根结线虫胁迫下桃砧木的根系构型变化、生长动态与生化响应

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Root architecture alterations, growth dynamics and biochemical responses of peach rootstocks under Meloidogyne incognita stress

　　

摘要

根结线虫（Meloidogyne spp.）造成桃（Prunus persica）产量损失达25–80%，对亚热带地区日益扩展的低需冷量桃栽培构成严重威胁。培育抗线虫砧木需要能够在整个宿主反应时间跨度上可靠捕捉其表型的全光谱表型工具。本研究在网室条件下，以Meloidogyne incognita进行16个月的受控侵染，评价了一个由抗线虫砧木'Sharbati'与感线虫砧木'Flordaguard'杂交获得的F₂分离群体，并同时包含两个亲本系。幼苗根据包含根结数量、根结大小和结瘤根面积的三参数损伤指数，被分为五个差异感病等级。形态与营养生长在四个时间点（4、8、12和16个侵染月，MPI）进行评估；根系构型在6 MPI时进行评估；季节性线虫动态在2023年的四个季节（2月、6月、9月和12月）记录。叶片性状的表型差异从接种后8个月开始出现显著差异，而株高和茎粗的差异则在12–16 MPI后才显现，从而确立了12–16 MPI为桃中最早可靠的表型鉴定窗口。株高和叶片数是对感病性最敏感的指标，RKN接种使感病'Sharbati'的最终株高降低了28%。根系扫描显示根系完整性随感病程度增加而逐步下降：感病等级表现出根尖减少90.3%、总根长下降63.2%以及根特异长度减少46.5%。Fg-N、DI-1和DI-2维持了与未接种对照相当的根系构型、分枝度、细度和组织密度。关键的是，'Flordaguard'根系在任何季节评估中均未见定居雌虫或卵块，尽管偶尔出现根结，这表明线虫发育受到限制，而这一点仅从外部根结评分中并不明显。6 MPI时根组织的生化分析显示，抗性组（Fg-N、DI-1、DI-2）比感病组表现出更高的木质素含量、总酚浓度、PAL和POD活性，以及更低的MDA积累。线虫根结和繁殖活动的峰值出现在6月和9月，表明在这些网室条件下这两个月是抗性表型鉴定的有利窗口。

引言

桃（Prunus persica L. Batsch）是一种主要的核果类作物，全球年产量达2420万吨[1]。传统上，由于其高需冷量（500至1000小时）[2]，桃种植局限于温带地区；然而，低需冷量品种（100–400冷量小时）的培育使其得以扩展至亚热带地区[3]。桃主要以嫁接方式栽培，其中砧木决定了土壤适应性、资源获取以及对土传生物胁迫的耐受性，因此砧木选择对于提高扩展产区作物生产力至关重要。

亚热带地区桃砧木的性能受到一种主要生物因素的制约：根结线虫（RKN；Meloidogyne spp.）[4]。这些专性内寄生生物以二龄幼虫（J2）形式在伸长区穿透植物根系，向维管柱迁移，并诱导形成特化的取食结构作为永久性营养汇[5,6]。由此产生的根结可破坏维管连续性并损害根系功能。这些后果在桃等多年生木本作物中尤为严重，因为连续生长季的反复侵染可减少根系生物量并破坏根系构型，从而限制在达到商业结果年龄之前建立足够的根系。归因于Meloidogyne spp.的生产力损失估计可达25–80%，具体取决于线虫密度、土壤类型和宿主感病性[4,7]。尽管有许多化学杀线虫剂可用，但其使用受限于法规限制和环境担忧[8]，凸显了对遗传抗性砧木的需求。

Prunus属植物对RKN的抗性在生物学上复杂，可能在宿主–寄生物互作的多个阶段发挥作用，包括J₂侵入、取食位点建立和线虫繁殖[4,9]。然而，以往研究报告指出，根结形成与繁殖成功并不总是紧密耦合；具有根结的基因型仍可能限制雌虫发育和卵块产生，从而使一个基因型在宏观上看似感病，而实际上表现为部分抗性[7]。这种解离意味着仅基于根结计数的评估可能低估抗性程度，特别是在分离群体中，反应可能跨越连续的表型谱而非离散等级，因此多参数表型鉴定对于准确表征是必需的。

'Sharbati'和'Flordaguard'是亚热带桃种植区使用的两种主要砧木。'Sharbati'对RKN高度感病，而'Flordaguard'虽然抗性，但无法耐受亚热带桃种植区普遍存在的碱性土壤条件[10]。因此，将'Flordaguard'的抗性导入'Sharbati'背景中是一种有前景的策略。桃对RKN的抗性被认为与一个显性单基因（RMia，连锁群2；[11]）相关，尽管在多样化种质中其底层遗传架构可能更为复杂，由此杂交获得的F₂群体预期会在抗性上发生分离，从而覆盖完整的抗性表型谱。

然而，来自'Sharbati'×'Flordaguard'的分离F₂群体中，不同感病等级间的形态营养后果、根系构型反应和季节性线虫动态此前尚未被表征，这对于砧木改良是一个重要的知识空白。根系构型是多年生果树作物资源获取的主要决定因素，然而其对差异性RKN压力的反应很少被定量研究[7,12]。同样，线虫活动受季节变化强烈调节[13,14]，而雌虫建立和卵块产生的时间动态在桃的不同感病等级跨多个季节的分布仍记录不足。因此，本研究在受控M. incognita侵染条件下，评价了分离F₂桃群体不同感病等级间的形态营养生长、根系构型、季节性线虫动态和生化反应，旨在确定用于抗性筛选的可靠表型性状和鉴定窗口，并表征根组织中与分析性差异感病性相关的生化反应。

章节片段

植物材料和杂交设计

本研究使用了两种桃砧木品种，即Sharbati（RKN感病）和Flordaguard（RKN抗性）的种子，以及它们的F₂杂交后代。F₂群体通过两代杂交程序获得。F₁代由'Sharbati'（♀）与'Flordaguard'（♂）杂交获得，随后在受控条件下自交授粉以产生F₂群体。

两个亲本系和F₂群体的种子均收集自

差异性线虫感病性下的营养生长轨迹

双向混合模型方差分析检测到所有六个形态营养性状均具有高度显著的感病组和评估时间主效应，以及显著的组×时间交互效应（表2）。G×T交互效应揭示了九个群体并未遵循相似的生长模式；相反，它们在16个月的评估期间以不同的速率逐步分化。最强的交互效应出现在叶面积上（偏η²=0.717），表明

RKN侵染下地上部症状的延迟表达

本研究追踪了抗性、感病和分离桃基因型在Meloidogyne incognita侵染下跨越16个月四个评估间隔的营养生长表现。本研究的一个关键发现是，感病组随时间表现出截然不同的生长轨迹，这由高度显著的组×时间交互效应证实（表2）。在4 MPI时组间差异可忽略不计，仅在12 MPI后才开始显现，从而回应了现有

结论

据我们所知，本研究是首次在持续Meloidogyne incognita压力下，同时表征分离F₂桃群体在不同DI等级间形态营养、根系构型和线虫季节性反应的研究之一。从该工作中得出四项对砧木育种具有实际意义的结论。

首先，在本条件下，与RKN相关的株高和茎粗差异仅在大约12 MPI后变得明显可检测

CRediT作者贡献声明

Uday Raj Patial：撰写—原稿、软件、调查、形式化分析、数据整理。Anirudh Thakur：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。Harminder Singh：可视化、验证、监督、资源、项目管理。Sukhjeet Kaur：监督、资源、项目管理、方法论。Rajnish Kumar Verma：监督、资源。Amandeep Mittal：监督、项目

数据透明性

本研究所产生和分析的数据集，以及用于统计分析的R脚本，均可作为补充数据随本文档提供。

生成式人工智能在科学写作中的使用声明

作者使用生成式人工智能工具进行语言润色。作者已审阅并编辑了内容，并对最终手稿承担全部责任。

资助

我们感谢DST-SERB在"桃中根结线虫抗性砧木的高分辨率图谱构建与开发"项目下提供经费以开展本实验。

利益冲突声明

所有作者声明他们不存在利益冲突。

致谢

作者感谢旁遮普农业大学（卢蒂亚纳）提供场地和材料；DST-FIST提供实验室和仪器设备设施以开展这些实验。特别感谢技术工作人员在实验过程中的协助。

Uday Raj Patial|Anirudh Thakur|Harminder Singh|Sukhjeet Kaur|Rajnish Kumar Verma|Amandeep Mittal|Dharminder Bhatia

印度卢蒂亚纳旁遮普农业大学果树学系，邮编141004