百合連作障礙的生物學(xué)機(jī)理及生物防治技術(shù)綜述

周佳民，王小娥，宋 榮，曹 亮，朱校奇，謝 進(jìn)，戴艷嬌

（1. 湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125；2. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥用植物研究中心，湖南 長沙 410125；2. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院后勤服務(wù)中心，湖南 長沙 410125）

百合為百合科植物，富含卵脂類、氨基酸、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，有養(yǎng)陰潤肺、清心安神的功效[1]，同時還含有豐富以及多糖、皂苷、花青素、生物堿等抗癌活性成分以及增強(qiáng)細(xì)胞免疫功能的生物活性成 分[2-3]。百合分為藥用百合、食用百合和觀賞百合3大類。藥用百合主產(chǎn)區(qū)主要在湖南的龍山、隆回和江西的萬載等縣，其中龍山縣的百合（卷丹百合）種植面積有0.55 萬hm2[4]，隆回縣的百合（龍牙百合）種植面積近0.33 萬hm2；食用百合主產(chǎn)區(qū)分布在甘肅蘭州、江蘇宜興等地，其中甘肅省百合（蘭州百合）種植面積達(dá)1.31 萬hm2[5]，江蘇省百合（宜興百合）種植面積超過667 hm2[6]；觀賞百合主產(chǎn)區(qū)主要在云南、廣東等地，其中，云南省百合（切花百合）種植面積近2 133 hm2[7-8]。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國百合種植面積約33 333 hm2。

同一種植物或近緣植物在同一塊土地上連續(xù)多年種植以后，即使正常管理情況下，也會出現(xiàn)生育狀況變差、病蟲害嚴(yán)重、產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣的現(xiàn)象，稱為連作障礙（continuous cropping obstacles）[9]。近年來，隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，百合種植呈現(xiàn)集約化、連作和種類單一的趨勢，病害多、農(nóng)藥殘留高等已成為百合產(chǎn)量和品質(zhì)降低的主要因素，嚴(yán)重威脅了百合生產(chǎn)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

前人就百合連作的化感自毒作用、土壤理化性狀變化、連作障礙效應(yīng)、形成機(jī)理和防治途徑等方面開展了大量的研究工作[10-18]，但對百合的連作障礙微生物學(xué)機(jī)理研究相對較少；筆者對百合連作障礙形成的生物學(xué)機(jī)理及其生物防治技術(shù)進(jìn)行了綜述，展望了百合連作障礙生物防治技術(shù)的發(fā)展趨勢，旨在為解決百合種植連作障礙提供思路。

1 百合連作的障礙效應(yīng)

連作對百合植株的生長生理特性、營養(yǎng)代謝、產(chǎn)量和品質(zhì)均有較大影響[19]。例如連作使百合植株的根系活力下降、株高變矮、葉面積減小、葉綠素含量降低的同時，還降低了百合體內(nèi)SOD、POD、CAT 的酶活性，使MDA 活性氧自由基不斷積累，導(dǎo)致植株膜脂的正常結(jié)構(gòu)及過氧化功能受損傷，進(jìn)而直接影響百合的生長發(fā)育、干物質(zhì)積累和鱗莖產(chǎn)量[20-21]。

黃鈺芳等[22]研究認(rèn)為，百合長期連作后植株長勢變?nèi)?、種球退化、大田病蟲害發(fā)生嚴(yán)重以及鱗莖產(chǎn)量品質(zhì)下降，且這種大田連作障礙在生產(chǎn)實踐中普遍存在。筆者課題組調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著連作障礙的加劇，百合主產(chǎn)區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)移，如湖南龍山百合的種植區(qū)域逐漸向周邊的湖北來鳳縣、湖南永順縣轉(zhuǎn)移。這在一定程度上影響了百合的道地性，也制約了當(dāng)?shù)匕俸袭a(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 百合連作障礙的生物學(xué)機(jī)理

2.1 土壤微生物區(qū)系變化

土壤微生物包括細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類、原生動物等，其在植物殘體降解、腐殖質(zhì)形成及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)中扮演著十分重要的角色。研究表明，土壤微生物群落多樣性指數(shù)、豐富度及其均勻度指數(shù)均隨著連作年限的增加而降低，連作導(dǎo)致土壤中有益微生物類群減少，而不利微生物類群增加，從而對植株正常的生命活動產(chǎn)生不利影響[23]。百合連作3 a 后，土壤總體微生物群落功能多樣性顯著下降，病害嚴(yán)重的土壤中，鐮刀菌（Fusarium）、絲核菌（Rhizoctonia）、黃萎病菌（Verticillium）、青霉菌（Penicillium）、銹腐病菌（Ilyonectria）5 種病原菌在土壤中豐度相對較高，而未發(fā)病的百合土壤中豐度相對較高的菌屬只有芽孢桿菌屬（Bacillus）1 種。Shang 等[24]和武志江[25]的研究結(jié)果也表明，百合連作土壤中，鏈格孢菌（Alternaria longissim）、灰葡萄孢菌（Botrytis cinereaa）和炭疽刺盤孢菌（Colletotrichumcircinans）等致病菌在連作土壤中相對豐度較高，而叢枝菌根真菌（Mortierella alpina，Glomeromycotan fungus）、木霉屬（Trichoderma sp.）這些植物有益菌相對豐度降低。百合連作土壤中真菌病原菌累積增多，有益菌減少，可能是百合連作產(chǎn)量降低、病害加重的因素之一。馮游滔[26]也得出了相似的研究結(jié)論。張亮[27]對觀賞百合首茬和重茬土壤的真菌、細(xì)菌、放線菌數(shù)量做了對比研究，但對致病菌的種或者亞種未進(jìn)行鑒定。

2.2 土壤酶環(huán)境變化

土壤酶是表征土壤質(zhì)量水平的一個重要生物指標(biāo)，土壤酶活性對生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量流動及土壤肥力的形成起著重要作用，可作為評價土壤肥力的重要指標(biāo)[28]。孫鴻強(qiáng)等[29]研究表明，百合連作使得大田土壤pH 值和含鹽量均上升，出現(xiàn)土壤鹽堿化的趨勢；同時，土壤酶環(huán)境也發(fā)生了變化。隨著百合連作年限增加，大田土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性降低，脲酶和堿性磷酸酶活性增加。張亮[27]也得出了相似的研究結(jié)論，重茬百合大田土壤中過氧化氫酶活性降低，重茬百合的生長勢有所降低，進(jìn)而影響百合的產(chǎn)量。

2.3 植株抗性酶活性變化

植物在進(jìn)化過程中逐漸形成了消除活性氧的抗氧化酶系與非酶促系統(tǒng)，過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物岐化酶（SOD）是保護(hù)酶系統(tǒng)的主要酶，在植物遭受逆境時，可通過清除活性氧等自由基來減輕對植物細(xì)胞膜的傷害，進(jìn)而提高植物細(xì)胞對逆境脅迫的抵抗力[30]。其中，POD 對植物的呼吸作用和光合作用都有一定的保護(hù)作用，可清除體內(nèi)活性氧[31]，CAT 主要清除線粒體電子傳遞、脂肪酸氧化中產(chǎn)生的H2O2[32]。在生產(chǎn)實踐中，百合在連作 2 a 以后，植株可能會出現(xiàn)生長勢減弱、抗逆性和抗病 性下降的現(xiàn)象，導(dǎo)致百合發(fā)病率升高，主要原因是百合連作破壞了百合植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生與清除之間的動態(tài)平衡，引起活性氧的積累，出現(xiàn)氧化脅迫，破壞生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而影響植物的正常生長，甚至導(dǎo)致植物死亡[33]。為維持體內(nèi)活性氧的動態(tài)平衡，植物的抗性酶活性會隨環(huán)境發(fā)生變化，徐品三等[34]研 究表明，長期連作使百合植株中CAT 和SOD 含量下降， POD 活性先升高后降低，MDA 含量持續(xù)升高，進(jìn)而 破壞抗氧化酶代謝平衡，使百合植株生長受到抑制、抗性降低。孫鴻強(qiáng)等[29]研究認(rèn)為，連作顯著降低了蘭州百合的SOD、POD、CAT 活性，提高了葉片MDA 和脯氨酸含量，且隨著連作茬數(shù)增加，這種變化程度加劇，引發(fā)百合體內(nèi)活性氧代謝失調(diào)以及其他生理代謝紊亂，從而影響百合干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成[35]。

黃煒等[36]就化感自毒物質(zhì)2,4-二叔丁基苯酚與尖孢鐮刀菌（F.oxysporum）、茄病鐮刀菌（F.solani）等致病微生物對蘭州百合枯萎病的協(xié)同作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：2,4-二叔丁基苯酚與致病鐮刀菌對蘭州百合枯萎病的發(fā)生具有協(xié)同作用，外源2,4-二叔丁基苯酚可加重由茄病鐮刀菌或尖孢鐮刀菌侵染所引起的蘭州百合枯萎病發(fā)病程度。2,4-二叔丁基苯酚通過改變植物根際栽培介質(zhì)酶活性，促進(jìn)栽培介質(zhì)微生物類型由“細(xì)菌型”向“真菌型”過渡，劣化植株根際微生態(tài)環(huán)境，抑制根系生長發(fā)育，破壞植株抗氧化酶系統(tǒng)與自由基之間的動態(tài)平衡，降低葉片光合效率，進(jìn)而降低植株生長勢，抑制植株的生長，最終降低植株的抗病性。但目前有關(guān)百合連作大田的土壤微生物、土壤酶和植株抗性酶活性的關(guān)聯(lián)性及調(diào)控機(jī)制的研究報道不多。

3 百合連作障礙的生物防治技術(shù)

生物防治技術(shù)主要是通過有益微生物或生物的次生代謝產(chǎn)物來抑制或消滅土壤中某種病原菌或有害生物，因具有綠色、環(huán)保、高效的優(yōu)點(diǎn)，目前生物防治技術(shù)已逐步成為防治作物病蟲害、減輕連作障礙的重要手段[37]。

3.1 使用生物農(nóng)藥

目前，化學(xué)制劑是防治百合連作障礙的主要手段，化學(xué)防治雖然快速有效，但存在產(chǎn)品品質(zhì)下降、污染環(huán)境、破壞土壤根際微生物環(huán)境等問題。因此，選用高效低毒低殘留的生物農(nóng)藥防治百合連作障礙是熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

李麗等[38]研究表明，紫莖澤蘭提取液對百合鐮刀菌有一定的抑制作用，海島素加殺茵劑對百合灰霉病、基腐病有明顯的抗病增產(chǎn)效果[39]。張雪松等[40]研究表明，在西洋參連作土壤中施用紫蘇根粉可以提高根重和產(chǎn)量，對克服西洋參連作障礙十分有益，但對減輕西洋參大田病害作用不明顯。劉樹芳等[41]以268 份放線菌次生代謝產(chǎn)物對百合灰霉病菌的抑菌活性進(jìn)行了室內(nèi)篩選，結(jié)果表明部分放線菌次生代謝產(chǎn)物中存在對百合灰霉病具有較高抑制活性的物質(zhì)，但百合生物藥劑的篩選和大田應(yīng)用效果未見研究報道。

3.2 施用微生物制劑

在土壤中加入拮抗菌及有益微生物，通過與植物病原進(jìn)行營養(yǎng)和位點(diǎn)的競爭，誘導(dǎo)植物抗性機(jī)制的表達(dá)，從而使植物產(chǎn)生抗生性代謝產(chǎn)物，抑制病原的繁殖，降低土壤中病原菌密度，調(diào)整根際微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)植物生長，進(jìn)而實現(xiàn)控制連作障礙的目的[42]。在百合大田中噴施優(yōu)生菌肥，能提高百合植株株高、莖粗、葉片數(shù)、產(chǎn)量及其總糖、粗淀粉、水溶性糖、粗纖維、粗蛋白含量等指標(biāo)，可有效促進(jìn)植株生長發(fā)育、使枯萎期延遲，提高百合鱗莖產(chǎn)量和品質(zhì)[43]。施用光合菌劑肥料、納米生物肥，可以增強(qiáng)觀賞百合生長勢，提高著色指數(shù)，增大花徑，大幅延長花期；同時，還可以提高花瓣可溶性糖含量，促進(jìn)花瓣花色苷和類胡蘿卜素的合成，改善鮮花品質(zhì)[44-45]。武志江等[46]研究認(rèn)為，解淀粉芽孢桿菌對百合鐮刀菌具有較強(qiáng)的拮抗作用，在百合枯萎病的生物防治中具有潛在的應(yīng)用價值，李斌等[47]就百合連作障礙的生防制劑進(jìn)行了研制，但大田應(yīng)用技術(shù)研究報道較少。

3.3 施加生物質(zhì)材料

連作障礙的形成主要與土壤生物環(huán)境的變化有關(guān)，長期連作會改變土壤中微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性，有益物種會減少或消失，而有害物種或病原體的豐度會增加[48]。施用生物炭、土壤改良劑、作物秸稈等生物質(zhì)材料，可以改變土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性，改善土壤酶活性及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，在百合連作障礙防治方面表現(xiàn)出一定的效果[49]。周麗靖等[50]研究表明，生物炭的添加提高了百合連作土壤的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀的含量，在一定程度上提高了土壤酶活性，有益細(xì)菌鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）的豐度也有所升高，而蘭州百合主要致病真菌鐮刀菌屬的豐度下降，降低了百合枯萎病發(fā)生；施用一定量生物炭還可以促進(jìn)百合植株根系增長，提高百合植株根系活力，誘導(dǎo)百合植株保護(hù)酶活性升高，機(jī)體的抗逆性和自我調(diào)節(jié)以及對環(huán)境的適應(yīng)能力增強(qiáng)，對克服百合的連作障礙、提高土壤肥力有明顯的促進(jìn)作用[20,51]。孫繼民等[52]還研制了一種調(diào)理百合連作土壤微生態(tài)系統(tǒng)的土壤調(diào)理劑，但未見大田應(yīng)用報道。

百合連作障礙是植物—土壤—微生物系統(tǒng)內(nèi)諸多因素綜合作用的結(jié)果，采用物理技術(shù)或生物技術(shù)防治百合連作障礙，對環(huán)境和產(chǎn)品污染小，但存在見效慢、效果不穩(wěn)定等不足，前人對此做了大量的研究工 作[53-54]，但有關(guān)百合的連作障礙的生物機(jī)理及生物調(diào)控機(jī)制的研究報道不多，隨著人們環(huán)保意識的逐漸加強(qiáng)，綠色環(huán)保的生物防治技術(shù)配合農(nóng)藝措施等綜合調(diào)控機(jī)制將會引起更大的關(guān)注，將成為今后解決百合連作障礙的技術(shù)發(fā)展趨勢。