苯并噻二唑类系统获得性抗性诱导剂在春大麦上的田间防效评估

《Applied Sciences》：Field Efficacy of Two Benzothiadiazole-Based Systemic Acquired Resistance Inducers in Spring Barley

　　

摘要专业翻译 叶部病害降低大麦生产力并可能损害籽粒物理品质，而植物防御的反复激活可能带来代谢成本。本项为期两年的田间研究评估了两种先前已表征的基于苯并噻二唑的系统获得性抗性（systemic acquired resistance，SAR）诱导剂——N-甲氧基-N-甲基苯并[1,2,3]噻二唑-7-甲酰胺（BTHWA）和二癸基二甲基铵苯并[1,2,3]噻二唑-7-羧酸盐（[N111010][BTHCOO]）——能否在不损害作物产量的前提下抑制叶部病害。每年试验均采用随机完全区组设计，设四个区组，六种处理在每个区组中各出现一次。两种化合物均以每次施用5或10 g a.i. ha?1的剂量施用六次；以未处理对照和两次施用的杀菌剂方案作为参照。在BBCH 59和77生育期评估病害严重度，收获时测定籽粒产量、千粒重、容重和水分含量。与未处理对照相比，两种化合物均降低了病害严重度，但统计显著性取决于化合物种类、施用剂量、病原体和评估日期。10 g a.i. ha?1处理通常比同种化合物的相应5 g a.i. ha?1处理提供更强的病害抑制效果，并产生显著高于未处理对照和相应低剂量处理的籽粒产量。杀菌剂方案通常提供最强的病害控制和最高的产量。两种化合物均未对千粒重或容重产生不利影响。这些发现支持在春大麦综合保护中开发基于苯并噻二唑的SAR诱导剂，优化重点应放在施用时机、频率和减量杀菌剂方案上。

论文解读文章

一、研究背景与目的

大麦（Hordeum vulgare L.）是全球最重要的谷类作物之一，在制麦、饲料和食品工业中具有关键作用。然而，真菌性叶部病害的加剧正对大麦产量和籽粒品质构成日益严峻的威胁。长期以来，化学杀菌剂一直是谷物栽培中抵御病原菌的主要防线，但过度依赖杀菌剂已引发病原菌抗药性种群的出现、生物多样性扰动以及人类和环境健康风险等问题。在此背景下，利用植物自身天然防御机制作为病害管理替代策略受到广泛关注。诱导抗性依赖于植物在接触天然或合成激发子后增强其先天防御机制的能力，其中系统获得性抗性（systemic acquired resistance，SAR）是核心组成部分，与水杨酸（salicylic acid，SA）积累及病程相关（pathogenesis-related，PR）基因的转录激活密切相关。

目前研究最深入的SAR诱导剂是苯并[1,2,3]噻二唑-7-羧酸S-甲酯（BTH，即ASM），即先正达公司商品制剂Actigard 50 WG和Bion 50 WG的有效成分。然而BTH水溶性有限，约为7 mg L^?1。研究人员的早期工作聚焦于设计和合成BTH的新型衍生物，包括中性化合物和离子盐（离子液体），旨在提高水溶性的同时保持或增强生物活性。其中，N-甲氧基-N-甲基苯并[1,2,3]噻二唑-7-甲酰胺（BTHWA）和二癸基二甲基铵苯并[1,2,3]噻二唑-7-羧酸盐（[N₁₁₁₀₁₀][BTHCOO]）在烟草-烟草花叶病毒模型中表现出高效的SAR诱导能力，显著上调PAL、NPR1和PR-1b等SAR标记基因的表达，并显著抑制病毒RNA复制。然而，离子修饰带来的理化性质改变并不必然转化为生物活性的提升，每种新设计的离子衍生物都应被视为独立物质，其生物学表现和农艺适用性需要实验验证，最终须在田间条件下检验。此外，防御激活并非农艺上中性的事件，强烈或不当的防御反应可能改变植物资源分配，在某些条件下存在降低作物生产力的风险。因此，田间评估植物激活剂不仅要考虑病害抑制效果，还应考察其对产量和籽粒品质性状的影响。

本研究旨在自然病害压力下评估两种此前已表征的苯并噻二唑类SAR诱导剂BTHWA和[N₁₁₁₀₁₀][BTHCOO]在春大麦上的田间防效。由于抗性诱导剂的效果可能强烈依赖于施用方案，两种化合物以约14天间隔重复施用六次，并设置每次施用5和10 g a.i. ha^?1两个剂量水平以考察田间防效的剂量依赖性。研究人员提出三个假设：第一，两种化合物均能相对未处理对照降低叶部病害严重度；第二，较高剂量能提供更强且更一致的病害抑制效果；第三，SAR诱导剂的重复施用不会对籽粒产量或物理品质参数造成农艺上可检测的损失。

二、研究设计与关键技术方法

本研究在波兰波兹南生命科学大学戈任研究教育中心的试验田开展，供试春大麦品种为Iron。两年试验均采用随机完全区组设计（randomized complete block design，RCBD），设四个完整区组，每个区组包含六种处理各一个小区：未处理对照（UTC）、杀菌剂参照、[N₁₁₁₀₁₀][BTHCOO] 5和10 g a.i. ha^?1、BTHWA 5和10 g a.i. ha^?1。每小区面积24 m²（10 m × 2.4 m），4月第二周播种，播种量185 kg ha^?1，播种深度3 cm，行距15 cm。8月第一周使用Wintersteiger联合收割机从15 m²收获面积（10 m × 1.5 m）进行收获。所有药剂均采用小区喷雾器施用，喷雾量230 L ha^?1，所有喷液均添加0.05%（v/v）的Trend 90 EC助剂。SAR诱导剂处理约每14天一次共六次，首次处理安排在杀菌剂首次施用之前。病害严重度按照EPPO标准PP 1/26(3)进行目测评估，每个小区随机选取30片叶逐一评估后取平均值。籽粒产量在生理成熟期（BBCH 89）测定，收获籽粒称重并按EPPO指南校正至15%含水量，同时测定千粒重（thousand-grain weight，TGW）和容重（hectolitre weight，HLW）。产量相关参数采用适用于跨两年RCBD的联合方差分析，病害严重度数据按年份分别进行方差分析，处理均值采用Tukey's HSD检验（α = 0.05）进行比较，效应量以eta平方（η²）表示。

三、主要研究结果

3.1 天气条件

2015和2016两个生长季的温度和降水模式与长期平均值相比存在显著差异。2015年温暖且相对干燥，降雨有限；2016年则更湿润，降雨频繁。2016年较高的降水量可能有利于某些叶部病原菌的发生，但病害组成和严重度在两年间也存在差异。

3.2 病害严重度评估

两年间春大麦叶部病害谱不同，因此对病害严重度按年份分别分析。2015年主要病原为Pyrenophora teres（大麦网斑病）和Rhynchosporium secalis（谷类叶斑病），2016年主要病原为Pyrenophora teres（大麦网斑病）和Blumeria graminis f. sp. hordei（白粉病）。

2015年第一次评估（BBCH 59）时，所有测试处理均显著降低两种病害相对未处理对照的严重度，杀菌剂处理病害最轻。10 g a.i. ha^?1处理均显著优于同种化合物5 g a.i. ha^?1处理，且与杀菌剂处理无显著差异。BTHWA 5 g a.i. ha^?1对网斑病的抑制显著优于[N₁₁₁₀₁₀][BTHCOO]同剂量处理。2015年第二次评估（BBCH 77）时，SAR诱导剂的相对防效低于BBCH 59期。10 g a.i. ha^?1处理仍显著优于5 g a.i. ha^?1处理，但高剂量处理的防效显著低于杀菌剂处理。

2016年第一次评估时，所有测试处理均显著降低白粉病和网斑病相对未处理对照的严重度，杀菌剂处理病害最轻。对于网斑病，BBCH 59期两种化合物10 g a.i. ha^?1处理均显著优于5 g a.i. ha^?1处理；BBCH 77期仅BTHWA表现出显著剂量差异。对于白粉病，[N₁₁₁₀₁₀][BTHCOO]两个剂量间无显著差异，而BTHWA 10 g a.i. ha^?1在两个评估日期均显著优于5 g a.i. ha^?1处理。所有SAR诱导剂处理的病害严重度均显著高于杀菌剂处理。

3.3 籽粒产量与物理品质参数

年份显著影响籽粒含水量、校正至15%含水量的籽粒产量、千粒重和容重，收获籽粒质量在年份间无显著差异。2015年的籽粒产量、千粒重和容重均显著高于2016年，而收获时籽粒含水量2015年（11.92%）显著低于2016年（18.45%）。

处理效应方面，未处理对照、[N₁₁₁₀₁₀][BTHCOO] 5 g a.i. ha^?1和BTHWA 5 g a.i. ha^?1处理的收获籽粒质量和校正产量最低。两种化合物10 g a.i. ha^?1处理均显著高于相应5 g a.i. ha^?1处理和未处理对照，杀菌剂处理最高。处理对籽粒含水量有统计学显著但效应量很小的整体影响（F(5,30) = 3.08，p = 0.023，η² = 0.019），但Tukey's HSD检验未区分出个体处理均值。千粒重和容重不受处理显著影响。

方差分析结果显示，处理是收获籽粒质量变异的最大来源（η² = 0.792），处理对校正籽粒产量贡献了65.3%的总变异，年份贡献18.1%，年份×处理交互作用不显著且效应量极小（η² = 0.009），表明两年间处理的相对响应一致。

四、讨论与结论

讨论部分指出，两种SAR诱导剂在田间自然条件下均保持了生物活性，10 g a.i. ha^?1剂量通常提供更强且更一致的病害抑制和产量响应，且未对千粒重和容重产生不利影响。杀菌剂方案仍是病害控制和产量表现的最佳参照。研究结果表明，反复激活植物防御在所用处理方案下未产生农艺上可检测的生长或产量损失，高剂量处理的正向产量响应可能源于病害减轻对功能叶面积的保护以及苯并噻二唑衍生物对光合作用、抗氧化代谢等生理过程的潜在影响，但具体机制无法基于本试验确定。研究同时指出，六次施用的方案应视为初步田间验证方案而非商业推荐方案，未来优化应聚焦于确定最低有效施用次数和最佳施用时机，并评估SAR诱导剂与常规杀菌剂全量或减量组合的综合防治方案。研究还存在单站点、单品种、缺乏BTH亲本化合物对照等局限性，需在更多地点、品种和病害环境下进行验证。

研究结论部分翻译如下：本研究证明两种此前已表征的苯并噻二唑类SAR诱导剂BTHWA和[N₁₁₁₀₁₀][BTHCOO]在春大麦自然田间条件下保持了生物活性。两种化合物均相对未处理对照降低了叶部病害严重度。每次施用10 g a.i. ha^?1的剂量通常比同种化合物相应5 g a.i. ha^?1处理提供更强且更一致的病害抑制效果，尽管该剂量响应的显著性取决于病原体和评估日期。重要的是，较高剂量还提高了籽粒产量，且未对千粒重或容重产生不利影响。因此，所用处理方案下植物防御的反复激活未造成农艺上可检测的生长或产量损失。处理是籽粒产量变异的主要来源，占总观察变异的65.3%，年份占18.1%。可忽略的年份×处理交互作用表明，尽管环境条件和病害压力存在差异，相对产量响应在两个生长季间保持一致。这些结果代表了将先前通过生物学筛选选出的化学设计苯并噻二唑衍生物转化为实际田间应用的重要一步。后续开发应聚焦于选择最有前景的化合物、优化施用剂量、时机和次数，并评估将SAR诱导剂与全量或减量常规杀菌剂相结合的综合防治方案。一旦确定最优处理策略，应在更多品种、地点和生长条件下进行更广泛的验证。