小麦孢囊线虫病在我国广泛存在,黄淮麦区的受害面积和程度尤其严重,对小麦的安全生产造成严重威胁。危害我国小麦的孢囊线虫主要有菲利普孢囊线虫(Heterodera filipjevi)和燕麦孢囊线虫(Heterodera avenae)两种,自2010年我国河南许昌发现菲利普孢囊线虫的为害以来,其发生面积不断扩大,为害程度日趋严重。硅作为一种诱导因子,在植物抗病性方面具有重要的作用,目前对于硅的诱导植物抗性的报道主要集中在纹枯病、稻瘟病、白粉病等病害上,然而施用硅肥诱导小麦防御孢囊线虫病的作用机制相关研究鲜有报道。本研究的研究对象为小麦,采用室内盆栽试验,硅肥采用拌土的方式施用,孢囊线虫为菲利普孢囊线虫(H.filipjevi)。本研究主要分为三部分进行,试验一:采用施用硅肥与接种孢囊线虫5×2设计,其中5个供硅水平分别为0、0.25、0.5、1、2g/kg,孢囊线虫侵染分为不接虫(Si0、Si0.25、Si0.5、Si1、Si2)和接虫(Si0N、Si0.25N、Si0.5N、Si1N、Si2N)两个水平,接虫2个月后采样,通过测定小麦单株孢囊量、地上部鲜重、地下部鲜重、株高、SPAD值、根系形态和根系活力指标,评价硅肥对小麦抗孢囊线虫病效应的影响并找出抗孢囊线虫病最优的硅肥浓度。试验二:利用试验一筛选出来的最优硅肥浓度进行试验,设置施用硅肥与接种孢囊线虫的两因素两水平完全试验设计,共分为四个处理:不施硅不接虫(CK)、施硅不接虫(Si)、不施硅接虫(N)、施硅接虫(SiN),接虫2个月后采样,通过测试小麦地上部、地下部硅含量、营养物质(可溶性糖、可溶性蛋白、游离氨基酸)、次生代谢物质(木质素、总酚)和活性氧含量的变化,初步探究施用硅肥对小麦防御孢囊线虫病的生理生化机制。试验三:利用最优硅浓度(0.5 g/kg)进行试验,设置CK、N、Si和SiN四个处理,通过对比接种孢囊线虫条件下不施硅(N)和施硅(SiN)两个处理,在接虫0、12、24、48、72、96h后,小麦抗性相关酶(MDA、LOX、CAT、SOD、PPO、PAL)活性和抗性相关基因(PAL基因、AOS基因、Chi3基因、Glu1基因)表达量的动态变化,选取小麦对接种孢囊线虫反应最敏感时间点,提取该时间点的CK、Si、N、SiN四个处理根系的总RNA,通过RNA-seq对小麦施硅组(SiNvsSi)和对照组(NvsCK)接种孢囊线虫后的差异基因进行分析,进一步从分子层面探讨施用硅肥诱导小麦防御菲利普孢囊线虫的抗性机理,深入揭示施用硅肥提高小麦抗孢囊线虫病的分子机制,为更好地利用诱导抗性相关基因治理作物线虫病害提供理论依据。试验结果如下:(1)添加不同浓度的硅肥后,菲利普孢囊线虫孢囊量均有所减少,小麦生长发育亦有所提高,其中浓度为0.5 g/kg的硅肥处理对小麦生长促进最明显,对菲利普孢囊线虫的抗性效果最好。与对照相比,0.5 g/kg硅肥处理的小麦单株孢囊量减少了 67.74%;地上部鲜重、株高和SPAD值分别显著提高了 55.95%、38.50%和31.58%;地下部鲜重、根总长、根表面积、根体积、根尖数和根系活力分别显著提高了 113.62%、28.81%、37.98%、77.65%、145.87%和 59.46%。(2)用上述结果中筛选出来的最优硅肥浓度0.5 g/kg进行施用硅肥对提高小麦防御菲利普孢囊线虫的生理生化机制探究。研究结果显示,菲利普孢囊线虫侵染后,施硅0.5 g/kg处理的小麦地上部和地下部硅含量比不施硅处理显著高出57.41%和57.49%,硅素在小麦表皮细胞沉积形成“角质-双硅层”结构,提高了小麦的机械抗性;不接种孢囊线虫条件下,与不施硅处理相比,施硅处理的可溶性糖、可溶性蛋白和总酚含量分别显著提高了 44.60%、72.66%和35.55%,即施硅可提高组成型可溶性糖、可溶性蛋白和总酚含量;接虫植株与不接虫植株可溶性糖、游离氨基酸、木质素和总酚含量的差值,随着硅肥的施用而升高,即施硅可提高诱导型可溶性糖、游离氨基酸、木质素和总酚含量;接虫植株与不接虫植株可溶性蛋白和活性氧含量的差值,随着硅肥的施用而降低,即施硅可降低诱导型可溶性蛋白和活性氧含量;因此,施用硅肥通过对小麦硅含量、营养物质、次生代谢物质以及活性氧的影响,从小麦的机械抗性、组成型抗性和诱导型抗性三方面,提高了小麦对孢囊线虫病的抗性,初步明确了硅肥对小麦防御孢囊线虫病的生理生化机制。(3)采用动态取样试验检测了小麦相关防御酶以及抗性基因的变化,结果表明,在小麦接种菲利普孢囊线虫初期,施硅可以通过影响小麦体内代谢,在12 h时提高脂氧合酶(LOX)活性和丙二醛(MDA)含量,随后降低;过氧化氢酶(CAT)活性呈现先降低后升高的趋势;超氧化物歧化酶(SOD)活性、酚类物质相关酶(PPO、PAL)活性均呈现先升高后降低的趋势,且转折点均是在48 h处;施硅处理的PAL基因表达量在接虫12 h后显著上调,而AOS基因和Glu1基因的表达量在接虫48 h后显著上调,Chi3基因在施硅处理条件下接虫12 h时表达量达到最大,而不施硅处理条件下接虫48 h时达到最大。因此,施硅通过对小麦抗性相关酶和抗性相关基因的诱导和调控,从而增强了小麦对孢囊线虫的抗性,且在接虫48 h时,施硅对小麦抗性相关物质变化影响最显著。(4)对上述反应最敏感时间点48h的小麦根样品进行转录组测序分析。结果表明,在施硅和不施硅条件下接种菲利普孢囊线虫前后共同上调的差异基因在KEGG注释分析中显著富集到的Pathway有内质网的蛋白质加工、醚脂代谢、甘油磷脂代谢、糖酵解/糖异生、类黄酮生物合成等;施硅条件下接虫前后特异上调差异基因在KEGG注释分析中显著富集到的Pathway有苯丙素生物合成、植物-病原相互作用、植物激素信号转导、卟啉与叶绿素代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、脲醌和其他萜类-醌生物合成等。施用硅肥通过影响这些代谢通路的基因表达,引起相应的抗性物质变化从而提高了小麦对孢囊线虫病的抗性,揭示了施硅提高小麦抗孢囊线虫病的分子机制。因此,在菲利普孢囊线虫与小麦互作过程中,硅不仅通过物理屏障这一机制起作用,还通过参与调控小麦体内抗病相关信号转导途径中基因的表达,引起一系列生理生化反应,从而起到防御孢囊线虫病的作用。本研究初步明确了施用硅肥提高小麦防御菲利普孢囊线虫的生理生化抗性机制以及分子抗性机制,为深入了解研究外源化合物诱导植物对线虫病害抗性机制奠定了基础。