根系分泌物介導(dǎo)的間作防控土傳病害作用機(jī)制研究進(jìn)展*

周遠(yuǎn)鋒，馮 瑞，湯 利

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部云南耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，云南 昆明 650201)

土傳病害是指生活史中一部分或大部分存在于土壤中的植物病原性真菌、細(xì)菌、病毒和線蟲(chóng)在條件適宜時(shí)侵染植物根系而導(dǎo)致的病害，其發(fā)生極其普遍[1-5]。土壤中引起土傳病害發(fā)生的重要病原菌主要有細(xì)菌類的鏈霉菌屬(Streptomyces)和歐文氏菌屬(Erwinia)，真菌類的鐮刀菌屬(Fusarium)、輪枝菌屬(Verticillium)和絲核菌屬(Rhizoctonia)，卵菌中的腐霉屬(Pythium)和疫霉屬(Phytophthora)等[6]。近年來(lái)，隨著集約化農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，單一作物長(zhǎng)期連作及氮肥和農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品不合理使用等因素，土傳病害日益突出，成為影響作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、土壤健康和限制農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸之一[1]。

間作是中國(guó)傳統(tǒng)的、普遍的并在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中發(fā)揮重要作用的種植模式。現(xiàn)有研究證明：合理間作可以利用不同生態(tài)位改善田間小氣候和土壤微生態(tài)環(huán)境[7-8]，具有增加作物產(chǎn)量[8-11]、提高資源利用效率[12-13]、有效防控病害[12,14-17]、減少溫室氣體排放[10,18]和提高農(nóng)田生態(tài)穩(wěn)定性[8,19]等作用。間作防控土傳病害的可能機(jī)制為：合理間作通過(guò)改變根系分泌物的含量和組分[15,20-22]、提高根際微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性[23-24]、提高作物的物理抗病性和系統(tǒng)抗性[21,25-26]等方式抑制土傳病原菌對(duì)寄主作物的侵染。合理間作有效防控土傳病害已在西瓜||旱作水稻[20]、西瓜||小麥[21,27]、番茄||分蘗洋蔥[22]、煙草||萬(wàn)壽菊[13]、玉米||大豆[16]、玉米||辣椒[28]和小麥||蠶豆[15,23,29-34]等體系中得到證實(shí)，可有效防控西瓜枯萎病、番茄黃萎病、煙草青枯病、大豆疫霉病、辣椒疫霉病和蠶豆枯萎病等土傳病害。Meta 分析表明：間作能平均降低45%的病害發(fā)病率，在小麥||蠶豆體系中，對(duì)蠶豆枯萎病尖孢鐮刀菌的防控效果能夠達(dá)到51%[14]。

根系分泌物是指植物在生長(zhǎng)過(guò)程中根系不同部位通過(guò)分泌或溢泌作用釋放到根際環(huán)境中，具有一定溶解性有機(jī)物質(zhì)的總稱，可以通過(guò)化感自毒作用[35-37]、招募根際微生物[38-42]和改變根際微生態(tài)環(huán)境[43-44]等影響土傳病害的發(fā)生?，F(xiàn)有研究認(rèn)為：間作作物根系分泌物在土傳病害的防控中也發(fā)揮著重要作用。因此，本研究在總結(jié)不同間作模式防控土傳病害效應(yīng)、間作影響根系分泌物組分和分泌量等研究的基礎(chǔ)上，從土傳病原菌非寄主作物根系分泌物對(duì)寄主作物根系分泌物的化感作用、土傳病原菌非寄主作物根系分泌物的抑菌作用、間作根系分泌物誘導(dǎo)根際微生物變化等方面，綜述根系分泌物介導(dǎo)的合理間作防控土傳病害的作用機(jī)理，以期為利用合理間作有效防控土傳病害、促進(jìn)土壤健康和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 間作對(duì)根系分泌物含量和組分的影響

植物根系分泌物的分泌量和組分變化受許多因素影響?，F(xiàn)有研究表明：在田間試驗(yàn)、盆栽試驗(yàn)及不同施肥水平下，間作可改變根系分泌物的組分和含量。低分子量根系分泌物(分子量＜1 000 ku)主要包括糖類、氨基酸、有機(jī)酸和酚酸等[6]。間作較單作能夠提高間作作物根系分泌可溶性糖和氨基酸的能力，這為間作提高根際微生物數(shù)量提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保障[45-46]；根際有機(jī)酸含量的提高是間作活化根際養(yǎng)分、降低鋁毒和螯合重金屬等的機(jī)制之一，間作較單作也促進(jìn)了間作作物根系有機(jī)酸的分泌[47-49]；酚酸類物質(zhì)是根系分泌物中非常重要的化感物質(zhì)，對(duì)植物的自毒作用也是導(dǎo)致連作障礙的重要原因，研究發(fā)現(xiàn)間作較單作減少了酚酸在土壤中的積累[50]。然而，在進(jìn)行盆栽接種病原菌試驗(yàn)中，根系分泌物的含量和組分發(fā)生了明顯變化。在寄主作物單作條件下，接種病原菌后能夠刺激寄主作物根系糖類、氨基酸、有機(jī)酸和酚酸的分泌量增加，而當(dāng)非寄主作物與寄主作物間作時(shí)，接種病原菌后寄主作物根系分泌糖類、氨基酸、有機(jī)酸和酚酸的含量顯著降低。間作降低了寄主作物根系可溶性糖和氨基酸的分泌量，減少了病原菌生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而抑制了病原菌增殖[15,20,51]。此外，間作還降低了寄主作物根系有機(jī)酸和酚酸的分泌量，減少了根際酚酸分泌和土壤積累，減輕了寄主植物的根際自毒效應(yīng)，減輕了土傳病害的發(fā)生[15,20,33,52-53]。不同間作模式對(duì)低分子量根系分泌物的影響見(jiàn)表1和表2。

表1 未接種病原菌條件下間作改變的根系分泌物含量和組分變化(盆栽試驗(yàn))Tab.1 Changes of root exudate contents and components in different intercropping patterns without inoculation of pathogenic bacteria (pot experiment)

表2 接種病原菌后間作改變的根系分泌物含量和組分變化(盆栽試驗(yàn))Tab.2 Changes of root exudate contents and components in different intercropping patterns with inoculation of pathogenic bacteria (pot experiment)

2 根系分泌物介導(dǎo)的間作防控土傳病害作用機(jī)制

根系分泌物是間作體系中土傳病原菌寄主植物—非寄主植物、非寄主植物—病原菌以及病原菌—根際微生物互作關(guān)系的重要調(diào)控者。間作作物根系分泌物的變化對(duì)土傳病害的防控具有重要作用。

2.1 間作體系非寄主作物根系分泌物對(duì)寄主作物根系分泌物的化感作用

連作障礙是一種典型的植物—土壤負(fù)反饋現(xiàn)象，化感自毒作用是連作障礙發(fā)生的機(jī)制之一，植物根系分泌物和殘茬腐解物是化感自毒物質(zhì)的主要來(lái)源[55]。有機(jī)酸和酚酸類化感自毒物質(zhì)對(duì)植物種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、病原菌孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)都會(huì)產(chǎn)生影響，其作用效果主要受不同有機(jī)酸和酚酸種類和濃度的影響。有機(jī)酸和酚酸類化感自毒物質(zhì)對(duì)植物種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、病原菌孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)主要表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的作用[33,51,56-57]。

當(dāng)寄主作物受到病原菌侵染時(shí)，其根系會(huì)分泌大量有機(jī)酸和酚酸以響應(yīng)病原菌脅迫，這與植物的抗病性有關(guān)[15]，然而大量有機(jī)酸和酚酸的累積有助于破壞植物根系細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞更脆弱，病原菌更容易侵入細(xì)胞，促進(jìn)病害發(fā)生[34]。在間作體系中，當(dāng)寄主作物受到病原菌侵染時(shí)，寄主作物與非寄主作物間作后能顯著降低寄主作物根系有機(jī)酸和酚酸的分泌量，寄主作物能夠從自毒作用中得以緩解。這在小麥||西瓜、玉米||大豆和小麥||蠶豆等間作體系中得以證實(shí)[15-16,21]。

LYU 等[21]研究發(fā)現(xiàn)：在尖孢鐮刀菌侵染后，西瓜單作顯著促進(jìn)了西瓜根系有機(jī)酸和酚酸的分泌，增加了西瓜根系的化感自毒作用，而小麥||西瓜顯著降低了西瓜根系分泌有機(jī)酸和酚酸類物質(zhì)，西瓜根系從自毒作用中得到緩解，同時(shí)小麥根系分泌的高濃度香豆酸對(duì)西瓜尖孢鐮刀菌孢子萌發(fā)、產(chǎn)孢量和菌絲生長(zhǎng)均有顯著的抑制作用，從而減輕了西瓜枯萎病的發(fā)生。LYU 等[15]研究表明：外源添加蠶豆?；图怄哏牭毒?，隨著病原菌的侵染，單作蠶豆顯著增加了根系酚酸含量，化感自毒作用明顯，而與小麥間作后的蠶豆根系分泌物中酚酸含量顯著降低，酚酸類自毒物質(zhì)(苯甲酸、阿魏酸和肉桂酸)的含量顯著降低，這可能是由于小麥||蠶豆根系分泌物含量的增加減輕了蠶豆根系化感自毒作用，從而緩解病害發(fā)生。

目前也有研究發(fā)現(xiàn)：2 種作物間作后根系分泌物中有機(jī)酸和酚酸的種類和濃度差異是間作根系分泌物干擾寄主病原菌侵染的重要因素。ZHANG等[16]研究發(fā)現(xiàn)：與大豆單作相比，玉米||大豆的間作根系酚酸分泌種類增加，大豆根系中3 種酚酸(對(duì)羥基苯甲酸、低濃度香草酸和阿魏酸)和玉米根系中5 種酚酸(對(duì)羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸、對(duì)香豆酸和肉桂酸)共存，增加了它們?cè)诟H土壤中的濃度，能顯著抑制大豆疫霉菌對(duì)大豆根系的侵染，對(duì)大豆疫霉菌具有很強(qiáng)的協(xié)同抑制作用。LYU 等[33]通過(guò)水培試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：小麥||蠶豆可調(diào)節(jié)蠶豆根系分泌有機(jī)酸的組成和含量，促進(jìn)更多“有益”有機(jī)酸如(酒石酸和蘋(píng)果酸)從蠶豆根系中釋放，減少了促進(jìn)尖孢鐮刀菌生長(zhǎng)、繁殖和活性的“有害”有機(jī)酸如(富馬酸)分泌；后續(xù)試驗(yàn)也證實(shí)了酒石酸和蘋(píng)果酸對(duì)尖孢鐮刀菌菌絲生長(zhǎng)、產(chǎn)孢和孢子萌發(fā)具有顯著的抑制作用，且隨著濃度增加，抑制作用增強(qiáng)。但目前尚不清楚小麥||蠶豆根系分泌物中具體是哪一類化感物質(zhì)的變化緩解了蠶豆自毒作用，在防控蠶豆枯萎病中起主要作用。

2.2 間作體系非寄主作物根系分泌物對(duì)寄主病原菌的直接抑制作用

作物根系分泌物中部分代謝產(chǎn)物具備廣譜抑菌活性，常見(jiàn)的玉米、水稻、辣椒、韭菜、麥類和番茄中均含有抑菌活性的黃酮類、酚類和苯并噁嗪類等化合物。這些廣譜抑菌活性物質(zhì)可能是通過(guò)誘導(dǎo)病原菌活性氧迸發(fā)、抑制病原菌孢子游動(dòng)和萌發(fā)來(lái)抑制病原菌的生長(zhǎng)[58-60]。在間作體系中，非寄主作物根系分泌物中的關(guān)鍵抑菌物質(zhì)對(duì)寄主作物土傳病害病原菌具有顯著的抑制作用[28,58-59,61-62]，這可能是間作根系分泌物防控土傳病害的機(jī)制之一，但不同間作體系的根系化感抑菌物質(zhì)大不相同。

研究表明：在玉米||大豆體系中，玉米根系分泌的2 種抑菌物質(zhì)-苯并噁嗪類物質(zhì)門(mén)布(6-甲氧基-2-苯并唑啉酮，MBOA)和苯并噻唑類物質(zhì)苯并噻唑(BZO)均可顯著抑制大豆疫霉游動(dòng)孢子的游動(dòng)和其休止孢的萌發(fā)能力，顯著降低大豆疫霉根腐病的發(fā)生，且濃度越高，抑制效果越好[58]。在玉米||辣椒體系中，玉米根系形成“根墻”限制辣椒疫霉菌的跨行擴(kuò)散，玉米根系產(chǎn)生并分泌的抑菌物質(zhì)-2,4-二羥基-7-甲氧基-2H-1,4-苯并噁嗪-3(4H)-酮(丁博亞)、MBOA、BZO 和2-(甲硫基)-苯并噻唑(MBZO)對(duì)辣椒疫霉菌具有顯著的抗菌活性[28]。王菲等[61]研究發(fā)現(xiàn)：桔梗||大蔥根系分泌物中BZO 和MBZO 的相對(duì)含量顯著高于桔梗單作，能夠抑制土壤中致病菌生長(zhǎng)，有效緩解桔梗連作障礙。

在體外抑菌試驗(yàn)中，吳曉婷等[62]證明了大蒜根系分泌物中化感抑菌物質(zhì)-2,6-二異丙基苯酚和鄰苯二甲酸二丁酯對(duì)煙草根腐病病原菌菌絲生長(zhǎng)和孢子萌發(fā)具有較強(qiáng)的抑菌作用；謝一琪等[63]驗(yàn)證了韭菜根系分泌物中化感抑菌物質(zhì)——鄰苯二甲酸二丁酯、2,4-二叔丁基苯酚和2,2＇-亞甲基雙-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)對(duì)苦瓜枯萎病菌菌絲生長(zhǎng)和孢子萌發(fā)具有顯著的化感抑制作用。在小麥||蠶豆體系中，葛狄[64]和GUO 等[4]通過(guò)抑菌試驗(yàn)證明了小麥根提取物和根系分泌物對(duì)病原菌孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)具有顯著抑制作用，且隨著提取物和分泌物濃度的增加，抑制作用增強(qiáng)，表明在小麥||蠶豆體系中，間作小麥可通過(guò)根系分泌物來(lái)抑制尖孢鐮刀菌的促生能力，從而減輕蠶豆枯萎病的危害，但其關(guān)鍵抑菌物質(zhì)目前尚不清楚。

2.3 間作根系分泌物誘導(dǎo)根際微生物進(jìn)而影響病原菌對(duì)寄主植物的侵染

土壤是一個(gè)有機(jī)的、動(dòng)態(tài)的生態(tài)環(huán)境，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)失衡和多樣性降低會(huì)導(dǎo)致根際土壤病原菌數(shù)量激增并入侵作物根系[25,65-66]。根系分泌物作為植物—根際微生物—土壤的調(diào)節(jié)媒介，在根際生物互作中發(fā)揮著重要作用，但不同作物根系分泌的代謝產(chǎn)物存在差異，對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)具有選擇塑造性[67-68]。大量研究表明：2 種作物間作時(shí)的根系分泌物種類和含量遠(yuǎn)高于單作水平，作物通過(guò)合理間作改變間作根系分泌物的種類和含量，可為微生物在植物根際存活提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保障，拓寬根際生態(tài)位，使更多菌群能夠共存，從而調(diào)控寄主植物根際微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性，增加拮抗微生物種類和數(shù)量，減少病原微生物對(duì)寄主植物的侵染[24,69]。根系分泌物引起土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化是間作減緩?fù)羵鞑『Φ脑蛑籟46,52,70-72]。

研究表明：與番茄單作處理相比，番茄||分蘗洋蔥后的番茄根系分泌物更能吸引假單胞菌和芽孢桿菌在番茄根際定殖，顯著提高了番茄土壤假單胞菌屬和芽孢桿菌屬等有益微生物以及鏈霉菌屬等潛在植物促生微生物和潛在拮抗微生物的豐度，進(jìn)而提高番茄誘導(dǎo)抗性，抑制番茄黃萎病的發(fā)生[46]。在小麥||西瓜體系中，田晴等[73]研究發(fā)現(xiàn)：外源添加小麥根系分泌物可降低西瓜根際土壤中總真菌、尖孢鐮刀菌和西瓜?；图怄哏牭毒木贺S度，增加對(duì)病原菌有拮抗作用的毛殼菌屬和頂孢霉屬的相對(duì)豐度。小麥根系分泌物引起的西瓜連作土壤真菌群落的變化是小麥||西瓜緩解西瓜枯萎病的原因之一。

在小麥||蠶豆體系中，田間試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)也證明間作根系分泌物和根際微生物的變化是間作防控蠶豆枯萎病的重要因素之一[23,71-72]。研究發(fā)現(xiàn)：小麥||蠶豆改善了單一的蠶豆根系分泌物組分，降低了蠶豆根系分泌物對(duì)病原菌的促生作用。在盆栽接種病原菌的試驗(yàn)中，小麥||蠶豆較單作顯著降低了蠶豆根系糖類、氨基酸、有機(jī)酸和酚酸的分泌量，改變了有機(jī)酸和酚酸的種類，使根系分泌物對(duì)蠶豆根系的組織結(jié)構(gòu)和生理生化抗性都有顯著影響[15,34,36]。楊智仙等[72]、董艷等[74]和王宇蘊(yùn)等[23]的研究也證實(shí)：與蠶豆單作相比，小麥||蠶豆能顯著改變蠶豆根際微生物群落結(jié)構(gòu)，提高蠶豆根際微生物總量和多樣性，顯著增加短芽孢桿菌、多黏類芽孢桿菌和熒光假單胞菌的豐度，降低蠶豆根際土壤尖孢鐮刀菌數(shù)量和豐度，揭示了小麥||蠶豆減輕蠶豆枯萎病的微生物學(xué)機(jī)制。但小麥||蠶豆根系分泌物差異代謝產(chǎn)物與根際微生物的互作關(guān)系及貢獻(xiàn)率仍需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，間作對(duì)根系分泌物的含量和組分變化都產(chǎn)生了較大影響。合理間作通過(guò)改變間作根系分泌物的種類和含量，使非寄主作物根系分泌物對(duì)寄主作物根系分泌物產(chǎn)生化感促進(jìn)作用，降低了寄主作物根系自毒物質(zhì)的相對(duì)含量，減輕了寄主作物根系化感自毒作用。合理間作后，作物根系分泌物種類和含量的增加為微生物在作物根際存活提供了更多的碳源，降低了微生物生態(tài)位重疊度，為微生物生長(zhǎng)提供更多生態(tài)位，更多菌群能夠在寄主作物根際共存。微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的提高以及拮抗微生物種類和數(shù)量的增加，抑制了土傳病原菌在土壤中的增殖和對(duì)寄主作物根際的侵染。同時(shí)，非寄主作物根系分泌的抑菌物質(zhì)具備廣譜抑菌活性，對(duì)土傳病原菌具有顯著的抑制作用也是根系分泌物介導(dǎo)的間作防控土傳病害的作用機(jī)制之一。

現(xiàn)有研究和生產(chǎn)實(shí)踐已證明，合理間作是有效防控土傳病害、緩解連作障礙、促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色增產(chǎn)的重要途徑，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。間作作物根系—根系分泌物—土壤微生物的互作是涉及土壤學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、農(nóng)業(yè)微生物學(xué)、植物病理學(xué)和農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜工程。有關(guān)不同間作體系土傳病原菌寄主作物與非寄主作物根系分泌物種類和含量的變化及其對(duì)寄主作物生理生化特征、病原菌菌絲生長(zhǎng)、產(chǎn)孢和孢子萌發(fā)產(chǎn)生的化感作用，與土傳病害相關(guān)的間作根系分泌物差異代謝產(chǎn)物與病原菌、拮抗菌之間的互作關(guān)系以及可能發(fā)現(xiàn)的更多化感抑菌物質(zhì)等均有待于進(jìn)一步研究。因此，今后對(duì)根系分泌物介導(dǎo)的間作防控土傳病害研究應(yīng)加強(qiáng)以下方面：(1)目前仍有很多未知組分物質(zhì)未被鑒定，需進(jìn)一步完善根系分泌物的收集、提取、分離和鑒定等研究；(2)通過(guò)結(jié)合代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和基因組學(xué)等多組學(xué)技術(shù)，深入探討研究間作根系分泌物與根際微生物互作及其防控土傳病害的作用機(jī)制。