連作障礙發(fā)生機(jī)理研究進(jìn)展①

侯 慧，董 坤，楊智仙，董 艷*，湯 利，鄭 毅,4

(1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，昆明 650201；3 云南大學(xué)，昆明 650091；4 西南林業(yè)大學(xué)，昆明 650224)

連作障礙發(fā)生機(jī)理研究進(jìn)展①

侯 慧1，董 坤2，楊智仙3，董 艷1*，湯 利1，鄭 毅1,4

(1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，昆明 650201；3 云南大學(xué)，昆明 650091；4 西南林業(yè)大學(xué)，昆明 650224)

隨著集約化種植程度的不斷提高，作物連作導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降，土傳病害嚴(yán)重發(fā)生，嚴(yán)重制約了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，連作障礙發(fā)生機(jī)理一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多方面、多角度對(duì)連作障礙進(jìn)行了研究，但這些研究多集中于單一因素分析，缺乏對(duì)不同因子內(nèi)在相互關(guān)系和本質(zhì)的了解，未能深入揭示連作障礙發(fā)生的真正原因。深入認(rèn)識(shí)連作障礙的成因及各要素間的互作關(guān)系是防控作物土傳病原微生物生長(zhǎng)、緩解連作障礙、實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)的基礎(chǔ)。本文從土壤理化性狀及生物學(xué)性狀惡化、植物生理抗性下降和連作自毒作用等方面系統(tǒng)綜述了連作障礙發(fā)生機(jī)理，分析了連作障礙因素間的相互關(guān)系并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望，以期為尋找安全、環(huán)保和有效的緩解措施提供理論依據(jù)。

連作障礙；土傳病害；自毒作用；根際微生物

經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的飛速發(fā)展，使高產(chǎn)品種單一連作種植在我國(guó)嚴(yán)重發(fā)生，商品化生產(chǎn)加劇了作物連作現(xiàn)象的發(fā)生[1]。作物連作以高投入和高產(chǎn)出為特點(diǎn)，且對(duì)農(nóng)藥的依賴程度較高，隨之而來(lái)的連作障礙問(wèn)題日益突出，其中以土傳病害發(fā)生和作物生長(zhǎng)受抑為主要表現(xiàn)，連作障礙已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題之一[2]。從發(fā)病面積和相對(duì)比例上看，目前我國(guó)是世界上作物土傳病害發(fā)生率最高和最嚴(yán)重的國(guó)家，我國(guó)農(nóng)藥使用量持續(xù)增加與土傳病害的頻繁發(fā)生密切相關(guān)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)，甚至負(fù)增長(zhǎng)目標(biāo)，首先必須防控作物土傳病害的農(nóng)藥使用量[1]。因此探究作物連作障礙的成因及尋求克服或緩解措施已成為亟待解決的問(wèn)題[3–4]。作物連作現(xiàn)象在時(shí)間和空間上有很大的跨度，一方面，早在公元前 300 年就出現(xiàn)了連作現(xiàn)象，隨之而來(lái)的連作障礙也不可避免；另一方面，連作在世界各地普遍存在，在亞洲的日本、中國(guó)和印度等地均有較大面積的分布[5]。許多大田作物、經(jīng)濟(jì)作物、園藝植物(包括瓜果類蔬菜和觀賞花卉)和中草藥等都存在不同程度的連作障礙問(wèn)題，尤其以中草藥和蔬菜作物發(fā)生連作障礙較為普遍且嚴(yán)重[6]。

連作障礙是長(zhǎng)期以來(lái)困擾農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜問(wèn)題，作物連作障礙形成機(jī)理與防治一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者分別從土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)和化感作用等方面對(duì)連作障礙的機(jī)理進(jìn)行了研究并取得了一些很有意義的結(jié)論。本文根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在連作障礙方面的研究進(jìn)展，概述了作物連作障礙的危害及成因的最新研究進(jìn)展，并分析了連作障礙各形成因素間的相互關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)連作障礙發(fā)生原因及形成機(jī)理具有重要作用，旨在為促進(jìn)作物生長(zhǎng)并減輕土傳病害發(fā)生、實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)、促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 連作的危害

1.1 連作種植對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

連作種植不同程度地影響了作物的植株形態(tài)、葉片的光合生理特性和活性氧代謝。作物株高降低、葉面積減小、葉綠素含量降低、光合速率下降等是作物對(duì)連作的負(fù)反饋。通常這種效應(yīng)與作物連作年限相關(guān)，連作年限的增加將加劇上述危害。如三七連作 2 年后種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)最低，且顯著低于對(duì)照[7]。隨連作年限延長(zhǎng)，辣椒地上部干鮮重顯著下降，株高、莖粗均呈下降趨勢(shì)，且在連作 8 年差異達(dá)到顯著水平[8]。作物連作不僅抑制地上部的發(fā)育，而且阻礙作物地下部的生長(zhǎng)。根系作為作物水分及土壤營(yíng)養(yǎng)元素的吸收器官也影響著氨基酸和激素等重要代謝物質(zhì)的合成，作物根系能夠?qū)ν饨缑{迫做出反應(yīng)并反饋給地上部，直接影響作物的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)狀況及產(chǎn)量水平。長(zhǎng)時(shí)間連作條件下，馬鈴薯植株根系活力和總吸收面積顯著下降，使根系對(duì)養(yǎng)分及水分吸收能力減弱，減少了代謝物質(zhì)的合成，進(jìn)而影響塊莖膨大和干物質(zhì)填充，這共同影響了塊莖產(chǎn)量的形成和地上部植株的正常生長(zhǎng)發(fā)育[9]。連作土壤中的根皮苷、間苯三酚、根皮素、對(duì)羥基苯甲酸和肉桂酸均抑制了平邑甜茶幼苗的生長(zhǎng)，且對(duì)根系的影響程度高于地上部分，表現(xiàn)為根系中保護(hù)酶活性降低，根冠比降低，增加了過(guò)氧化氫 (H2O2)、超氧陰離子自由基 (O2·–) 以及丙二醛 (MDA) 含量，線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔 (MPTP)開(kāi)放程度增大，線粒體膜電位降低，細(xì)胞色素Cyt c/a比值下降[10]。

1.2 連作種植對(duì)作物病害發(fā)生的影響

現(xiàn)代單一作物種植模式下，作物生長(zhǎng)期病原微生物的生長(zhǎng)和繁殖速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)種植模式。隨寄主作物連作年限的增加，病原微生物數(shù)量終將超過(guò)發(fā)病臨界值，導(dǎo)致土傳病害發(fā)生。同一作物連續(xù)種植時(shí)，因無(wú)病原微生物數(shù)量的自然衰減過(guò)程，在更短的種植時(shí)間內(nèi)，土傳病原微生物的數(shù)量即可達(dá)到使作物致病的臨界水平[1]。當(dāng)歸、丹參、黃瓜、茄子、蠶豆、花生、小麥、番茄、西瓜、煙草等多種作物和中藥材連作種植均可導(dǎo)致土傳病害嚴(yán)重發(fā)生，致使作物產(chǎn)量下降、品質(zhì)變劣。西洋參和人參連作后土傳病害銹腐病、疫霉病和根腐病顯著高于正茬[11]。蘭州百合長(zhǎng)期連作后導(dǎo)致由尖孢鐮刀菌引起的蘭州百合枯萎病嚴(yán)重發(fā)生，是導(dǎo)致蘭州百合土傳病害高發(fā)的重要因素[12]。茄子黃萎病、枯萎病和青枯病等土傳病害隨連作年限增加逐年加重[13]。 我們前期對(duì)蠶豆連作障礙的研究結(jié)果也證實(shí)，隨連作年限增加，蠶豆枯萎病發(fā)病率越來(lái)越高。同種作物在不同生育時(shí)期往往也表現(xiàn)為不同的病害頻發(fā)，花生連作條件下，根腐病在苗期多發(fā)，且發(fā)病率隨連作年限成倍增加；花果期多葉斑病，病株率近100%；隨連作年限的延長(zhǎng)，結(jié)莢成熟期的青枯病、白絹病則也從無(wú)到有[14]。土傳病害嚴(yán)重發(fā)生是連作種植最直接、最明顯的障礙因子。很多研究表明對(duì)連作土壤進(jìn)行土壤滅菌是減輕再植病害的有效手段，說(shuō)明連作條件下土壤中病原物激增是引起再植病害的重要因素之一[15]。

2 連作障礙的成因

近幾十年來(lái)，很多學(xué)者從土壤學(xué)、作物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、微生物學(xué)和栽培學(xué)等多個(gè)學(xué)科入手，對(duì)蔬菜、果樹(shù)、中藥材等多種作物的連作障礙問(wèn)題進(jìn)行了大量研究并取得了顯著進(jìn)展。不同作物連作障礙發(fā)生的原因差別很大，但主要來(lái)自土壤[16]。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)連作障礙的形成機(jī)理進(jìn)行了研究并取得顯著進(jìn)展，這些研究涉及土壤養(yǎng)分虧缺、土壤pH和物理性狀變化、土壤微生物區(qū)系和多樣性變化、土傳病害和化感自毒物質(zhì)積累等內(nèi)容[17–21]。在連作障礙的眾多因素中，土傳病害一直是連作障礙的研究重點(diǎn)[17,22]，多年來(lái)被認(rèn)為是大多數(shù)作物產(chǎn)生連作障礙的主要原因之一。除土壤因素外，連作作物自身的抗性也對(duì)土傳病害的發(fā)生產(chǎn)生影響，因此很多研究者也從作物相關(guān)防御酶活性、根系分泌物差異等方面開(kāi)展了相應(yīng)的研究[23–24]。更為重要的是，連作障礙各形成因素間還具有相互影響，進(jìn)一步加劇連作障礙的發(fā)生。本文分別從土壤環(huán)境、作物生理抗性和自毒作用等方面及這些因素相互作用對(duì)連作障礙形成的影響進(jìn)行概述。

2.1 土壤方面

2.1.1 土壤養(yǎng)分失衡，抑制作物養(yǎng)分吸收 由于土壤中原有礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的種類及含量是固定的，加之作物對(duì)其具有特定的吸收規(guī)律，隨連作年限的增加，作物需求較多的元素在土壤中越來(lái)越少，而其他不被作物吸收的元素越來(lái)越多，造成土壤養(yǎng)分失衡。研究表明，隨種植年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷顯著下降，土壤速效磷和速效鉀均顯著增加，而土壤堿解氮含量很低[25]。棉花連作后土壤堿解氮含量嚴(yán)重超標(biāo)，土壤有效鉀含量下降，表明棉花連作使土壤中氮、磷、鉀比例失調(diào)[26]。三七連作栽培使土壤中無(wú)機(jī)元素富集，再加之過(guò)度施用化學(xué)肥料，更易導(dǎo)致土壤表層某些元素的集聚或缺素，同時(shí)營(yíng)養(yǎng)元素富集還會(huì)滋長(zhǎng)病原真菌積累，加重土壤病害，抑制三七植株生長(zhǎng)，最終加劇三七連作障礙的發(fā)生[27–28]?；ㄉB作條件下，某些有效養(yǎng)分，特別是微量元素的缺乏，一方面降低了植物的抗病性，誘導(dǎo)根系分泌物增加，而這其中可能包括了抑制花生生長(zhǎng)的化感物質(zhì)；另一方面造成微生物區(qū)系變化，因?yàn)橛行юB(yǎng)分與土壤微生物區(qū)系密切相關(guān)[29]。表明連作障礙的發(fā)生可能與某些養(yǎng)分的含量降低有關(guān)。

2.1.2 土壤生物學(xué)性狀惡化 盡管引起連作障礙的原因較多，但最根本的原因還是土壤微生物區(qū)系和多樣性失調(diào)，有益微生物減少，病原微生物富集而引發(fā)植物的各種土傳病害[16]。土壤微生物生物量、多樣性及微生物區(qū)系變化直接影響土壤的健康狀況，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)狀況[30–31]。連作障礙與上壤微生物的種類、數(shù)量和多樣性密切相關(guān)。連作擾亂了土壤微生物生態(tài)平衡，改變土壤微生物種群和功能。地黃連作后根際累積了大量酚酸類物質(zhì)導(dǎo)致土壤微生物生態(tài)環(huán)境改變[32–33]。花生連作引起土壤中微生物選擇性富集，細(xì)菌數(shù)量總體下降，真菌數(shù)量顯著上升，病原菌數(shù)量急劇增大，土壤微生物從細(xì)菌主導(dǎo)型向真菌主導(dǎo)型轉(zhuǎn)化，使病原菌更容易侵染植物而引發(fā)作物的各種土傳病害[20]?；ㄉL(zhǎng)期連作顯著增加了土壤病原菌的豐度，而這些增加以犧牲土壤中一些有益真菌為代價(jià)[34]。Ying等[35]對(duì)人參連作障礙土壤微生物群落研究發(fā)現(xiàn)，隨連作年限的增加，土壤中有害菌積累遞增，有益微生物數(shù)量遞減。隨連作年限的增加，土壤微生物群落多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)均降低，原因是連作土壤連續(xù)種植單一作物，根系分泌物種類單一，為微生物提供的營(yíng)養(yǎng)相對(duì)單一、根系活動(dòng)對(duì)微生物的激活作用也相對(duì)較小，激活的微生物種類單一，導(dǎo)致微生物多樣性較低[36]。煙草根際細(xì)菌群落多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)隨連作年限的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，連作 4年后細(xì)菌群落的多樣性水平顯著降低[37]。黃瓜連作第11茬后微生物碳代謝能力顯著下降，微生物多樣性水平顯著降低，偏好羧酸類碳源的微生物種群得到富集，對(duì)單一碳源的高利用碳源數(shù)顯著低于1茬，說(shuō)明連作11茬后的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)中微生物種群結(jié)構(gòu)發(fā)生了單一化趨勢(shì)而影響了黃瓜的正常生長(zhǎng)[38]。

除直接測(cè)定土壤微生物區(qū)系及多樣性變化外，土壤酶活性的測(cè)定亦能反映土壤生態(tài)系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化能力及土壤生物活性變化，可用于衡量土壤的健康狀況。土壤酶活性增強(qiáng)意味著土壤生物活性提高，能增強(qiáng)植株的抗性。單一作物持續(xù)連作會(huì)使蔗糖酶、脲酶、磷酸酶等土壤酶活性隨連作時(shí)間延長(zhǎng)而下降[39]。隨花生連作年限增加，過(guò)氧化氫酶活性下降，使根系的毒害作用加重而引起連作障礙[40]。三七連作后土壤中關(guān)鍵酶的活性下降，造成土壤解毒能力降低，這可能將間接加劇土壤中自毒物質(zhì)的積累，抑制植物生長(zhǎng)，誘導(dǎo)連作障礙發(fā)生[28]。

可見(jiàn)，連作障礙發(fā)生與根際生物學(xué)性狀惡化密切相關(guān)，連作引起的土壤理化性狀改變及作物根系分泌物和殘茬在土壤中的長(zhǎng)期存留均可導(dǎo)致土壤生物學(xué)性狀的變化，直接影響作物生長(zhǎng)及抗病能力而導(dǎo)致連作障礙發(fā)生[34]。

2.2 作物生理抗性下降

連作不但惡化作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境，還直接降低寄主作物的自身抗性。連作條件下累積的自毒物質(zhì)可通過(guò)影響寄主作物的生理生化過(guò)程而降低寄主作物對(duì)病原菌的抵抗能力。

過(guò)氧化物酶(POD)及過(guò)氧化氫酶(CAT)是作物防御體系中的重要酶類，當(dāng)作物遭到逆境脅迫時(shí)，POD和CAT可通過(guò)清除作物體內(nèi)過(guò)量的活性氧和細(xì)胞中的過(guò)氧化氫，使作物產(chǎn)生耐受性，提高抗逆境能力。研究表明，作物的POD 和 CAT 活性隨連作年限的增加呈下降趨勢(shì)，導(dǎo)致膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能受到損傷，植物對(duì)病原菌的抵抗能力下降，病害易發(fā)[9]。

作物膜質(zhì)過(guò)氧化的程度和水平一般用膜質(zhì)過(guò)氧化作用的產(chǎn)物丙二醛(MDA)的含量來(lái)衡量，膜質(zhì)過(guò)氧化的程度及水平與作物膜質(zhì)損傷密切相關(guān)。研究表明，作物連作產(chǎn)生的自毒物質(zhì)不同濃度外源添加均促進(jìn)了作物幼苗根系中MDA的合成，使MDA含量升高，從而降低根系活力，破壞細(xì)胞質(zhì)膜的穩(wěn)定性和完整性，作物對(duì)病原菌的抵抗能力下降[41]。隨連作年限增加，作物MDA含量在整個(gè)生育期內(nèi)總體上呈升高趨勢(shì)[25]。連作馬鈴薯葉片 MDA 含量增加導(dǎo)致保護(hù)酶系統(tǒng)遭到破壞，使活性氧自由基大量攻擊細(xì)胞質(zhì)膜系統(tǒng)，導(dǎo)致細(xì)胞的正常功能受到極大削弱[9]?？梢?jiàn)，連作破壞了作物抗氧化系統(tǒng)而不能有效清除自由基，造成自由基過(guò)量積累，導(dǎo)致一系列膜功能障礙，進(jìn)一步加劇連作障礙發(fā)生。

2.3 連作自毒作用

連作障礙嚴(yán)重制約了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，大量研究表明自毒物質(zhì)產(chǎn)生的自毒作用是導(dǎo)致作物連作障礙的主要因子之一。

2.3.1 自毒物質(zhì)產(chǎn)生的途徑 作物可通過(guò)不同途徑向環(huán)境中釋放化感自毒物質(zhì)，直接或間接地影響自身的生長(zhǎng)，其中地上部揮發(fā)和淋溶、根系分泌及殘茬腐解是自毒物質(zhì)最主要的產(chǎn)生途徑。揮發(fā)和淋溶：作物地上部主要通過(guò)揮發(fā)和淋溶產(chǎn)生自毒物質(zhì)，在一定條件下，揮發(fā)和淋溶能夠相互轉(zhuǎn)化，共同發(fā)生。揮發(fā)多發(fā)生在干旱高溫時(shí)期，自毒物質(zhì)通過(guò)作物體表器官揮發(fā)釋放到空氣中，直接或間接作用于同種或同科作物。雜草勝紅薊的新鮮葉片含有揮發(fā)物和揮發(fā)油，能夠抑制受試幼苗的生長(zhǎng)[42]。淋溶易在多雨潮濕時(shí)期發(fā)生，作物體表含有的自毒物質(zhì)通過(guò)雨、霧淋溶被釋放到周圍環(huán)境中抑制自身或其他作物生長(zhǎng)。李紹文等[43]的研究表明桉樹(shù)葉片產(chǎn)生的酚類物質(zhì)被淋洗下來(lái)會(huì)抑制亞麻的生長(zhǎng)。

根系分泌：連作條件下作物根系會(huì)分泌化感自毒物質(zhì)到根際土壤中，對(duì)作物產(chǎn)生直接毒害作用，有些需要通過(guò)與土壤微生物互作間接影響作物生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)黃瓜、大豆、煙草、地黃和西洋參等忌連作作物的連作障礙現(xiàn)象與根系分泌物中的化感物質(zhì)密切相關(guān)[44]。肖靖秀[45]通過(guò) HPLC檢測(cè)出蠶豆根系分泌物中含有羥基苯甲酸、香草酸和丁香酸等自毒物質(zhì)。Wu等[21]從蘭州百合根系分泌物中檢測(cè)鄰苯二甲酸等多種化感物質(zhì)。棉花根系分泌物含有沒(méi)食子酸、綠原酸、香草酸和香豆酸等自毒物質(zhì)[46]。

植物殘?bào)w腐解：植物殘?bào)w釋放自毒物質(zhì)主要有直接和間接兩個(gè)途徑，直接途徑是植物殘?bào)w腐爛后直接釋放出自毒物質(zhì)，而間接途徑是通過(guò)土壤微生物的分解作用而釋放出自毒物質(zhì)。不同作物殘?bào)w腐解釋放的自毒物質(zhì)種類和含量不同。李坤等[47]的研究表明葡萄根系腐解物中含有苯甲酸、苯丙酸和水楊酸3種酚酸類自毒物質(zhì)。即使是同種作物，殘?bào)w腐解不同階段釋放的自毒物質(zhì)種類和含量也不同。趙先龍[48]的研究表明，在玉米秸稈腐解60、120和180天腐解液中均檢測(cè)出對(duì)經(jīng)基苯甲酸、苯甲酸、丁香酸、鄰苯二甲酸、香草酸和阿魏酸等自毒物質(zhì)，但在60天腐解液中的種類最多，除檢測(cè)到上述6種酚酸外，還檢測(cè)到香豆酸、苯丙酸、丁二酸、十四碳酸、肉桂酸等自毒物質(zhì)。

2.3.2 自毒物質(zhì)的種類 研究發(fā)現(xiàn)，萜類和酚類是高等植物的主要化感物質(zhì)。萜類化感物質(zhì)在高等植物多以揮發(fā)油的形式存在，主要包括單萜、雙萜、倍半萜、三萜及多萜等。萜類化感物質(zhì)多通過(guò)揮發(fā)和根系分泌等途徑進(jìn)入土壤，具有很強(qiáng)的化感活性，往往較低的濃度即能表現(xiàn)出很強(qiáng)的抑制作用[49]。酚酸類物質(zhì)為芳香環(huán)上帶有活性羧基的有機(jī)酸，是目前研究最多、活性較強(qiáng)的一類化感物質(zhì)[50–51]。研究者均把酚酸類物質(zhì)作為化感自毒作用研究的重點(diǎn)，成為公認(rèn)的化感自毒物質(zhì)[44,52]。酚酸類化感物質(zhì)主要包括羥基苯甲酸和肉桂酸衍生物、黃酮類、醌類和單寧五大類[53]。研究者已從多種連作障礙作物的多種組織和根系分泌物中分離出十余種酚酸類化感物質(zhì)，其中阿魏酸、對(duì)羥基苯甲酸、肉桂酸和香草醛等均被認(rèn)為是最主要的酚酸類物質(zhì)[50,54]。導(dǎo)致不同作物發(fā)生連作障礙的酚酸種類不同，且自毒物質(zhì)的來(lái)源也不同，自毒效應(yīng)也因自毒物質(zhì)濃度不同而異。He等[55]從西洋參須根中分離到反式肉桂酸、對(duì)香豆酸、阿魏酸、香草酸、香草醛、水楊酸、丁香酸、苯甲酸和對(duì)羥基苯甲酸這9種酚酸類自毒物質(zhì)，它們對(duì)西洋參胚根生長(zhǎng)具有抑制作用。本課題組在前期研究中從蠶豆根系分泌物中分離出了阿魏酸、香草酸、苯甲酸、丁香酸、水楊酸和對(duì)羥基苯甲酸等自毒物質(zhì)，并且以肉桂酸的含量最高。同種作物的不同部位自毒物質(zhì)含量也不同。王勇等[56]的研究表明，核桃樹(shù)體內(nèi)自毒物質(zhì)的分布隨器官組織的不同而有差異，其中枝條韌皮部>葉片>芽體>枝條木質(zhì)部，且不同核桃品種間自毒物質(zhì)含量也存在差異性。

2.3.3 自毒物質(zhì)對(duì)種子萌發(fā)和作物生長(zhǎng)的影響 自毒物質(zhì)通過(guò)抑制作物的種子萌發(fā)來(lái)影響其生長(zhǎng)發(fā)育。Yan等[57]研究表明，酚酸類自毒物質(zhì)對(duì)作物種子萌發(fā)具有較強(qiáng)的抑制活性。蒙古黃芪植株水浸液對(duì)其自身植株生長(zhǎng)、種子萌發(fā)均有抑制作用，自毒作用明顯[58]。對(duì)羥基苯甲酸、香草酸和香豆酸對(duì)花生發(fā)芽有顯著的影響，且這種影響效應(yīng)與酚酸物質(zhì)的種類及濃度有關(guān)[59]。除影響作物種子萌發(fā)外，自毒物質(zhì)還對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制效應(yīng)。水培溶液中添加 p-香豆酸能顯著抑制西洋參植株地上部分的生長(zhǎng)，展葉率、株高、冠幅均明顯下降，高濃度時(shí)約85% 葉片不能完全展開(kāi)，葉片生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制[60]。廣藿香不同濃度的莖、葉和根提取物顯著降低了廣藿香的株高和根重[61]。自毒物質(zhì)不僅抑制作物地上部的生長(zhǎng)，而且還阻礙地下部的發(fā)育。土壤中酚酸類物質(zhì)的積累使西洋參根系受到一種逆境脅迫，根皮苷、根皮素、對(duì)羥基苯甲酸以及肉桂酸處理顯著降低了西洋參的根冠比，證明了這些酚酸類化合物對(duì)西洋參根系的影響程度大于地上部分[60]。酚酸類物質(zhì)脅迫下，蘋(píng)果幼苗總根長(zhǎng)和平均根直徑均有所下降，這些指標(biāo)的下降導(dǎo)致根系對(duì)養(yǎng)分吸收能力降低，最終使蘋(píng)果地下部干物質(zhì)積累量的減少[10]。研究表明，自毒物質(zhì)對(duì)作物生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)出濃度效應(yīng)，即自毒物質(zhì)積累濃度越高對(duì)作物的抑制效應(yīng)越強(qiáng)[62]。

2.4 連作障礙各因素的相互關(guān)系

很多學(xué)者認(rèn)為產(chǎn)生連作障礙的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，是作物–土壤兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部諸多因素綜合作用的外觀表現(xiàn)[34]。連作障礙的形成并非只是單一因素作用的結(jié)果，而是存在著多因子間的輔助或協(xié)同效應(yīng)。

2.4.1 連作自毒物質(zhì)與土傳病害發(fā)生的關(guān)系 大量研究表明，作物連作自毒作用與土傳病害發(fā)生密切相關(guān)。近年來(lái)的研究結(jié)果表明，凡是容易引起自毒作用的作物一般也易引起土傳病害產(chǎn)生而導(dǎo)致連作障礙[23,63]。自毒物質(zhì)降低了黃瓜生長(zhǎng)能力和抵抗力，與多年累積的病原菌共同作用，形成嚴(yán)重的土傳病害，是連作障礙產(chǎn)生的重要原因[64]。茄子根系分泌物中自毒物質(zhì)香草醛和肉桂酸助長(zhǎng)了茄子黃萎病的發(fā)生[65]。自毒物質(zhì)對(duì)羥基苯甲酸、香草酸和香豆酸助長(zhǎng)了花生枯萎病的發(fā)生[66]。苯甲酸和肉桂酸處理顯著提高西瓜幼苗枯萎病的發(fā)病率，隨苯甲酸和肉桂酸處理濃度提高，西瓜枯萎病病情指數(shù)和死苗率逐漸上升[66]。隨酚酸類物質(zhì)處理濃度升高，土壤尖孢鐮刀菌和甜瓜疫霉菌數(shù)量呈持續(xù)上升趨勢(shì)，導(dǎo)致黃瓜枯萎病發(fā)生[67]。

自毒物質(zhì)通過(guò)對(duì)病原菌直接表現(xiàn)出刺激作用，促進(jìn)病原菌增殖而助長(zhǎng)土傳病害的發(fā)生。作物根系分泌物和殘茬腐解物可為連作土傳病原菌提供碳源，從而促進(jìn)病原菌繁殖或孢子萌發(fā)，減弱或消除了某些有益菌的拮抗作用，使有害菌增殖，從而造成病害的嚴(yán)重發(fā)生[16,51]。連作西瓜植株腐解物積累大大刺激了尖孢鐮刀菌的生長(zhǎng)，尖孢鐮刀菌的數(shù)量顯著增加，且感病品種比抗病品種更容易促進(jìn)其生長(zhǎng)[63]。對(duì)連作百合的研究表明，連作百合自毒物質(zhì)鄰苯二甲酸顯著刺激了病原菌產(chǎn)毒并提高了病程相關(guān)水解酶的活性，從而促進(jìn)了百合枯萎病的發(fā)生[12]。

自毒物質(zhì)加劇土傳病害發(fā)生的能力與自毒物質(zhì)的種類和濃度密切相關(guān)。在草莓腐爛組織和土壤中含量較高的香豆酸，低濃度 (50 mg/L) 處理顯著促進(jìn)了草莓冠腐病病原菌菌絲的生長(zhǎng)并提高了冠腐病的病情指數(shù)，而高濃度 (>200 mg/L) 處理顯著抑制了病原菌菌絲生長(zhǎng)，對(duì)冠腐病危害無(wú)顯著影響[68]。隨甜瓜根系殘茬腐解液處理濃度的提高，枯萎病菌的產(chǎn)孢量和菌絲長(zhǎng)度顯著增加，孢子萌發(fā)率顯著提高[69]。黃瓜根系分泌物中的自毒物質(zhì)對(duì)尖孢鐮刀菌菌絲生長(zhǎng)和孢子萌發(fā)具有不同程度的促進(jìn)作用，其中肉桂酸、阿魏酸、苯甲酸對(duì)甜瓜枯萎病病情指數(shù)有顯著的促進(jìn)作用，處理濃度越高，甜瓜枯萎病發(fā)生越嚴(yán)重[70]，表明化感自毒物質(zhì)具有促進(jìn)土傳病害發(fā)生的效果[71–72]。

2.4.2 連作自毒物質(zhì)與土壤微生物的關(guān)系 隨著對(duì)根際微生態(tài)環(huán)境中植物–土壤–微生物相互作用各過(guò)程的深入了解，研究者認(rèn)為土傳病害的發(fā)生和植株發(fā)育不良是作物連作障礙發(fā)生的直觀表象，但其致病的根本原因是根系分泌物和腐解物中酚酸類化感物質(zhì)引起的土壤微生物區(qū)系失衡，最終導(dǎo)致土壤中病原菌激增而引發(fā)嚴(yán)重的土傳病害[19]?；凶远疚镔|(zhì)是土壤微生物群落演變的重要推動(dòng)者，長(zhǎng)期連作條件下，土壤中積累了大量的植物分泌物和腐解物，其釋放的酚酸不斷累積，極大地控制著土壤中優(yōu)勢(shì)微生物種群[16]，因此自毒物質(zhì)酚酸與土壤微生物數(shù)量和活性關(guān)系密切[51]。Zhou和 Wu[73]通過(guò)外源添加黃瓜自毒物質(zhì)香豆酸至土壤中，導(dǎo)致根際土中細(xì)菌顯著減少，同時(shí)還造成病原菌大量繁殖增長(zhǎng)，表明自毒物質(zhì)顯著影響了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。Guo等[74]對(duì)葡萄連作障礙的研究表明，外源添加葡萄連作自毒物質(zhì)對(duì)羥基苯甲酸后改變了土壤細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性，同時(shí)對(duì)羥基苯甲酸也影響葡萄的根系分泌物及葡萄根系分泌物與根際微生物的互作，對(duì)羥基苯甲酸介導(dǎo)下微生物和根系分泌物的互作是影響對(duì)羥基苯甲酸化感自毒潛力表現(xiàn)的關(guān)鍵因素，且該互作也是影響葡萄連作障礙的主要原因。地黃須根自毒物質(zhì)阿魏酸和對(duì)羥基苯甲酸一方面加劇了病原菌對(duì)地黃的致害過(guò)程，另一方面促進(jìn)了真菌繁殖生長(zhǎng)，進(jìn)一步增強(qiáng)真菌對(duì)寄主的致害作用[71]。外源添加苯甲酸不僅使土壤微生物功能多樣性降低，而且促進(jìn)了土壤中病原菌增殖并抑制了拮抗菌的生長(zhǎng)。自毒物質(zhì)對(duì)病原菌具有正趨向作用而對(duì)拮抗菌卻具有排斥作用，病原菌可以更好地利用作物連作累積的自毒物質(zhì)，從而比拮抗菌更易定殖于作物根際，這可能是連作障礙造成土傳病害流行暴發(fā)的機(jī)理之一[75]。表明化感自毒物質(zhì)是連作障礙產(chǎn)生的初始誘因，化感自毒物質(zhì)通過(guò)誘導(dǎo)改變根際微生物區(qū)系、群落結(jié)構(gòu)和多樣性，影響有益微生物與病原菌的互作關(guān)系而促進(jìn)連作障礙發(fā)生。

2.4.3 連作自毒物質(zhì)與作物生理生化和結(jié)構(gòu)抗性的關(guān)系 黃瓜自毒物質(zhì)肉桂酸使植株保護(hù)酶活性降低，根系活性氧自由基含量增加并加速了膜脂過(guò)氧化程度，從而刺激了病原菌使病菌更易侵入，導(dǎo)致發(fā)病率高，土傳病害嚴(yán)重發(fā)生[23]。蘆筍自毒物質(zhì)損傷蘆筍根尖和表皮細(xì)胞，降低過(guò)氧化物酶活性，提高電解質(zhì)外滲，從而增加了鐮刀菌的浸染機(jī)會(huì)[76]。草莓根系分泌物中酚酸物質(zhì)使根系TTC還原活性降低、相對(duì)電導(dǎo)率增大、SOD酶活性降低及MDA生成量增多、葉片光合作用受抑制程度增加，進(jìn)而加重草莓根系養(yǎng)分和水分外滲，根系抗病性下降，枯萎病嚴(yán)重發(fā)生[77]。對(duì)羥基苯甲酸處理使草莓體內(nèi)對(duì)枯萎病菌“抑制型”氨基酸如天冬氨酸含量降低，但提高了“促進(jìn)型”氨基酸種類和含量[78]。對(duì)羥基苯甲酸脅迫下，尖孢鐮刀菌菌絲在草莓根系中的侵染速率明顯加快，對(duì)根系表皮、皮層、中柱薄壁細(xì)胞及導(dǎo)管壁結(jié)構(gòu)的破壞程度也明顯加重[77]。表明連作自毒物質(zhì)通過(guò)影響寄主作物的生理生化過(guò)程和組織結(jié)構(gòu)而影響寄主抗性，影響土傳病害的發(fā)生和發(fā)展。

3 展望

3.1 自毒作用與連作障礙

作物可通過(guò)不同途徑向環(huán)境中釋放化感自毒物質(zhì)，加劇連作障礙的發(fā)生，但目前對(duì)根系分泌自毒物質(zhì)的研究較多，缺乏對(duì)其他釋放途徑產(chǎn)生的自毒物質(zhì)的研究。由于尚不清楚植株水浸液、殘茬腐解等途徑釋放的自毒物質(zhì)與根系分泌的自毒物質(zhì)種類含量是否一致，根系分泌的自毒物質(zhì)能否涵蓋作物釋放的所有自毒物質(zhì)尚不明確，同時(shí)這些自毒物質(zhì)對(duì)作物的自毒效應(yīng)也不清楚。因此，加大對(duì)其他釋放途徑產(chǎn)生的自毒物質(zhì)的研究也必不可少。另外，土壤環(huán)境極其復(fù)雜，自毒物質(zhì)在土壤中易受土壤微生物、土壤理化性狀，質(zhì)地等因素的影響，而測(cè)定自毒物質(zhì)在土壤中的增減也是研究其自毒效應(yīng)的關(guān)鍵。

不同作物連作所產(chǎn)生的自毒物質(zhì)種類不同，即使是同種作物在不同生育期和不同環(huán)境條件下連作產(chǎn)生的自毒物質(zhì)種類和數(shù)量也有差異[79]。目前的研究一方面多集中在對(duì)作物某一個(gè)生育期收集到的自毒物質(zhì)進(jìn)行分析，缺少對(duì)作物整個(gè)生長(zhǎng)階段中各個(gè)生育期收集到的自毒物質(zhì)進(jìn)行研究。另一方面多集中在對(duì)作物某一連作年限釋放的自毒物質(zhì)進(jìn)行研究，而缺少對(duì)連作年限連續(xù)性條件下自毒物質(zhì)的研究，對(duì)于自毒物質(zhì)在不同連作年限下對(duì)作物的自毒作用是否相同尚不明確。因此，對(duì)作物在不同連作年限、不同生育期通過(guò)不同途徑釋放的自毒物質(zhì)有必要進(jìn)行收集并研究其對(duì)作物的自毒作用。

3.2 根際微生物與連作障礙

土壤營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)受根際土壤微生物數(shù)量、多樣性、區(qū)系等變化的影響，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。對(duì)作物連作障礙的研究表明，連作作物根系分泌物改變了土壤微生物類群，通過(guò)控制有益微生物增殖，增加了根際有害微生物的定植，最終使土壤生物多樣性降低，加劇病原菌繁殖。因此根系分泌物的種類與病原菌增殖的關(guān)系等問(wèn)題將是今后研究的新熱點(diǎn)。連作導(dǎo)致有益微生物減少，但究竟是哪些有益微生物的減少引起病原菌增殖，有關(guān)根系分泌物–病原菌–有益微生物的互作關(guān)系尚不清楚。近年發(fā)展起來(lái)的高通量測(cè)序技術(shù)，對(duì)深入研究連作對(duì)土壤微生物群落組成和功能變化是較好的技術(shù)手段，該技術(shù)能夠分析某些特定的菌群，如細(xì)菌、氨氧化細(xì)菌、真菌及一些植物病原菌 (鐮刀菌類、茄科勞爾氏菌) 的變化情況，測(cè)定的微生物種類和數(shù)量更加多樣、豐富，結(jié)果也會(huì)更加可靠[80]。因此，采用該測(cè)定技術(shù)可明確連作土壤中發(fā)生變化的關(guān)鍵微生物種群，對(duì)進(jìn)一步探明連作障礙成因及尋找有效的調(diào)控措施尤為重要。

3.3 多因子協(xié)同作用共同導(dǎo)致連作障礙

在尋求連作障礙防治措施中，我們發(fā)現(xiàn)單純的土壤滅菌只能在短期內(nèi)能控制某些病害的蔓延，并不能從根本上解決作物連作障礙問(wèn)題，表明連作障礙的發(fā)生不僅僅是單一因素所導(dǎo)致的，而是多種因素綜合作用的結(jié)果。但目前多數(shù)研究仍停留在單因子水平上，缺乏對(duì)不同因子內(nèi)在相互關(guān)系和本質(zhì)的了解，未能深入揭示連作障礙發(fā)生的真正原因。如酚酸累積–微生物變化–土傳病害發(fā)生的關(guān)系，長(zhǎng)期連作條件下，土壤中累積的酚酸使土壤微生物群落結(jié)構(gòu)改變、病原真菌富集、微生物群落環(huán)境惡化，而惡化的微生物群落結(jié)構(gòu)使土壤中的酚酸物質(zhì)降解緩慢，造成酚酸物質(zhì)積累，積累的酚酸不僅繼續(xù)改變微生物群落結(jié)構(gòu)，而且會(huì)抑制作物生長(zhǎng)，提高作物發(fā)病率，如此惡性循環(huán)，產(chǎn)生作物連作障礙[59]。但是，化感自毒物質(zhì)組成差異對(duì)土壤微生物群落變化有何影響尚不清楚。且不同作物及不同土壤的連作障礙可能有不同原因與主次，今后的研究需綜合考慮各個(gè)因素間的相互制約關(guān)系，尋找關(guān)鍵的突破點(diǎn)。

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Advance in Mechanism of Continuous Cropping Obstacle

HOU Hui1, DONG Kun2, YANG Zhixian3, DONG Yan1*, TANG Li1, ZHENG Yi1,4
(1College of Resources and Environment,Yunnan Agricultural University,Kunming650201,China; 2College of Food Science and Technology,Yunnan Agricultural University,Kunming650201,China; 3Yunnan University,Kunming650091,China; 4Southwest Forestry University,Kunming650224,China)

With the constant improvement of the intensive cultivation’s degree, continuous cropping results in decrease of crop production and quality as well as soil-borne diseases which seriously restrict modern agricultural sustainable development. The mechanism of continuous cropping obstacle (CCO) has been one of hot spots at home and abroad. In recent years，a lot of work have been done from many aspects on CCO. However, most efforts are focused on the effect of a single factor while few attentions are paid to the internal interactions and essence of the various factors, which hinder the deep reveal of the real reasons for the occurrence of CCO. The further understandings of the causes of CCO and the interaction relationship between various factors are the basis to control the soil-borne diseases caused by soil-borne pathogens, to alleviate CCO and to realize the zero increase target of pesticide consumption by 2020 in China. This paper reviewed systematically the mechanisms of continuous cropping from the deterioration of soil physiochemical and biological properties, the decrease of plant physiological resistance, self-toxicity of continuous cropping, and the relationship between various factors. The further studies in this filed were also suggested to looking for the theory evidence of mitigation strategies in a safe, environmental and effective way.

Continuous cropping obstacle (CCO); Soil-borne diseases; Autotoxicity; Rhizosphere microorganisms

S154. 36

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.002

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31360507，31560586，31060277，31210103906)、國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB100405)、農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)課題項(xiàng)目(201103003)和云南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2015FA022)資助。

* 通訊作者(dongyanyx@163.com)

侯慧(1992—)，女，湖北襄陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽魑镞B作障礙成因與調(diào)控。E- mail: 1327382648@qq.com