叢枝菌根真菌修復(fù)設(shè)施蔬菜連作障礙機(jī)制

趙秀山 趙秀云 唐艷領(lǐng) 蔡毓新 史宣杰

摘要：連作障礙問題嚴(yán)重制約著我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，造成連作障礙的原因主要有土壤理化性狀惡化、植物自毒作用、土壤微生物區(qū)系變化等。解決連作障礙的措施有很多種，生物防治是其中之一。叢枝菌根真菌能與植物形成共生體，研究表明，叢枝菌根真菌能夠改善連作土壤的生物環(huán)境問題、減少作物連作產(chǎn)生的自毒物質(zhì)、改變土壤微生物區(qū)系等，在一定程度上能有效地防治連作障礙。筆者分析了叢枝菌根真菌緩解蔬菜連作障礙的作用機(jī)制，合理評(píng)價(jià)AM真菌克服蔬菜連作障礙的潛力，為解決蔬菜連作障礙問題提供新的研究方向和生物技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：蔬菜;設(shè)施;叢枝菌根;連作障礙;作用機(jī)制

隨著人們對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)品需求量的增加以及我國設(shè)施栽培面積的擴(kuò)大，還受土地資源短缺、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)、單一作物大面積種植等各方面的影響，設(shè)施蔬菜栽培連作障礙日益嚴(yán)重。連作障礙是指在同一塊土地上連續(xù)種植同一種作物或同科作物時(shí)，即使在正常管理水平下，也會(huì)出現(xiàn)作物生長發(fā)育狀況變差、產(chǎn)量和品質(zhì)下降、病蟲害嚴(yán)重等現(xiàn)象。連作障礙發(fā)生的原因有土壤有害微生物增加、土壤次生鹽漬化嚴(yán)重及土壤酸化、植物自毒作用等，這些都會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)。有研究表明，西瓜長期連作會(huì)造成土壤鹽漬化、酸化、病蟲害泛濫以及西瓜的自毒作用，在西瓜連作田里，一般病害發(fā)生率在30%以上，嚴(yán)重的甚至達(dá)到80%;生產(chǎn)上園藝作物連作障礙也日益嚴(yán)重，番茄、辣椒、黃瓜、馬鈴薯等均出現(xiàn)不同程度的連作障礙，蠶豆連作會(huì)導(dǎo)致植株生長瘦弱，出苗差，枯萎病發(fā)生嚴(yán)重，土壤中會(huì)產(chǎn)生多種酚酸物質(zhì)，產(chǎn)量嚴(yán)重下降。在設(shè)施內(nèi)連續(xù)種植芹菜后，芹菜的根結(jié)線蟲、軟腐病、菌核病等病蟲害會(huì)不斷加重，造成產(chǎn)量和品質(zhì)下降。連作障礙危害不斷加劇，嚴(yán)重影響了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

目前防治連作障礙的措施有多種，主要有合理選擇土壤質(zhì)地、合理輪作與間套作、加強(qiáng)田間管理、改良作物品質(zhì)、實(shí)行生物防治、合理進(jìn)行化學(xué)防治、實(shí)行無土栽培等措施。其中，生物防治是利用特定微生物的寄生、競爭營養(yǎng)和空間或產(chǎn)生對(duì)病原菌有害的物質(zhì)等途徑來減少病原菌數(shù)量，促進(jìn)植物健康生長的方法。近年來，AM真菌在防治土壤連作方面的作用日益突出，相對(duì)于化學(xué)防治，它是一種既環(huán)保又對(duì)作物有益的防治方法。

菌根是真菌與植物根系相互作用建立的互惠共生體，在自然界中非常普遍。AM（arbuscular mycorrhizas，AM）真菌是分布十分廣泛的一類菌根真菌，與大多數(shù)陸生植物關(guān)系密切，能與80%以上的高等維管植物建立共生關(guān)系，在一定程度上能改善宿主植物的礦質(zhì)營養(yǎng)，增強(qiáng)植物抗逆性，降低逆境脅迫;還有改良土壤、改善土壤微生物結(jié)構(gòu)群落等功能。陳可等試驗(yàn)表明，西瓜接種地表球囊菌（Glomus versiforme）能提高西瓜根系內(nèi)的苯丙氨酸解氨酶（PAL）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等防御酶活性，使根系對(duì)逆境產(chǎn)生快速反應(yīng)進(jìn)而提高西瓜抗連作障礙的能力;劉起麗的試驗(yàn)表明，AM真菌與番茄共生后，能減輕番茄黃化卷葉撒丁島病毒癥狀（Tomatoyellow leaf curl Sardinia virus， TYLCSV），其根部和芽部聚集的病毒DNA濃度低于處理，表明共生菌根對(duì)番茄產(chǎn)生了有益影響，能夠減弱TYLCSV病毒的危害。筆者旨在總結(jié)該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，合理評(píng)價(jià)AM真菌在克服土壤連作障礙方面的作用和機(jī)制，為當(dāng)前和今后的工作提供參考。

1 設(shè)施蔬菜連作障礙的發(fā)生機(jī)制

1.1 連作障礙導(dǎo)致設(shè)施土壤理化性狀惡化

作物長期連作會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)降低，土壤容重和非毛細(xì)管孔層增大。同時(shí)，在設(shè)施栽培中，設(shè)施內(nèi)溫度較高，土壤水分蒸發(fā)量加大，但土壤得不到雨水淋洗，導(dǎo)致在土壤表面次生鹽漬化現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤含鹽量逐漸增強(qiáng)。而且長期種植同種作物，根系對(duì)土壤中的微量元素連續(xù)吸收利用，致使土壤養(yǎng)分失衡。彭有才等研究表明，長期連作造成土壤中P、S、K等元素明顯富集，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分比例失調(diào)，影響植株的生長。梁銀麗等研究表明，隨著黃瓜連作年限延長，N、P肥增加與K肥增加的比例失調(diào)。作物長期連作也會(huì)使土壤酶活性下降，有研究表明，隨著連作年限增加，土壤酶也會(huì)出現(xiàn)不同變化，土壤脲酶和蔗糖酶活性呈先升后降的趨勢(shì)，土壤過氧化氫酶和中性磷酸酶活性呈下降趨勢(shì)。

1.2 植物自毒作用

自毒作用是指作物通過殘?bào)w分解、淋溶、根系分泌物等方式來分泌或釋放有毒化學(xué)物質(zhì)，對(duì)同茬或下茬、同種或同科作物產(chǎn)生抑制作用的現(xiàn)象。它能夠改變土壤微生物區(qū)系，抑制根系活性，促使病害的產(chǎn)生，導(dǎo)致作物生長發(fā)育不良。酚酸類化感物質(zhì)大量積累，可影響細(xì)胞膜透性、抑制作物自身種子萌發(fā)、影響根系對(duì)養(yǎng)分的吸收等，進(jìn)而加重連作障礙。很多園藝作物如番茄、黃瓜、辣椒等根系可以分泌苯甲酸、肉桂酸、水楊酸等多種自毒物質(zhì)，這些物質(zhì)對(duì)作物吸收養(yǎng)分有直接的阻礙作用。

1.3 設(shè)施土壤微生物區(qū)系變化

作物長期連作會(huì)使土壤中的生態(tài)環(huán)境改變。由于連作土壤長期種植同種作物，栽培環(huán)境單一，會(huì)使土壤中的有益微生物如硝化細(xì)菌、氨化細(xì)菌等生物活性受到抑制，引起土壤微生物區(qū)系發(fā)生變化。連作栽培條件下，大棚土壤微生物結(jié)構(gòu)利于土壤肥力由“細(xì)菌型”向“真菌型”轉(zhuǎn)化，土傳病害加重。喬蓬蕾等研究表明，黃瓜種植后各時(shí)期土壤細(xì)菌群落多樣性指數(shù)呈先降后升的趨勢(shì)，真菌的優(yōu)勢(shì)菌群種數(shù)量呈先降后升再下降的趨勢(shì)。同一塊土地連年種植同種作物，長期不變的適宜溫濕度環(huán)境，加上根系分泌物的長期積累，會(huì)造成病原菌拮抗微生物減少，使得病原菌數(shù)量不斷增加。

2 AM真菌克服作物連作障礙的機(jī)制

2.1 真菌對(duì)連作土壤環(huán)境的影響

AM真菌能夠改善土壤環(huán)境，改善土壤理化性狀。AM真菌在土壤中增殖后能提高寄主細(xì)胞膜通透性，固定土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)和水分，改善根系微生態(tài)環(huán)境。研究表明，AM真菌能夠促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成、改善土壤有機(jī)質(zhì)含量、提高土壤透氣性等;AM真菌可以增強(qiáng)土壤酶活性（如磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶等），平衡連作土壤的菌群結(jié)構(gòu)、pH及營養(yǎng)元素，從而緩解作物連作危害。研究表明，在連作5年的大棚內(nèi)先用80% （ω）氯化苦熏蒸，然后每株草莓穴施60gAM菌劑，對(duì)草莓連作障礙有較好的緩解作用，在始花期和收獲期對(duì)枯萎病的防效可以達(dá)到91.4%和78%。

AM真菌能促進(jìn)植物養(yǎng)分和水分的吸收。AM真菌在土壤中有強(qiáng)大的根外菌絲網(wǎng)，能擴(kuò)大植物對(duì)水分的吸收面積，并驅(qū)動(dòng)土壤養(yǎng)分循環(huán)，提高植物礦質(zhì)離子的吸收量，加強(qiáng)作物與土壤的關(guān)系，形成互惠共生體。AM真菌能夠提高植物抗逆性效應(yīng)，可增強(qiáng)作物對(duì)干旱、水澇、鹽漬、重金屬、高溫、低溫等多種環(huán)境的脅迫，同時(shí)能提高作物的抗病能力。陳瀟等的試驗(yàn)表明，接種AM真菌后，在西瓜與辣椒間作體系內(nèi)，西瓜的地上部鮮質(zhì)量、株高、莖粗、單瓜質(zhì)量均有明顯提高，并且西瓜葉片和根部的過氧化物酶、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等酶活性也明顯提高，表明接種AM真菌可提高作物防御酶活性，有效緩解連作障礙。鹿金穎等的試驗(yàn)表明，AM真菌摩西球囊霉（Glomus mosseae）能降低作物的葉片氣孔導(dǎo)度，增加實(shí)生苗的生長量，顯著增強(qiáng)植株的抗旱能力。郭紹霞等的試驗(yàn)表明，接種AM真菌能提高作物可溶性糖和可溶性蛋自的含量，從而提高植株耐鹽性。AM真菌的菌絲能夠通過對(duì)重金屬的過濾、固持等方式降低重金屬對(duì)作物的傷害。扁豆接種AM真菌后能顯著降低砷的吸收量，增加對(duì)磷的吸收。AM真菌能提高‘金口芹菜的生長，改善品質(zhì)。試驗(yàn)用50mL AM真菌接種物裝入3.5kg的滅菌土中，每盆定植5株芹菜苗，結(jié)果表明，AM真菌處理能顯著提高芹菜根系活力，芹菜的株高、干鮮質(zhì)量、根長均優(yōu)于對(duì)照，也可提高芹菜葉片葉綠素和維生素C含量。

2.2 AM真菌對(duì)植物自毒作用的影響

AM真菌感染作物后，能夠產(chǎn)生酚類化合物、植保素、生物堿等次生代謝物，這些次生代謝物與植物的抗病性有密切關(guān)系，還會(huì)調(diào)節(jié)植物根系分泌物，這些能夠幫助作物抵御病害。AM真菌可以誘導(dǎo)作物合成信號(hào)物質(zhì)來抵御病害，這些誘導(dǎo)物質(zhì)包括茉莉酸、過氧化氫、水楊酸等，他們能激活植物防御系統(tǒng)。馬通等的試驗(yàn)表明，西瓜接種AM真菌后，不論連作時(shí)間長短，AM真菌能有效提高根系內(nèi)總酚含量，減少土壤中酚類物質(zhì)積累，增強(qiáng)西瓜抗病能力，而且在一定程度上增加土壤中黃酮物質(zhì)含量。水楊酸是植物中重要的內(nèi)源信號(hào)物質(zhì)，能激活植物過敏反應(yīng)，AM真菌可以誘導(dǎo)水楊酸暫時(shí)的數(shù)量增加，對(duì)植物激活防御系統(tǒng)有顯著作用。

2.3 AM真菌對(duì)土壤微生物區(qū)系的影響

AM真菌參與植物的生理代謝，它不僅影響植物與植物、植物與其他生物的關(guān)系，還影響AM真菌本身與微生物之間的關(guān)系，所以AM真菌能使植物根系周圍微生物區(qū)系的種類和數(shù)量發(fā)生變化。當(dāng)作物接種AM真菌后，作物根系周圍的細(xì)菌、真菌和放線菌均發(fā)生數(shù)量上的變化。試驗(yàn)表明，作物接種AM真菌后，能誘導(dǎo)作物根內(nèi)過氧化物酶（POD）的合成，提高POD活性，增加根內(nèi)總酚含量。番茄接種AM真菌摩西球囊霉（Glomus mosseae）后，能顯著促進(jìn)番茄株高和莖粗的增長，同時(shí)能增強(qiáng)番茄多酚氧化酶（（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）的酶活性郭修武等的試驗(yàn)表明，每盆4kg連作土加入40gAM菌劑，能明顯促進(jìn)葡萄生長，葉片SOD含量是對(duì)照的2.23倍，根系活力比對(duì)照提高22.33%。

AM真菌改善連作土壤土傳病害的關(guān)系，一方面與病原菌的競爭有關(guān)：當(dāng)作物接種AM真菌后，菌絲會(huì)迅速占據(jù)相應(yīng)的生態(tài)位點(diǎn)，競爭病原物的侵染位點(diǎn)，導(dǎo)致病原物減少，同時(shí)會(huì)誘導(dǎo)根系內(nèi)產(chǎn)生脯氨酸糖蛋白，增大細(xì)胞壁厚度，降低病原真菌對(duì)根系的侵染率;另一方面，AM真菌與其他有益微生物協(xié)同作用，共同抵抗病原菌，當(dāng)作物接種病原菌后，會(huì)刺激拮抗微生物活性，增加有益微生物數(shù)量，增強(qiáng)作物抵御能力，AM真菌與根際促生菌（PGPR）相互作用可以抑制病原菌、改善植物營養(yǎng)與生長、協(xié)同修復(fù)土壤。秋季草莓接種Bacillus subtilis M3和Gmossea BEG29能降低組培苗根壞疽程度及冠腐病病情指數(shù)。秦芳玲等的試驗(yàn)表明，在對(duì)紅三葉草同時(shí)接種解磷細(xì)菌Bacillus megaterium和AM真菌Gmossea時(shí)，對(duì)紅三葉草的生長和磷營養(yǎng)吸收有顯著的促進(jìn)作用，表現(xiàn)明顯的協(xié)同效應(yīng)，而單一接種解磷細(xì)菌則影響不大。在利用磷礦石對(duì)豆科植物的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同時(shí)接種AM真菌和溶磷細(xì)菌，二者能很好地協(xié)同利用難溶態(tài)磷源。說明AM真菌與其他有益微生物的相互作用在養(yǎng)分循環(huán)、利用等方面也發(fā)揮重要作用。

3 問題與展望

為了滿足人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品全年供應(yīng)的需求以及隨著耕地面積的逐漸減少，連作方式越來越普遍，連作障礙問題也引起科學(xué)家們的普遍關(guān)注。目前解決連作障礙的方法主要有輪作、防治土傳病害、培育抗性品種等，但尚無有效的綠色環(huán)保的生物防治方法能緩解連作障礙導(dǎo)致的減產(chǎn)現(xiàn)象。

近年來，隨著對(duì)AM真菌的開發(fā)，大量的試驗(yàn)表明，AM真菌能在一定程度上通過多種相互作用機(jī)制緩解連作障礙，從多方面改善連作地土壤環(huán)境，提高作物的抗病能力，其在社會(huì)生產(chǎn)中有很好的利用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。但目前充分利用AM真菌還有一些亟待解決的問題。AM真菌目前還不能純培養(yǎng)，只有依附植株才能共生存，所以也沒有經(jīng)濟(jì)有效的辦法來篩選AM菌種。隨著對(duì)AM真菌的深入研究，如何克服篩選和增殖問題是未來研究的一部分內(nèi)容，只有克服了這個(gè)問題，才能把AM真菌大量地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中去。另外，在生產(chǎn)中可以把AM真菌與其他有益微生物聯(lián)合起來，協(xié)同緩解連作障礙。不同微生物在時(shí)間、空間上有不同的生理功能和群落結(jié)構(gòu)，混合使用將增強(qiáng)菌根圍效應(yīng)，有助于發(fā)揮AM真菌與不同微生物的協(xié)同能力。如生產(chǎn)上可以將AM真菌與根圍促生菌PGPR相結(jié)合，未來進(jìn)一步研發(fā)AM真菌與PGPR二元和多元復(fù)合微生物制劑系列產(chǎn)品，篩選高效組合菌種，也將成為AM菌劑的發(fā)展趨勢(shì)。在分子水平上，可以利用分子生物學(xué)技術(shù)、蛋白組學(xué)、組織化學(xué)分析法等深入研究AM真菌誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性、克服連作障礙的作用機(jī)制，為下一步田間應(yīng)用AM真菌提供依據(jù)和技術(shù)。隨著對(duì)AM真菌的深入研究和技術(shù)上的突破，未來可將AM真菌商業(yè)化生產(chǎn)，大量應(yīng)用到實(shí)踐中去，作物連作障礙問題有希望得到徹底解決。