連作模式下甜菜土壤微生物研究進(jìn)展

崔汝菲，李 泰，王宇光

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

連作(Continuous cropping)指同一土地上連續(xù)多年栽培同種作物的農(nóng)藝措施[1]。連作障礙，又稱再植病害(Replant disease)[2]，是指連作后即使正常栽培管理也會對作物生長產(chǎn)生不利影響，使其出現(xiàn)產(chǎn)質(zhì)量降低、病蟲害加劇的現(xiàn)象[3]。連作障礙使土壤微生物群落失衡及其區(qū)系惡化，從而導(dǎo)致病原微生物數(shù)量增加，病蟲害嚴(yán)重。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)連作下黃瓜[4]、辣椒[5]、大豆[6]、棉花[7]、花生[8]、百合[9]以及茶樹[10]等病害發(fā)病率增加，造成作物減產(chǎn)和經(jīng)濟損失，嚴(yán)重阻礙現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[11]。

甜菜(Beta vulgaris L.)是忌連作的直根系深根作物，屬藜科甜菜屬，作為世界第二大糖料作物[12]，其種植面積約占全球糖料作物種植面積的1/3[13]，且提供世界30%的糖產(chǎn)量。由于甜菜為直根系深根植物，因此，甜菜受連作影響較大。魏良民等[14]研究發(fā)現(xiàn)，甜菜連作4年糖度較單作下降6.5度，根產(chǎn)量較單作下降50%。連作導(dǎo)致甜菜根部病害嚴(yán)重，立枯病、根腐病等土傳病害發(fā)病率隨連作年限的增加而增加[14]。大量研究表明，連作會影響根際土壤微生物結(jié)構(gòu)[15-17]，反過來，這種改變進(jìn)一步加劇了連續(xù)種植障礙。因此，根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與連作障礙之間的關(guān)系引起了越來越多的關(guān)注。本研究綜述甜菜連作下土壤微生物群落區(qū)系和根際微生態(tài)研究進(jìn)展，以期為解決甜菜連作障礙提供理論基礎(chǔ)。

1 土壤微生物

土壤具有豐富的微生物資源，是微生物種群最多元化的生態(tài)環(huán)境，被稱為“微生物種子庫”[18-19]。土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用，是影響土壤質(zhì)量、肥力和生產(chǎn)力的關(guān)鍵性因素，能夠在某種程度上反映土壤的理化性質(zhì)和養(yǎng)分組成[20-22]。土壤微生物以群落形式存在于土壤中，可促進(jìn)重要養(yǎng)分的循環(huán)，影響植物的生長[23]。其是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動力，可參與土壤有機質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等過程，也是土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和持續(xù)性的保障[24]。Kazuyuki等[25]研究表明甜菜地下組織（主根和側(cè)根）微生物α多樣性顯著高于地上組織（葉片和葉柄），甜菜地上部分微生物群落主要受植物代謝影響，而地下部分微生物不僅受植物代謝影響，而且也受土壤因素影響。因此，研究根際微生物群落對連作甜菜有著重大意義。大量研究表明，造成連作障礙的重要因素是土壤微生物種群失衡及其區(qū)系惡化，其表現(xiàn)為土壤微生物群落中有益微生物減少，有害微生物增多，使有害微生物成為優(yōu)勢菌群的現(xiàn)象[26]。

劉來等[27]研究表明，連作使土壤微生物數(shù)量明顯高于單作，且隨著連作年限增加，土壤中細(xì)菌呈下降的趨勢，而真菌數(shù)量顯著増加，真菌/細(xì)菌比值增大，土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。根際土壤微生物區(qū)系發(fā)生變化，從“細(xì)菌型”高肥力土壤轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢婢汀钡头柿ν寥溃褂泻ξ⑸锍蔀閮?yōu)勢種群，從而導(dǎo)致連作障礙[28-32]。安玉興等[33]研究發(fā)現(xiàn)隨著甜菜連作年限增加，不同類群水平的微生物群落組成和根際土壤多樣性發(fā)生了顯著變化，病原微生物明顯增加，從而加速土傳病害的發(fā)生，嚴(yán)重影響甜菜產(chǎn)質(zhì)量。

1.1 土壤細(xì)菌變化

在根際土壤中，土壤細(xì)菌數(shù)量最多、分布最廣，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用。土壤細(xì)菌與植物互作在土壤的肥力、可持續(xù)性和植物生長發(fā)育中起著關(guān)鍵作用[34]。其對植物生長發(fā)育有著不同的作用，有些細(xì)菌為植物病原體，危害植物健康。而根際促生細(xì)菌(PGPR)[35]，可作為生物防治劑，促進(jìn)植物生長[36-38]。Mark等[39]研究通過細(xì)菌與甜菜根系分泌物實驗表明在根際微生態(tài)環(huán)境中細(xì)菌對于有益和病原微生物的定殖至關(guān)重要，并對植物健康產(chǎn)生相關(guān)影響。Rodrigo等[40]研究表明假單胞菌在土壤中對甜菜植株立枯絲核菌的抑制中起著重要的作用，且觀察到細(xì)菌菌株在單獨測試時缺乏對病原體的活性，當(dāng)構(gòu)成部分微生物群落可以協(xié)同作用，這進(jìn)一步證明依靠微生物群落的特定成分來保護自己免受病原體感染。鄭秀云等[41]研究表明重茬會降低土壤中有益細(xì)菌的豐度，產(chǎn)生有害細(xì)菌。杜秉海等[42]研究表明連作會降低有益細(xì)菌群落的多樣性和豐度，并簡化細(xì)菌群落功能，從而造成植物病害加劇、產(chǎn)量下降的現(xiàn)象。張子龍[43]等研究表明，連作使土壤微生物中固氮菌和分解菌數(shù)目減少，反硝化細(xì)菌數(shù)目增加，從而導(dǎo)致連作障礙影響植株正常生長。安玉興[33]等研究發(fā)現(xiàn)連作甜菜土壤微生物優(yōu)勢細(xì)菌門為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)和酸桿菌門(Acidobacteria)，隨連作年限的增加，假單胞菌(Pseudomonas)豐度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，芽孢桿菌(Bacillus)豐度呈下降趨勢，而酸桿菌門豐度顯著增加。這些研究都表明連作模式下根際微生物群落中細(xì)菌多樣性和豐度顯著下降，有益細(xì)菌減少而致病菌增加，從而影響植株生長。

1.2 土壤真菌變化

真菌是土壤微生物群落的重要組成部分，在土壤生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，是動植物的病原體和共生體[44]。根際是土傳病原體與植物建立寄生關(guān)系的發(fā)生場所，病原體與根際微生物相互競爭。Emilie等[45]研究發(fā)現(xiàn)入侵的病原真菌直接或通過甜菜誘導(dǎo)根際細(xì)菌群落產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致微生物群落組成發(fā)生變化并產(chǎn)生拮抗性狀。鄭毅[46]研究認(rèn)為土壤微生物中有益菌減少和病原菌增加是引起植物連作障礙的關(guān)鍵性因素。顧松松等[47]研究表明連作條件下，土壤微生物中真菌豐度較單作明顯增加，由此推測土壤中真菌數(shù)量增加，導(dǎo)致連作障礙的發(fā)生。連作病害的致病菌大多是真菌，研究較多的真菌致病菌有鐮刀菌屬(Fusarium)、腐霉屬(Pythium)、絲核菌屬(Rhizotonia)、柱孢屬(Cylindrocarpon)、疫霉屬(Phytophthora)等[48]。連作增加了潛在致病菌尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)的相對豐度[49]，而其他有益菌（如青霉菌）的豐度降低[50]。魏丹麗[51]研究認(rèn)為連作條件下三七栽植過程中微生物致病菌為真菌性病菌，發(fā)病率為5%～20%，嚴(yán)重時發(fā)病率更高。師桂英等[52]研究表明百合連作4～5年是真菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生實質(zhì)性變化的關(guān)鍵過渡時期，此時土壤真菌多樣性喪失和結(jié)構(gòu)簡化，這對百合連作種植造成嚴(yán)重影響。有研究表明，造成甜菜種植產(chǎn)質(zhì)量下降和經(jīng)濟損失的主要原因是真菌性病原微生物[53]。隨著甜菜連作年限的增加，鏈格孢屬、鐮孢屬和枝孢屬豐度顯著富集，與休閑土壤相比，甜菜連作根際土壤中的有益真菌毛殼菌明顯較低，致病菌尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)、立枯絲核菌(Rhicoctonia solani)豐度明顯增加[33]。

2 根際微生態(tài)

在植物—土壤—根際微生物相互作用下形成了以植物為主體，根際為核心的根際微生態(tài)系統(tǒng)[54]。根際微生物組(rhizosphere microbiome)是植物根系與土壤環(huán)境在物理、化學(xué)及生物因素的共同驅(qū)動選擇下形成的與根際相關(guān)的微生物組[55]。在根際微生態(tài)系統(tǒng)中，三者之間相互聯(lián)系和制約，形成了一個層次分明的復(fù)雜整體。根際微生態(tài)對連作植物土壤微生物的影響主要包括以下兩個方面，一方面使土壤理化性質(zhì)變化，導(dǎo)致土壤某些養(yǎng)分匱缺，從而影響微生物種群豐度；另一方面連作植物根系產(chǎn)生化感效應(yīng)，分泌根系分泌物，影響植物生長發(fā)育，對根系造成自毒作用，導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)失調(diào)[56]。

2.1 土壤理化性質(zhì)對土壤微生物的影響

土壤理化性質(zhì)是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，連作導(dǎo)致土壤肥力降低、土壤結(jié)構(gòu)退化，并且會擾亂植物生長發(fā)育各階段，從而加劇植株病害發(fā)生程度[57]。敖金成[58]研究認(rèn)為環(huán)境因素對重茬土壤微生物群落有著巨大的影響，具有時空異質(zhì)性。大量研究表明長期單作降低了土壤pH和速效氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)含量，有機質(zhì)(SOM)升高[59-60]。連作導(dǎo)致土壤pH下降，土壤從中性變?yōu)樗嵝?，酸性土壤有利于真菌的生長，并抑制細(xì)菌和放線菌的繁殖[61]。李維華[62]將草莓連作時期分為3個階段，第一階段（連作2～6年），土壤理化性質(zhì)惡化，pH逐年降低，養(yǎng)分失衡；第二階段（連作6～8年），真菌豐度發(fā)生顯著變化，土傳病原體（如尖孢鐮刀菌）積累；第三階段（連作8年以上），細(xì)菌和自毒物質(zhì)發(fā)生顯著變化，酚酸開始積累，土壤呈現(xiàn)養(yǎng)分匱缺。

2.2 根系分泌物對土壤微生物的影響

根際是一個動態(tài)環(huán)境，能夠促進(jìn)植物與附著在植物根部的土壤之間的資源交換[63-64]。根際和植物根系中存在的微生物可以利用其密切的聯(lián)系來實現(xiàn)互惠互利。例如，根際微生物可吸收植物根系分泌物中的碳代謝產(chǎn)物，大豆根系分泌物異黃酮會導(dǎo)致互生菌慢生根瘤菌和病原菌大豆疫霉的產(chǎn)生[65]。Louise等[39]研究認(rèn)為甜菜根系分泌物是影響微生物群落在根部定殖和在根際存活的能力的信號，不同品種甜菜根系分泌物介導(dǎo)特定根際種群（假單胞菌）的選擇。連作植物根系通過向外界分泌化學(xué)物質(zhì)對植物自身產(chǎn)生毒害作用，即自毒作用(Autotoxicity)，其是導(dǎo)致植物連作障礙的重要原因，可通過影響植株土壤微生物結(jié)構(gòu)來抑制植物生長[66]。在連作下，植物代謝產(chǎn)物和根系自毒物質(zhì)分泌的增加，促進(jìn)了病原細(xì)菌的繁殖，并增加了有害微生物的多樣性和豐度，且其使有益細(xì)菌群落豐度和多樣性減少，使土壤微生物菌群的平衡遭到破壞[67-69]。重茬條件下，土壤微生物群落受同一作物的根系分泌物影響，可能會使土壤中特定于作物的微生物富集[70]。謝奎忠等[71]研究表明連作下，馬鈴薯根系分泌物可以顯著促進(jìn)尖孢鐮孢菌的生長，且可增加植物病情指數(shù)。吳林坤等[72]研究表明，施加模擬根際土壤中酚酸混合物比例的外源物質(zhì)，可以明顯促進(jìn)病原性尖孢鐮刀菌的菌絲體生長。楊煥文等[73]研究表明連作降低了土壤的pH，從而刺激了酚酸的積累，以至于改變了細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)和多樣性，最終影響了煙草生長發(fā)育。Miller等[74]研究表明蘆筍根系提取物的咖啡酸可增加尖孢鐮刀菌的活性。連作植物根系會分泌有機酸，降低根系土壤pH，使好酸微生物大量繁殖，從而導(dǎo)致土壤根系微生物群落組成發(fā)生改變[75]。安玉興等[33]研究表明甜菜長期連作的土壤微生物群對土壤中酚酸的降解能力較低，酚酸可能大量積累。重茬作物的根系分泌物會影響根際土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性，從而影響作物的生長發(fā)育，造成連作障礙。

3 總結(jié)與展望

根際微生態(tài)各因子之間的互作對于地上植物健康生長至關(guān)重要。甜菜連作障礙的產(chǎn)生，是土壤根際微生態(tài)各因素之間相互作用、相互影響的結(jié)果（圖1）。連作模式下，甜菜土壤微生物群落和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由細(xì)菌型高肥土壤轉(zhuǎn)化為真菌型低肥土壤，有益菌多樣性和豐度減少，而病原菌則開始增加，其中毛殼菌豐度呈下降趨勢，尖孢鐮刀菌、立枯絲核菌豐度呈上升趨勢。土壤根際微生態(tài)環(huán)境對甜菜土壤微生物的影響主要包括土壤理化性質(zhì)惡化和根系分泌物中自毒物質(zhì)積累，其使微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，打破平衡。

圖1 對比甜菜連作與單作對各因子的影響

連作是甜菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不可忽視的一大障礙。目前，在連作甜菜土壤理化性質(zhì)、化感作用及病害防治研究取得較多成果，而甜菜土壤微生物研究仍處于初始階段，針對根際微生物研究甚少，相關(guān)研究理論大多來源于其他作物。因此，闡明連作障礙下土壤根際環(huán)境中微生物和根際微生態(tài)之間的關(guān)系，是揭示甜菜連作障礙機理的重要內(nèi)容。甜菜連作障礙影響因素較多，各因素之間相互作用，形成復(fù)雜機理，探究甜菜連作障礙還需進(jìn)一步探索。因此，建議在未來甜菜連作研究應(yīng)關(guān)注以下幾個方面：（1）以甜菜連作導(dǎo)致的病原微生物為靶標(biāo)，篩選目的微生物，研發(fā)新型微生物菌劑。（2）利用根際微生態(tài)環(huán)境及化感作用原理生產(chǎn)土壤改良劑。（3）利用分子生物學(xué)技術(shù)綜合分析連作甜菜根際微生物組和微生態(tài)之間的相互作用，進(jìn)一步揭示甜菜連作機制，從而有效防控甜菜連作障礙。