，接种秆锈菌）4个处理，研究施用1.5 mmol/L硅对秆锈病菌侵染后燕麦叶片发病进程、活性氧含量和抗氧化酶活性等的影响。结果表明，施硅处理有效延缓了燕麦秆锈病的发病进程，且发病症状明显减轻；秆锈病菌侵染导致叶片O₂^-.和过氧化氢含量迅速升高，同时叶片超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等活性、丙二醛（MDA）含量及相对电导率迅速提升，抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性则迅速降低；在接种秆锈病菌后7 d内，施硅处理降低了叶片活性氧含量，同时提升了SOD、POD及CAT活性，降低了APX活性和MDA含量；在接种后11 d内，降低了叶片相对电导率。施硅增强了燕麦叶片的抗氧化防御能力，降低了膜脂过氧化程度，提高了燕麦对秆锈病的抗性。

关键词

硅 / 燕麦 / 秆锈病 / 活性氧 / 抗氧化酶

Abstract

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To explore the effects of silicon (Si) on the physiological characteristics of oat leaves infected by Puccinia graminis f. sp. avenae and clarify the physiological mechanism of silicon-induced resistance to stem rust, a pot experiment was conducted using ʻBayou 1ʼ, an oat cultivar highly susceptible to stem rust, as the experimental material. Four treatments were established: CK (no silicon, no stem rust pathogen inoculation), +Si-P (silicon application, no stem rust pathogen inoculation), -Si+P (no silicon, stem rust pathogen inoculation), and +Si+P (silicon application, stem rust pathogen inoculation). This study investigated the effects of 1.5 mmol/L silicon application on the disease progression, reactive oxygen species content, and antioxidant enzyme activities of oat leaves after stem rust pathogen infection. The results showed that silicon application effectively delayed the disease development process of oat stem rust, and significantly alleviated disease symptoms. Stem rust pathogen infection led to a rapid increase in O₂^-. and hydrogen peroxide content in leaves. Simultaneously, the activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), and catalase (CAT), malondialdehyde (MDA) content, and relative electrical conductivity of leaves increased rapidly, while ascorbate peroxidase (APX) activity decreased rapidly. Within seven days after stem rust pathogen inoculation, silicon application reduced the reactive oxygen species content in leaves, while increasing the activities of SOD, POD, and CAT, and decreasing APX activity and MDA content. Furthermore, silicon application reduced the relative electrical conductivity of leaves within 11 days after inoculation. Silicon application enhanced the antioxidant defense ability of oat leaves, reduced the degree of membrane lipid peroxidation, and enhanced oat resistance to stem rust.

Key words

Silicon / Oat / Stem rust / Reactive oxygen species / Antioxidant enzymes

引用本文

李英浩, 杨澳, 刘景辉, 田露, 米俊珍. 硅对燕麦抗秆锈病及抗氧化特性的影响. 作物杂志, 2026 , 42 (1) : 118 -124 . DOI: 10.16035/j.issn.1001-7283.2026.01.015

Yinghao Li, Ao Yang, Jinghui Liu, Lu Tian, Junzhen Mi. Effects of Silicon on Stem Rust Resistance and Antioxidant Properties in Oats[J]. Crops, 2026 , 42 (1) : 118 -124 . DOI: 10.16035/j.issn.1001-7283.2026.01.015

正文

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燕麦（Avena sativa L.）是营养与保健谷物，其籽粒富含蛋白质、维生素及β-葡聚糖等成分，可粮饲兼用^[1]。近年来，我国燕麦种植面积约70万hm²，产量约85万t，位居世界第8位^[2]。燕麦多生长于高寒、贫瘠和干旱等恶劣环境，具有抗旱、耐瘠薄和适应性强等特性，是我国北方及西北干旱冷凉等生态脆弱区的主要优势特色作物^[3]。燕麦秆锈病是典型的真菌病害，在我国燕麦主产区周期性发生，大幅度降低了籽粒产量与品质，严重制约燕麦产业可持续发展。近年来，随着燕麦市场需求增长，种植面积持续扩大，新品种不断涌现，其主产区秆锈病流行态势愈发严峻，内蒙古、吉林和河北等地尤为突出^[4]。目前，燕麦秆锈病抗性研究尚属空白，因此，提升燕麦的秆锈病抗性已成为我国燕麦生产中亟待解决的关键问题，对推动燕麦产业高质量发展具有重要意义。

研究^[5-7]证实，硅肥不仅能促进作物生长发育，提升产量与品质，还可有效增强作物的抗虫^[8]、抗病^[9-11]、抗旱^[12-13]、抗冻^[14]及耐盐性^[15]，缓解重金属胁迫^[16-17]，并提高抗辐射伤害能力^[18-19]。在抗病领域，硅元素可显著提升部分作物对真菌病害的抗性^[20]，如水稻白叶枯病^[21]、番茄根腐病^[22]、黄瓜炭疽病^[23]、番茄腐霉病^[24]及小麦锈病^[25]等。相较于传统化学农药防治，施用硅肥作为一种环境友好型综合病害防控手段既能增强作物抗病性，又能降低籽粒农药残留、提升作物品质，对推动农业绿色高质量发展具有重要意义。

植物活性氧（ROS）作为细胞新陈代谢的产物，主要包含超氧阴离子、过氧化氢（H₂O₂）和羟自由基等。在植物与病原菌的互作过程中，ROS的产生是植物抗病最早期的反应之一^[26]。多数植物体内存在与抗病性相关的抗氧化酶类，如超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）等，这些酶既能抑制ROS形成，又能清除已生成的ROS，进而延缓植物衰老，是缓解细胞ROS损伤的主要酶类。研究^[27-28]表明，在植物-病原菌互作过程中，硅可通过参与相关生理生化反应来提高感病植物体内抗氧化酶活性，从而增强植物抗病性。然而，目前硅增强植物抗病性的作用机理尚不完全明确，且硅在感染秆锈病的燕麦体内诱导抗病的机制尚未见报道。鉴于此，本研究以易感秆锈病的燕麦品种“坝莜1号”为材料，探究施硅对秆锈病菌侵染后燕麦叶片ROS含量和抗氧化酶活性的影响，以及其与燕麦秆锈病抗性诱导的关系，旨在从抗氧化特性角度揭示硅提高燕麦秆锈病抗性的生理机制，为研发新型燕麦秆锈病绿色防控措施提供理论依据。

1 材料与方法

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1.1 供试材料

选用易感秆锈病燕麦品种“坝莜1号”^[29]为试验材料。试验所用秆锈病菌（Puccinia graminis f. sp. avenae，以下简称Pga）（小种TKR）由沈阳农业大学病理学实验室提供。试验所用硅酸盐（K₂SiO₃）及其他化学试剂均为分析纯。

1.2 试验设计

采用盆栽试验方法，供试土壤为蛭石与泥炭土按质量比1:1的比例混合而成。泥炭土中N+P+K含量>10 g/kg，有机质含量>50 g/kg，pH 7.0~8.5。塑料盆高12 cm，直径15 cm，每盆装混合土1 kg，种子经NaClO消毒后播种于花盆中，每盆15粒。燕麦出苗后将花盆置于温室中进行培养，每隔3 d浇灌1次Hoagland营养液，每盆200 mL。每天光照时间13 h，用冷光源的白色荧光灯进行补光，光照时维持室温27 ℃，夜晚维持室温23 ℃。

设置4个处理，分别为CK（不施硅，不接种秆锈菌）、+Si-P（施硅，不接种秆锈菌）、-Si+P（不施硅，接种秆锈菌）和+Si+P（施硅，接种秆锈菌），每个处理重复3次。从燕麦出苗开始每隔3 d使用含1.5 mmol/L K₂SiO₃的Hoagland营养液（前期研究^[30]结果已证明该浓度抗病效果最佳）进行浇灌，不施硅处理加入含3.0 mmol/L KCl的营养液，以补充由于施硅量不同带来的钾含量差异，每盆浇灌200 mL。

待燕麦幼苗第一叶充分展开，即一叶一心时期，参照李天亚等^[4]的方法进行病原菌接种。将分离纯化后的秆锈病菌株置于培养皿内，首先用前端削成扁平的牙签挑取秆锈菌株，均匀涂抹于叶片背面，接种时各叶片涂抹菌要定量且保持一致。接种后的叶片用0.05%吐温20水溶液喷雾形成保湿膜，放置在16~18 ℃的黑暗环境中保湿16~20 h（图1）后，移入人工温室内进行培养，温度控制在20~25 ℃，14 h（光）/10 h（暗）。

分别于接种后1、3、7和11 d进行拍照，对比观察植株的抗病效应，并且分别在0 d（接种前）和接种后1、3、5、7、9和11 d采集各个处理下的燕麦叶片样品，用液氮冷冻，在-80 ℃下保存，用于生理指标的测定。

1.3 测定指标与方法

严重度为病叶上秆锈菌夏孢子堆所占面积与叶片总面积的百分率；参照Stewart等^[31]的分级标准判断最高病级；参照张国良等^[32]的方法测定超氧阴离子自由基（O₂^-.）含量；参照Jaleel等^[33]的方法测定H₂O₂含量；采用氮蓝四唑法^[34]测定SOD活性；采用氧化还原滴定法^[35]测定CAT活性；采用愈创木酚法^[35]测定POD活性；采用硫代巴比妥酸（TBA）法^[35]测定MDA含量；参照陈巧等^[36]的方法测定脂氧合酶（LOX）活性；参照Tan等^[37]的方法测定APX活性；参照李合生^[38]的方法测定质膜透性，即相对电导率（EC）。

1.4 数据处理

采用Excel 2016软件进行数据处理和作图，利用SPSS 22.0软件进行方差分析，运用新复极差法对显著性差异进行多重比较。

2 结果与分析

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2.1 施硅对燕麦秆锈病抗性的影响

在接种秆锈病菌的条件下，对施硅与不施硅处理的燕麦植株症状进行观察（图2）。接种后3 d，不施硅处理的燕麦叶片出现细小斑点，而施硅处理叶片未见症状；接种后7 d，施硅处理叶片开始出现斑点；接种后11 d，施硅处理叶片的秆锈病症状较不施硅处理明显减轻，与不施硅处理相比，施硅处理下秆锈病严重度降低35.61%，差异达显著水平（P<0.05）。

2.2 施硅对感病燕麦叶片ROS代谢的影响

O₂^-.和H₂O₂可通过启动膜脂过氧化或膜脂脱酯作用对植物造成损伤。如图3所示，在不接种秆锈病菌的条件下，无论是否施硅，燕麦叶片的O₂^-.和H₂O₂含量均无明显变化，且施硅与不施硅处理间的差异不明显。接种秆锈病菌后，叶片O₂^-.含量在侵染初期迅速上升，于接种后5 d达峰值后随即下降（图3a）；施硅处理下，叶片O₂^-.含量于接种后3 d达峰值，且在接种后1~7 d内较不施硅处理降低19.45%~35.66%。接种秆锈病菌后，不施硅和施硅处理下燕麦叶片H₂O₂含量均在侵染初期迅速升高，分别于接种后3 d和11 d达峰值（图3b）；在接种后1~7 d内，与不施硅处理相比，施硅处理下H₂O₂含量降低了20.41%~28.49%。综上，施硅可有效降低秆锈病菌侵染下燕麦叶片的ROS含量，进而提高其抗病性。

2.3 施硅对感病燕麦叶片保护酶系统的影响

不同处理下燕麦叶片保护酶系统的变化情况如图4所示。在不接种秆锈病菌时，无论是否施硅，燕麦叶片保护酶系统的各组分含量基本保持稳定，且施硅与不施硅处理间差异不明显。

SOD是植物识别病原物时产生初始抗性信息的关键酶，可催化O₂^-.发生歧化反应生成O₂和H₂O₂。接种秆锈病菌后，燕麦叶片SOD活性随接种时间的延长呈先升高后降低的趋势，于接种后3 d达峰值；施硅处理下，SOD活性在短时间内迅速上升，于接种后1 d即达峰值，随后迅速下降；与不施硅处理相比，施硅处理下的SOD活性在接种后1~11 d内提高5.98%~52.14%。POD可清除氧代谢过程中产生的H₂O₂。接种秆锈病菌后，无论是否施硅，POD活性均随接种时间的延长逐渐升高；与不施硅处理相比，施硅处理下的POD活性在接种后1~11 d内提高6.74%~35.99%。CAT在植物ROS代谢中可将H₂O₂分解为H₂O。在接种秆锈病菌的条件下，无论是否施硅，CAT活性在接种后3~7 d均呈先升后降的变化趋势；在接种后1~7 d内，施硅处理下的CAT活性较不施硅处理提高13.59%~26.18%；但施硅处理下的CAT活性自接种后7 d开始持续下降，至接种后9 d时低于不施硅处理。MDA是膜脂过氧化的主要产物，其含量可反映膜脂过氧化程度。接种秆锈病菌后，MDA含量均迅速升高，于接种后3 d达峰值后逐渐下降；在接种后1~11 d内，施硅处理下的MDA含量较不施硅处理降低9.52%~42.86%。APX是植物ROS代谢中的重要抗氧化酶之一，尤其是叶绿体中清除H₂O₂的关键酶。接种秆锈病菌后，施硅与不施硅处理下叶片APX活性均随接种时间延长呈先升后降的趋势；在接种后1~9 d内，与不施硅处理相比，施硅处理下的APX活性降低8.78%~24.94%。LOX在植物体内可作为抗菌性物质，参与植物衰老过程及抗病性过敏坏死反应，其代谢会产生ROS和氧自由基，导致细胞膜受损。接种秆锈病菌后，无论是否施硅，LOX活性均出现2个峰值；不施硅处理下，峰值分别出现在接种后3 d和7 d；施硅处理下，峰值均提前2 d，即出现在接种后1 d和5 d，且在大部分时间内，施硅处理下的LOX活性较不施硅处理提高。综上，施硅可有效提高秆锈病菌侵染下燕麦叶片的抗氧化酶活性，进而增强其抗病性。

2.4 施硅对感病燕麦叶片质膜透性的影响

不同处理对燕麦叶片质膜透性的影响如图5所示，在不接种秆锈病菌的情况下，施硅与不施硅处理的叶片EC均无明显变化。接种秆锈病菌后，施硅与不施硅处理的EC变化规律基本一致，侵染初期，叶片EC逐渐上升，接种后3~7 d进入平稳阶段，随后再次持续升高。在接种后1~11 d内，施硅处理下的EC较不施硅处理降低3.27~7.38个百分点。

3 讨论

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植物过敏性反应（如ROS的快速产生）是指植物受病原物侵染后，引发的局部、快速的细胞凋亡过程，该过程可有效阻止病原物扩散，同时伴随一系列防卫反应，增强植物抗病性^[39]。氧化爆发是植物对病原物侵染的早期响应，会引发膜脂过氧化，破坏膜系统，最终导致组织受损。本研究中，燕麦叶片受秆锈病菌侵染前期，O₂^-.和H₂O₂短暂且快速积累，积累的ROS在细胞环境中氧化有机化合物，引发膜脂过氧化，进而造成氧化伤害^[40]。大量积累的ROS使质膜透性增大，电解质大量外渗，致使MDA含量和EC明显上升。而细胞质膜过氧化主要产物MDA和EC的变化等是衡量细胞膜受损程度的重要指标^[41]。

鉴于ROS的高度反应特性，SOD、POD和CAT共同构成植物体内有效的ROS清除系统，可有效清除植物体内的自由基和过氧化物^[42]，这解释了燕麦接种秆锈病菌后，叶片SOD、POD和CAT活性迅速升高的现象。本研究结果显示，接种秆锈病菌后，燕麦叶片LOX活性明显升高，增强了膜脂过氧化，引发过敏反应，提高了燕麦对秆锈病的抗性。秆锈病发病后期，由于病原菌持续攻击，叶片细胞毒性增强，膜脂过氧化严重，导致叶片保护酶系统代谢紊乱，各抗氧化酶变化规律不一致。本研究中，秆锈病菌侵染初期，施硅处理提高了叶片SOD、POD和CAT活性，有助于叶片更快清除ROS和过氧化物，缓解膜脂氧化损伤，抑制电解质大量外渗，降低EC，从而提高燕麦对秆锈病的抗性。侵染后期，尽管ROS过量积累，抗氧化酶系统代谢紊乱，但施硅处理仍提高了SOD和POD活性，且发病后期施硅处理的CAT活性低于不施硅处理，这促进了H₂O₂的适量积累。H₂O₂具有直接抗菌作用，还可作为信号分子诱导其他防卫基因表达^[43]，而SOD、POD和CAT相互配合，有效帮助燕麦抵抗秆锈病菌。接种秆锈病菌后3 d，SOD活性开始降低，而施硅处理使叶片POD活性持续上升，表明硅维持了SOD和POD之间的协调性。张国良等^[27]发现水稻感染纹枯病菌后，施硅处理的MDA含量总体低于不施硅处理，而SOD活性始终高于不施硅处理；感病后第4天，施硅处理下SOD活性较低、POD活性较高，而不施硅处理的POD活性较低，说明感染纹枯病后，硅能够维持水稻叶片SOD和POD之间的协调性，这与本研究结果相似。

4 结论

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秆锈病菌侵染引发燕麦叶片膜脂过氧化，损害细胞膜，进而导致过敏性反应的发生。外源硅可增强燕麦对秆锈病的抗性，施硅能够帮助燕麦清除体内的活性氧，减轻细胞膜的氧化损伤。

基金

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燕麦全产业链科技创新团队(BR22-12-05)
国家燕麦荞麦产业技术体系项目(CARS-07)
国家重点研发计划国际合作重点专项(2018YFE0107900)

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文献

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2026年第42卷第1期

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doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2026.01.015

接收时间：2024-09-19
首发时间：2026-04-30
出版时间：2026-02-15

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作者

出版历史

收稿日期：2024-09-19
修回日期：2024-11-08

基金

燕麦全产业链科技创新团队(BR22-12-05)

国家燕麦荞麦产业技术体系项目(CARS-07)

国家重点研发计划国际合作重点专项(2018YFE0107900)

作者信息

¹内蒙古农业大学农学院/内蒙古高校燕麦工程研究中心/燕麦内蒙古自治区工程实验室/内蒙古农业大学杂粮产业协同创新中心，010019，内蒙古呼和浩特

²内蒙古自治区农牧业科学院，010031，内蒙古呼和浩特

通讯作者:

刘景辉，主要从事作物栽培学与耕作学研究，E-mail：cauljh@163.com

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/zwzz/CN/10.16035/j.issn.1001-7283.2026.01.015

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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