根系分泌物抑制連作障礙線蟲病的根際調(diào)控機(jī)制及其應(yīng)用

劉彤彤，盧巧芳，王男麒，王天琪，劉環(huán)環(huán)，左元梅

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院/教育部植物-土壤互作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

1 我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中連作障礙問題突出

連作障礙是指即使在正常的栽培管理措施下，同一片土地連續(xù)種植兩茬及以上同種同屬作物而出現(xiàn)病害、缺素，進(jìn)而大幅減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)的現(xiàn)象。連作障礙廣泛存在于大田經(jīng)濟(jì)作物及設(shè)施蔬菜、觀賞花卉、果樹等植物生產(chǎn)過程中。連作栽培條件下，根系分泌物在根部連續(xù)積累，引起土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化[1]，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)紊亂[2]，土壤線蟲群落多樣性程度降低[3]。

1.1 連作障礙種植面積和作物比例較高

國外將連作障礙稱為再植病害 (replant disease)。國外地多人少，成熟的現(xiàn)代化耕作技術(shù)使國外農(nóng)場(chǎng)主從源頭主動(dòng)避免連作障礙[4]，而中國是地少人多型農(nóng)業(yè)大國，耕種模式傳統(tǒng)，各區(qū)域有傳統(tǒng)耕種作物，例如新疆的棉花、黑龍江的大豆和馬鈴薯、河南的花生、山東的設(shè)施蔬菜、廣東和廣西的香蕉、云南的三七和烤煙，這些特色農(nóng)產(chǎn)品因當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使而常年單一種植。

將出現(xiàn)連作障礙的作物分為三大類，包括大田經(jīng)濟(jì)作物 (水稻、大豆和玉米等)、設(shè)施園藝作物 (瓜果蔬菜和觀賞花卉) 和中草藥。據(jù)中國統(tǒng)計(jì)局(2014年)統(tǒng)計(jì)，黑龍江省的大田經(jīng)濟(jì)作物輸出量為全國第一，河南和山東分別居第二和第三位。設(shè)施園藝作物因大棚自動(dòng)化越來越高而逐年擴(kuò)大種植面積，山東、河南、江蘇的蔬菜產(chǎn)量分別居全國的前三位。中草藥的種植面積以湖南省最多，其次為貴州、甘肅。根據(jù)各地傳統(tǒng)作物分布和作物輸出量統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)各省傳統(tǒng)作物有最高輸出量的基本規(guī)律。

按照各省耕地面積將各省份連作障礙出現(xiàn)概率分級(jí)，根據(jù)連作障礙分級(jí)情況和三類作物耕地面積所占比例繪制圖1。由圖1可見，黑龍江省、山東省、河南省成為易患且已患連作障礙重災(zāi)區(qū)，其它省份也遭受不同程度的連作障礙，同時(shí)大田經(jīng)濟(jì)作物最易患連作障礙。

1.2 連作障礙發(fā)生規(guī)律呈“拋物線”狀

對(duì)比不同作物，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)中藥最易遭受連作障礙，大田經(jīng)濟(jì)作物較耐受連作障礙 (圖2)。根莖類中藥 (三七) 連作2年，重茬幼苗死亡率達(dá)100%[5]；香蕉連作10年左右，產(chǎn)量可恢復(fù)與非連作蕉園一致[6]；大豆連作15年與連作2年產(chǎn)量無顯著差異[7]；棉田連作20年病情指數(shù)最高[8]。分析以上作物在連作條件下，產(chǎn)量開始降低年份、產(chǎn)量最低年份及產(chǎn)量恢復(fù)至等同正茬年份的規(guī)律 (圖2)，發(fā)現(xiàn)連作障礙規(guī)律呈“拋物線”狀。作物產(chǎn)量隨連作年限延長(zhǎng)而降低，低至最低產(chǎn)量后，作物產(chǎn)量出現(xiàn)回升趨勢(shì)，出現(xiàn)自我調(diào)節(jié)現(xiàn)象。這種連作障礙的自我調(diào)節(jié)能力受土壤類型、耕種作物、人為施肥等因素的影響而不同。因此，在恰當(dāng)時(shí)機(jī)針對(duì)性地選擇合理方式解決連作障礙需要大量的研究成果作為理論支持，利用作物連作障礙規(guī)律調(diào)控作物種植年限是控制連作障礙最直觀的方式。

圖1 中國連作障礙出現(xiàn)概率等級(jí)劃分和不同種類作物耕種面積分布示意圖Fig.1 Replant disease levels and percentage of cropping areas of different crops in China

圖2 不同作物長(zhǎng)期連作后產(chǎn)量隨連作年限變化規(guī)律Fig.2 Regulation of different crop yields with long term continuous cropping years

2 根系分泌物對(duì)連作線蟲病具有重要的根際調(diào)控作用

2.1 連作作物單一根系分泌物積累易導(dǎo)致連作障礙

連作栽培情況下，單一根系分泌物累積在作物根際，土壤酸化，土壤內(nèi)線蟲和微生物多樣性均降低，根際生態(tài)平衡被打亂，根際有害微生物在酸性條件下大量繁殖，土壤由“細(xì)菌型”轉(zhuǎn)變成“真菌型”，由“健康型”轉(zhuǎn)變成“致病型”，土壤微生物新陳代謝的整體活性降低，造成土壤酶活性降低，元素發(fā)生“木桶效應(yīng)”；植物寄生線蟲豐度在土壤內(nèi)大幅上升，廣泛引發(fā)線蟲病，且導(dǎo)致復(fù)合真菌/細(xì)菌病害發(fā)生，并連同植物根系分泌的自毒物質(zhì)一起影響植株代謝，對(duì)植物生長(zhǎng)有很大的影響，最后導(dǎo)致作物患病，產(chǎn)量降低 (表1)。

2.2 連作造成植物寄生線蟲病害嚴(yán)重

連作引起的線蟲病在全國有不同程度地發(fā)生。山東壽光是中國蔬菜基地，番茄、黃瓜等設(shè)施蔬菜極易感染南方根結(jié)線蟲[28]，且于新疆地區(qū)發(fā)現(xiàn)南方根結(jié)線蟲在設(shè)施蔬菜土壤中為優(yōu)勢(shì)種[29]。云南三七易遭受北方根結(jié)線蟲侵染，導(dǎo)致三七品質(zhì)和產(chǎn)量降低[30]。南方根結(jié)線蟲 (Meloidogyne incognita)、爪哇根結(jié)線蟲 (Meloidogyne javanica)、花生根結(jié)線蟲(Meloidogyne arenaria) 和北方根結(jié)線蟲 (Meloidogyne hapla) 占根結(jié)線蟲屬的95%，其中南方根結(jié)線蟲M.incognita占比最多，分布最為廣泛[31]。孢囊線蟲可毀滅性危害甜菜、大豆及水稻等。在大豆生產(chǎn)國均有大豆孢囊線蟲病發(fā)生，使大豆減產(chǎn)5%～20%，甚至絕產(chǎn)，我國每年受害面積達(dá)2.67 × 106hm2，危害程度和面積逐年發(fā)展。

植物寄生線蟲是最具破壞性的植物病原之一，宿主范圍大于3000種作物，線蟲侵染加重作物根腐病、枯萎病、立枯病等，致使全球每年損失達(dá)157億美元[32]，因此防治線蟲病害任務(wù)日益加重。

2.3 防控線蟲病的關(guān)鍵方法和措施

防治線蟲病的方法包括化學(xué)、物理、農(nóng)業(yè)和生物方法 (圖3)。使用化學(xué)殺線劑污染環(huán)境易殘留，采用熱、電消毒的物理方法繁瑣不持續(xù)，間作、輪作等不適用于所有農(nóng)作物，而間作、輪作體系中所發(fā)現(xiàn)的特殊根系分泌物，配置成生物源功能肥料的生物方法才是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的最佳選擇。未來開發(fā)植物源殺線蟲功能物質(zhì)進(jìn)行根際調(diào)控是研究的熱點(diǎn)之一，根際調(diào)控作為一種新的農(nóng)業(yè)技術(shù)手段[33]，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著日益重要的作用，利用抗性植物和非寄主植物根系分泌物或特殊作物殘茬提取物，結(jié)合有益微生物配制生物功能肥料 (bio-fertilizer)，進(jìn)行根際調(diào)控可高效緩解連作障礙。

表1 不同作物連作障礙因素、自毒物質(zhì)、嚴(yán)重年限及表現(xiàn)Table 1 Factors, autotoxic substance, serious years and performance of different crops of catched replant diseases

3 利用根系分泌物介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)線蟲識(shí)別和侵染的抑制

3.1 根系分泌物在植物根際的生理生態(tài)調(diào)控作用

根系分泌物是根系在生命活動(dòng)過程中由根組織向土壤中持續(xù)釋放化合物的總稱。根系分泌物包括：離子、氨基酸、酰胺類、糖類、有機(jī)酸、酚酸類，及多種次級(jí)代謝物[34]。在根際土壤中，根系分泌物與土壤生物互作，植物既可調(diào)節(jié)其根際化學(xué)組成來促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，從而提高其在特定生態(tài)系統(tǒng)中的適應(yīng)性[35]；也可因微生物代謝對(duì)底物的偏好改變植物根系分泌物組成[36]。長(zhǎng)期連作，單一根系分泌物積累于根際，造成特異微生物、線蟲富集，從而引起連作微生物病害、線蟲病害，甚至復(fù)合病害。但抗性植物和非寄主植物的根系分泌物在抵御病原菌和植物寄生線蟲方面表現(xiàn)出較好的前景。

通過GC-MS (氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀)、X射線CT (電腦斷層掃描) 和MRI (磁共振成像) 可視化技術(shù)鑒定根系分泌物[37]，利用特殊根系分泌物對(duì)根結(jié)線蟲進(jìn)行根際調(diào)控能夠?yàn)榫€蟲防治提供理論依據(jù)，還可土壤生物-植物間互作提供新的認(rèn)知。結(jié)合分子手段對(duì)土壤微生物測(cè)序，通過基因功能預(yù)測(cè)了解微生物對(duì)代謝物底物偏好，進(jìn)而調(diào)控根際微生物群落組裝模式，可改善作物根際微生態(tài)環(huán)境。同時(shí)了解線蟲如何識(shí)別寄主，掌握不同根系分泌物對(duì)線蟲的根際調(diào)控效果及其機(jī)制將有效防治線蟲病害；線蟲群落結(jié)構(gòu)及多樣性分析也已進(jìn)入分子分析階段，為連作線蟲病害的分析和治理提供了科學(xué)的理論基礎(chǔ)[38]。

圖3 防治連作障礙線蟲病的關(guān)鍵方法和措施Fig.3 Selection of methods for controlling replant nematode disease

3.2 線蟲依靠根系分泌物識(shí)別寄主

線蟲生命周期有6個(gè)階段：卵―幼蟲 (J1、J2、J3和J4)―成蟲。線蟲從卵發(fā)育到J1、J2時(shí)期尋找合適的根系寄生，僅在 J2 時(shí)期通過頭部?jī)蓚?cè)對(duì)稱的化感器及側(cè)腹尾感器[39]受寄主根系分泌物的刺激[40]具備侵染能力 (圖4)。

當(dāng)根結(jié)屬J2幼蟲靠近寄主植物時(shí)，線蟲食道腺分泌蛋白降解根細(xì)胞細(xì)胞壁，線蟲進(jìn)入根內(nèi)，食道腺分泌分泌物使導(dǎo)管細(xì)胞膨脹并加快周圍細(xì)胞分裂，從而形成巨型細(xì)胞，最終形成根結(jié)。南方根結(jié)線蟲在溫度20～30℃和濕度40%～70%時(shí)完成一個(gè)世代約需30～60天，在適宜的環(huán)境條件下，根結(jié)線蟲每年可形成5～10世代。南方根結(jié)線蟲以幼蟲在土中和卵在病根的根結(jié)內(nèi)休眠越冬，次年氣溫升到10℃左右時(shí)，越冬卵開始孵化成為幼蟲進(jìn)入土壤，進(jìn)入土壤的J2幼蟲尋找寄主植物，完成侵染。

圖4 利用根系分泌物結(jié)合根結(jié)線蟲發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期控制線蟲病害機(jī)理圖Fig.4 Mechanism of root exudates-mediated root knot nematode disease

孢囊屬J2幼蟲穿刺進(jìn)入根中，從寄主根系幼嫩組織侵入皮層直到中柱，18 天后雌成蟲身體膨大，卵巢中充滿卵[41]。當(dāng)寄主根系衰老，卵囊中的卵不再孵化，雌蟲死亡，體壁硬化，轉(zhuǎn)變成孢囊，成熟孢囊脫落于土中而成為再侵染源。有報(bào)道稱，大豆孢囊線蟲雌雄交配會(huì)發(fā)生基因交換，即使種植單一抗性品種，也可能造成同一群體中弱勢(shì)小種變異為優(yōu)勢(shì)小種，即引起生理小種致病性變異，從而使該作物抗性喪失[42]。因此，選擇持續(xù)長(zhǎng)久的防治方法非常重要。

有大量研究證明，易感作物根系分泌物使線蟲產(chǎn)生趨向性，促進(jìn)蟲卵孵化。易感大豆根系分泌的谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、賴氨酸和苯丙氨酸可吸引大豆孢囊線蟲[43]；柑橘根系分泌的α-松萜、檸檬烯和β-松萜等萜類物質(zhì)可吸引柑橘根結(jié)線蟲[44-45]。

3.3 根系分泌物調(diào)控線蟲識(shí)別、侵染的生物學(xué)機(jī)制

植物根際與線蟲互作，具有侵染能力的J2幼蟲具有一系列可以響應(yīng)根系分泌物活性物質(zhì)的嗅覺神經(jīng)元。因此，通過破壞J2幼蟲向寄主植物的趨向性及運(yùn)動(dòng)，是減輕線蟲病害的有效措施之一，線蟲的二齡期成為化學(xué)信號(hào)調(diào)控的重要時(shí)期。

南方根結(jié)線蟲中42.1%基因與秀麗線蟲是直系同源基因，這些基因與根結(jié)線蟲的生育相關(guān)，成為藥物防治的靶基因[46]。FMRFamide-like peptides(FLPs) 是根結(jié)線蟲最大神經(jīng)遞質(zhì)之一，“FLP作為重要的信號(hào)傳導(dǎo)途徑之一”已在植物與線蟲的互作過程中取得巨大進(jìn)展。FLP信號(hào)途徑與G-蛋白偶聯(lián)受體 (G-protein coupled receptors GPCR 亞類型X1-X5) 相關(guān)，啟動(dòng)下游第二信使，控制根結(jié)線蟲運(yùn)動(dòng)、取食、肌肉組織的再生及神經(jīng)調(diào)節(jié)[47]。

孢囊線蟲的Ror毒力基因可控制線蟲產(chǎn)生纖維素酶和果膠裂解酶裂解植物根系細(xì)胞壁，進(jìn)而通過Hg-rbp-2控制線蟲的發(fā)育和寄生能力[48]，但孢囊線蟲雌雄交配產(chǎn)生后代會(huì)發(fā)生基因交換使線蟲生理小種發(fā)生變化[49]，因此針對(duì)孢囊線蟲越來越需要尋找新的抗性基因或擴(kuò)展抗性背景。

3.4 植物根系分泌物通過根際調(diào)控抑制線蟲侵染的實(shí)踐應(yīng)用

易感作物根系分泌物促進(jìn)線蟲趨向運(yùn)動(dòng)和孵化，大豆根系分泌物促進(jìn)孢囊線蟲的孵化，且連作時(shí)間越長(zhǎng)，大豆患孢囊線蟲病越嚴(yán)重[50]；花生根系分泌物影響土壤線蟲豐度，分泌物濃度越高，土壤線蟲多樣性越低[51]。然而，非寄主作物根系分泌物可調(diào)控線蟲趨向性，抑制卵孵化或致死線蟲。董林林等在茼蒿、蓖麻與番茄間作體系中發(fā)現(xiàn)茼蒿根系分泌物中月桂酸，蓖麻根系分泌物中棕櫚酸和亞油酸對(duì)根結(jié)線蟲有致死效應(yīng)、抑制線蟲孵化，并且在低濃度下吸引線蟲殺死線蟲，高濃度下趨避線蟲[52]。掌握月桂酸、亞油酸和棕櫚酸調(diào)控Mi-16D10和Mi-flp-18基因表達(dá)來抑制線蟲侵染與繁殖，從而減輕作物根結(jié)線蟲病害。鐘麗娜發(fā)現(xiàn)仙客系列抗性品種番茄的特異根系分泌物濃度大于4 mmol/L時(shí)能將25.9%以上的線蟲致死，且濃度越高致死能力越強(qiáng)，在低濃度時(shí)可抑制線蟲的運(yùn)動(dòng)能力[53]。選擇抗性品種間套作即是利用根系分泌物進(jìn)行根際調(diào)控的原理，調(diào)動(dòng)根際有益微生物，抑制寄生線蟲防治連作障礙。同時(shí)，特殊植物殘?jiān)倮靡部蓪?shí)現(xiàn)根際調(diào)控，青蒿、萬壽菊、薄荷、紫花苜蓿等幾種植物提取物能夠有效防治根結(jié)線蟲[54-55]。但直接施用植物殘?jiān)棺魑锂a(chǎn)量降低[56]，可將殘?jiān)崛∥锾砑又粮於逊?，既可抑制線蟲病又可實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)[57]。

利用根系分泌物和特殊作物殘?jiān)崛∥镒鳛樯镌垂δ芪镔|(zhì)，配置成生物功能肥料 (bio-fertilizer)進(jìn)行根際調(diào)控，是高效控制連作障礙線蟲病害和發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要手段 (圖5)。

4 展望

我國連作障礙現(xiàn)象普遍，單一作物長(zhǎng)期耕種，根系分泌物在根際單一積累，擾亂根際微生物群落結(jié)構(gòu)，富集植物寄生線蟲。在我國廣泛引起線蟲病是作物連作中最難治理的土傳病害之一。

基于近年來最新的國內(nèi)外研究進(jìn)展，針對(duì)植物根系分泌物在控制寄生線蟲識(shí)別侵染植物過程中具有重要的生物學(xué)調(diào)控作用，面對(duì)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物連作障礙突出的問題，應(yīng)該在以下幾個(gè)方面引起重視和突破：1) 針對(duì)重要和特定的作物，掌握作物連作發(fā)病規(guī)律，找到防治連作障礙的關(guān)鍵時(shí)期。2)圍繞根系分泌物與線蟲互作關(guān)系探索克服連作線蟲病害的方法，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供最有效的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。3) 篩選抗性植物和非寄主植物特異根系分泌物作為生物源功能物質(zhì)，為創(chuàng)建無公害植物源殺線劑提供重要依據(jù)。同時(shí)發(fā)揮生態(tài)位優(yōu)勢(shì)功能微生物、營養(yǎng)調(diào)控和土壤外源添加物的根際綜合調(diào)控，致力于改善土壤微生態(tài)環(huán)境，克服線蟲引起的連作障礙；也可通過分子生物學(xué)技術(shù)手段監(jiān)測(cè)線蟲多樣性變化，科學(xué)評(píng)價(jià)不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤質(zhì)量。最終，在控制線蟲方面揭示植物和線蟲在根際間信號(hào)傳遞的分子和生理機(jī)制的新信息，發(fā)展有效且可持續(xù)的控制策略，實(shí)現(xiàn)一套全面集成和優(yōu)化的方法來提高作物產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)的同時(shí)降低作物線蟲??；在土壤質(zhì)量指示生物中實(shí)現(xiàn)植物-寄生蟲相互作用的整體表達(dá)分析，完整評(píng)估基于改變土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)多樣性和土壤質(zhì)量之間的關(guān)系。

圖5 根系分泌物介導(dǎo)的根際調(diào)控克服連作障礙線蟲病的生物學(xué)機(jī)制及其應(yīng)用Fig.5 Rhizosphere regulatory mechanism of bio-fertilizer reducing replant nematode disease

總之，在理論層面明確以根系分泌物為主導(dǎo)，調(diào)控連作障礙的生物學(xué)機(jī)制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步科學(xué)定向調(diào)控植物根際的生物學(xué)過程，發(fā)揮植物-土壤-微生物體系優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的生物學(xué)潛力，這將對(duì)提升土壤健康和促進(jìn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效并實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義，應(yīng)用前景廣闊。