作物自毒作用研究進(jìn)展

鐘淑敏，廖曉蘭

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，湖南 長沙 410128)

由于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，作物的需求量不斷增長導(dǎo)致作物單一化種植成為趨勢，同一片土地長時(shí)間種植單一作物使作物分泌的具有自毒作用的代謝物不斷累積，對(duì)作物的危害越發(fā)嚴(yán)重。自毒作用在作物的很多種中都有出現(xiàn)，主要影響作物自身、土壤環(huán)境、土壤微生物3個(gè)方面。長期受到自毒作用危害的作物，其自身正常生理活動(dòng)受到抑制，土壤環(huán)境酸化且養(yǎng)分失衡，酶活性降低，病原微生物增多，會(huì)導(dǎo)致作物連作障礙的發(fā)生，使之大幅度減產(chǎn)且植株發(fā)病率顯著上升；種植過程中也需要頻繁的更換種植作物的土地。為了減少自毒作用對(duì)作物產(chǎn)業(yè)化種植的限制，需要對(duì)自毒作用對(duì)作物的危害產(chǎn)生重視。

1 自毒作用

作物可通過根、莖、葉、花等各部位向外界以分泌、揮發(fā)、雨水淋溶以及植株殘?bào)w腐爛等方法釋放次生代謝產(chǎn)物。次生代謝物的產(chǎn)生與植物自身適應(yīng)環(huán)境、對(duì)外界生物和非生物脅迫產(chǎn)生響應(yīng)有關(guān)[1－2]。如花色素苷是廣泛存在的一類色素，屬于酚類化合物，花色素苷使植物的花和果實(shí)呈現(xiàn)顏色來吸引動(dòng)物傳播花粉和種子[3]。植保素和木質(zhì)素等物質(zhì)可作為生化壁壘抵御病原物入侵[4－5]，次生代謝物也能夠參與植物的抗病反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[6]。

次生代謝產(chǎn)物的持續(xù)釋放可能會(huì)與植物生長條件的需求存在矛盾，當(dāng)釋放的次生代謝產(chǎn)物對(duì)作物同茬或下茬同種和同科的作物的生長產(chǎn)生抑制作用時(shí)，這種現(xiàn)象被稱為自毒作用(Autotoxicity)[7]。如在缺氧條件下，桃樹根系中的野黑櫻苷會(huì)水解產(chǎn)生扁桃腈，扁桃腈進(jìn)一步水解生成苯甲醛，苯甲醛再經(jīng)過氧化生成苯甲酸，之后隨著苯甲酸在土壤中的不斷積累，抑制桃樹生長[8]。

2 自毒物質(zhì)的種類

作物的次生代謝產(chǎn)物可以分為萜類、酚類、生物堿、肽類、類固醇、甾體類和醌類7大類[9]。根據(jù)次生代謝物合成的起始分子不同可將次生代謝物分為萜類、生物堿、苯丙烷類及其衍生物。酚酸、萜類是報(bào)道較多的自毒物質(zhì)類型，如酚酸中的阿魏酸、對(duì)羥基苯甲酸、丁香酸等，萜類中人參屬作物釋放的皂苷類，還有多種單帖、倍半萜、雙萜以及類萜等。萜類化合物由甲羥戊酸途徑(mevalonic acid pathway)和甲基蘇糖醇磷酸途徑(methylerthritol phosphate pathway，MEP)產(chǎn)生。酚類化合物由莽草酸途徑(shikimic acid pathway)和丙二酸途徑產(chǎn)生。如表1所示，近年來在多種不同植物中鑒定出了多種自毒物質(zhì)，主要為酚酸和萜類，也有硫化物、酯類、酰胺類。單子葉植物綱百合科(LiliaceaeJuss.)和禾本科(PoaceaeBarnhart.)、雙子葉植物綱中的茄科(SolanaceaeJuss.)和五加科(AraliaceaeJuss.)中都有多種作物發(fā)生了自毒作用。而百合、枸杞、丹參、當(dāng)歸、人參、三七等傳統(tǒng)中藥中也有關(guān)于自毒作用的報(bào)道。

表1 2017—2022年自毒作用的相關(guān)報(bào)道以及自毒物質(zhì)的種類Table 1 Reports on autotoxicity and types of autotoxic substances from 2017 to 2022

3 自毒物質(zhì)的影響

3.1 對(duì)植物自身的影響

自毒物質(zhì)對(duì)植物自身最先引起的影響主要在細(xì)胞膜、葉綠體、線粒體等結(jié)構(gòu)上，使液泡分解，細(xì)胞膜和細(xì)胞器被破壞，影響細(xì)胞的滲透性。在對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成影響后，再影響到植物中的激素平衡、氧化應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞呼吸與光合作用等生理過程，如表2所示。

表2 近年來關(guān)于作物自毒物質(zhì)造成影響的相關(guān)報(bào)道(不完全統(tǒng)計(jì))Table 2 Relevant reports on the effects caused by autotoxic substances in recent years(incomplete statistics)

進(jìn)入植物細(xì)胞的自毒物質(zhì)能影響植物葉片中葉綠素的總含量，導(dǎo)致植物光合能力下降。由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到損傷，細(xì)胞內(nèi)活性氧的含量增多，也會(huì)使細(xì)胞發(fā)生膜脂過氧化，胞內(nèi)其他結(jié)構(gòu)也受到影響[29，31，37]。Zhang等利用根系分泌物處理后的甜瓜瓜苗轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，自毒物質(zhì)主要影響甜瓜根系形態(tài)的建成，誘導(dǎo)活性氧的過量累積以及脂質(zhì)過氧化，激活大量抗氧化酶[34]。通過分析轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，自毒物質(zhì)能影響植物葉綠素的正常功能，結(jié)合植株生理指標(biāo)的變化，采用甜瓜葉綠素a熒光瞬變的參數(shù)，可評(píng)價(jià)自毒物質(zhì)對(duì)作物的影響程度[38]。Bu等利用病毒誘導(dǎo)基因沉默技術(shù)(VIGS)沉默GPAT6基因后，通過透射電鏡觀察肉桂酸處理后的黃瓜葉片葉綠體，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組的黃瓜葉片中的葉綠體和類囊體數(shù)量顯著增加，可減輕肉桂酸對(duì)黃瓜的脅迫[39]。

自毒物質(zhì)脅迫造成植株內(nèi)穩(wěn)態(tài)的改變，作物體內(nèi)激素水平也隨之發(fā)生變化，以保證植物在逆境條件下能正常生長發(fā)育[40]。而植物的某些次生代謝物并不是在整個(gè)合成途徑中都具有毒性的，在合成次生代謝物的途徑中的中間體，可能才是有毒次生代謝物的來源。煙草中的17－HGL－DTGS是一種萜類次生代謝物，參與煙草對(duì)外界昆蟲的防御反應(yīng)[26]。對(duì)其合成途徑研究發(fā)現(xiàn)，在17－HGL－DTGS產(chǎn)生過程中，沉默其中參與糖基化(NaUGT74P)或丙二酰化(NaMaT1)的基因會(huì)導(dǎo)致自毒，而沉默香葉基芳樟醇合成酶基因(NaGLS)則沒有，這表明17－HGL或上游生物合成中間體可能具有植物毒性[41]。植物中特殊的糖基化修飾有助于解決植物自身防御反應(yīng)造成的自毒作用。

3.2 對(duì)土壤理化環(huán)境和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

植株分泌次生代謝物質(zhì)到土壤中會(huì)導(dǎo)致土壤pH降低[48]，和土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)改變[49]。受到自毒作用的影響，導(dǎo)致作物抗病能力降低，病原菌等更容易侵染作物。作物枯萎死亡后在土壤中腐解導(dǎo)致病原生物在土壤中的累積。由于酸堿性等環(huán)境條件的改變，土壤中原有的微生物種群逐漸失去優(yōu)勢，而對(duì)作物生長有害的微生物種群會(huì)后來居上[50]。微生物優(yōu)勢種群的改變、土壤養(yǎng)分、酸堿度等條件的變化導(dǎo)致土壤關(guān)鍵酶活性降低，包括水解酶類的脲酶、蔗糖酶、磷酸酶等和氧化還原酶類中的過氧化物酶類等。土壤養(yǎng)分減少且比例失衡，pH值降低導(dǎo)致土壤中重金屬元素溶解和釋放、酶活性降低，以及微生物群落發(fā)生改變等原因共同導(dǎo)致了作物連作障礙(continuous cropping obstacles)的發(fā)生[51]。

4 緩解自毒作用的措施

4.1 改善土壤環(huán)境和微生物群落結(jié)構(gòu)

4.1.1 增施生物肥料

為了緩解部分植物根系分泌的酸性自毒物質(zhì)在土壤中的累積造成的自毒作用，根據(jù)不同作物、不同的生理特性施用特殊配方的生物肥料，改善土壤環(huán)境是近年來使用較多的方法。在土壤中添加高粱茬使黃瓜的成活率提高[52]，利用生物炭和蚯蚓堆肥的有機(jī)改良劑改善大棚中栽種黃瓜的土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)，提高了土壤pH和黃瓜的果實(shí)質(zhì)量[53]。玉米秸稈和污泥堆肥可緩解西瓜連作引起的土壤退化，改善了土壤環(huán)境，增加了缺失的養(yǎng)分[54]。

4.1.2 改進(jìn)種植農(nóng)藝

燕麥和黃芪輪作能顯著促進(jìn)黃芪的生長，提高土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的含量，促進(jìn)土壤養(yǎng)分平衡[55]。黃瓜與大蒜間作與單一種植黃瓜相比顯著提高了土壤轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶的活性[56]。廣藿香與生姜間作可以提高土壤優(yōu)勢菌數(shù)量，改善土壤細(xì)菌代謝和土壤酶活性，從而改善土壤微生物的豐度、多樣性和群落結(jié)構(gòu)[57]。Cheng等通過模擬番茄和大蒜間作，發(fā)現(xiàn)大蒜中的主要化感物質(zhì)二烯丙基二硫化物(DADS)增加了番茄根系活力和葉綠素含量，提高了抗氧化酶(超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和苯丙氨酸氨裂解酶(PAL))的活性和非酶抗氧化劑(谷胱甘肽，GSH)的代謝，并促進(jìn)番茄生長，減少番茄的自毒性[58]。嫁接也可以緩解茄類和瓜類蔬菜的連作障礙，同時(shí)能減少根部病害的發(fā)生，但嫁接植物的表現(xiàn)與選擇的砧木密切相關(guān)[59]。

4.1.3 篩選微生物制劑

通過篩選能分解植物自毒物質(zhì)的菌種制成微生物制劑，利用微生物分解土壤中的自毒物質(zhì)。黃孢原毛平革菌分泌的木質(zhì)素過氧化物酶(LiP)，能氧化多種酚類物質(zhì)，在連作7年黃瓜的土壤中施用黃孢原毛平革菌菌劑后，土壤中酚酸的含量降低，修復(fù)處理后的黃瓜根部病害明顯減輕[60]。楊小瓊等篩選得到的鄰苯二甲酸二丁酯高效降解菌，能降解土壤中的鄰苯二甲酸二丁酯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降解菌的施用可以顯著降低土壤中青枯菌豐度和煙草青枯病的發(fā)病率。土壤消毒劑配施微生物有機(jī)肥及生防菌劑的聯(lián)合使用也能改善茄子連作障礙的發(fā)生，增強(qiáng)茄子的根系吸收能力，從而提高產(chǎn)量[61]。

4.2 選育抗性作物品種

高粱的自毒作用會(huì)抑制種子的萌發(fā)和生長[62]，在不同品種高粱中高粱素(sorgoleone)對(duì)高粱自身影響的研究表明，不同品種高粱中的高粱素含量不同，且3種不同品種中的高粱素使對(duì)應(yīng)的高粱品種的發(fā)芽率分別降低了76.1%、69.4%、58.9%。產(chǎn)生高濃度高粱素的高粱品種會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的自毒作用，所以選育低自毒物質(zhì)含量的品種有助于減輕自毒作用的影響。

5 展望

自毒物質(zhì)的不斷累積致使土壤環(huán)境和微生物群落發(fā)生變化，是導(dǎo)致作物連作障礙的主要原因，也對(duì)作物道地性保護(hù)構(gòu)成威脅?，F(xiàn)有的研究中還沒有關(guān)于自毒作用機(jī)制系統(tǒng)的探索與總結(jié)歸納，缺少有效的防控作物自毒作用的方法。選育抗性品種是解決自毒作用和連作障礙的最有效方法。作物是否是通過某些關(guān)鍵基因響應(yīng)自毒物質(zhì)的影響，進(jìn)一步改變自身的某些性狀?作物內(nèi)何種基因與環(huán)境互作后，引起了自毒物質(zhì)的產(chǎn)生?不同作物產(chǎn)生的自毒物質(zhì)種類相差無幾，產(chǎn)生自毒物質(zhì)的基因和通路是否也有一定規(guī)律?這些都是今后研究的方向。找到相關(guān)的關(guān)鍵基因，通過分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，培育抗性品種，是解決自毒作用導(dǎo)致連作障礙的新思路。