花生青枯病及其土壤微生態(tài)調(diào)控研究進展*

方向陽,禹桃兵,楊 磊,臧華棟,曾昭海,楊亞東

(中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 北京 100193)

花生(Arachis hypogaea)是豆科落花生屬一年生草本植物,兼具榨油、食用、飼料、綠肥等作用[1],是我國重要的油料和經(jīng)濟作物,在保障國家糧油安全方面發(fā)揮著重要作用。中國是全世界最大的花生生產(chǎn)國、消費國和出口國[2]。1993 年以來我國花生總產(chǎn)量始終位列全球第一[3]。當前,我國花生總產(chǎn)量接近1800 萬t,超過國內(nèi)油料作物總產(chǎn)量的50%,約占全球花生總產(chǎn)量的40%[2]?；ㄉ彩俏覈隹趧?chuàng)匯的優(yōu)勢作物之一,其出口量占世界總出口量的一半以上[4]。

由于花生經(jīng)濟效益較高,且主要產(chǎn)區(qū)相對集中,在可用耕地資源匱乏的背景下,其連作現(xiàn)象愈發(fā)嚴重,部分地區(qū)甚至連作10 年以上[5],該現(xiàn)象導(dǎo)致花生生長受阻、病蟲害頻發(fā)、產(chǎn)量下降、黃曲霉毒素積累[6]等問題日益突出?；ㄉB作障礙的發(fā)生由眾多因素造成,主要包括土壤微生物失衡、病原菌大量增殖、自毒物質(zhì)積累等[7],其中土壤微生態(tài)失衡被認為是最主要的原因[8]。青枯病是連作花生土壤微生態(tài)失衡所誘發(fā)的一種典型細菌性土傳病害[9],其發(fā)生頻次及危害的嚴重性在危害花生的幾種細菌性病害中居首位。我國是青枯病發(fā)生最嚴重的國家之一,發(fā)生面積已超過全國花生種植面積的10%[10],嚴重制約了花生產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

本文從花生連作的土壤微生態(tài)出發(fā),對花生青枯病的發(fā)生現(xiàn)狀、病原菌概況、發(fā)病條件、發(fā)生機制、防治方法進行總結(jié),系統(tǒng)梳理了其中關(guān)于土壤微生態(tài)調(diào)控及微生物群落結(jié)構(gòu)構(gòu)建的理論基礎(chǔ),為今后開展相關(guān)研究提供參考。

1 青枯病發(fā)生現(xiàn)狀及病原菌概況

1.1 青枯病的發(fā)生現(xiàn)狀

青枯病是典型的土傳細菌性維管束病害,是世界范圍內(nèi)廣泛傳播、危害嚴重且難以防治的毀滅性病害之一[11]。青枯病主要發(fā)生于全球南北緯45°之間的區(qū)域,包含熱帶、亞熱帶以及部分溫帶地區(qū)[12],并且隨著全球氣候變暖,青枯病發(fā)生逐漸向高緯度的冷涼地帶擴散[13]。我國于20 世紀30 年代首次報道青枯病的發(fā)生,其寄主植物是花生[14]。此后,青枯病從華南、東南向東北、華北不斷發(fā)展,以中部平原、西南山區(qū)、南方沿海地區(qū)受害最嚴重,目前國內(nèi)僅澳門和西藏地區(qū)未見報道[15]。

1.2 青枯病的病原菌概況

青枯病的病原菌為茄科雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum),最開始被稱為茄科假單胞桿菌(Pseudomonas solanaeearum),后來經(jīng)Yabuuchi 等[16]鑒定而更名。茄科雷爾氏菌是一種土壤習居菌[11],能侵染54 個科的450 余種植物[17],其寄主范圍僅次于農(nóng)桿菌(Agrobacterium tumefaciens)[6]。茄科雷爾氏菌為革蘭氏陰性菌,具有嚴格好氧的特性,菌體呈短棒狀、兩端鈍圓,大小為(0.5～0.7)×(1.5～2.0) μm,無芽孢及莢膜,具有1～4 根鞭毛,最適宜的生長溫度為28～33 ℃,最適宜的pH 為6.6。

目前,對茄科雷爾氏菌的分類方法主要有4 種,其中前兩種為當前被國際認可的亞分類系統(tǒng)。第一種是根據(jù)寄主范圍,將茄科雷爾氏菌劃分為5 個生理小種[18],侵染花生的屬于1 號生理小種,并且寄主范圍最為廣泛,不僅能侵染花生,還能侵染茄科和十字花科作物[19]。第二種是根據(jù)對3 種二糖的利用能力及3 種己醇的氧化產(chǎn)酸能力,將茄科雷爾氏菌劃分為5 個生化變種[20],其中侵染花生的3 個生化變種分別是生化變種I、Ⅲ和Ⅳ[21]。第三種是基于復(fù)合種概念,依據(jù)地理起源的不同將茄科雷爾氏菌劃分為4 個演化型,分別為亞洲型(Asiaticum,phylotype I)、美洲型(Americanum,phylotype Ⅱ)、非洲型(Africanum,phylotype Ⅲ)和印尼型(Indonesian,phylotypeⅣ)[22]。第四種是基于第三種分類方法,結(jié)合遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能提出的演化型分類方法,該方法將茄科雷爾氏菌劃分成4 個水平,分別為種、演化型、序列變種和克隆,并依據(jù)這4 個水平劃分為演化型I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ,它們在地理起源上分別與亞洲型、美洲型、非洲型和印尼型4 個分支對應(yīng)[23](表1)。

表1 茄科雷爾氏菌的分類Table 1 Division of Ralstonia solanacearum

2 青枯病的發(fā)生機制、發(fā)病條件及發(fā)病癥狀

2.1 青枯病的發(fā)生機制

茄科雷爾氏菌主要通過流水、土壤、人、畜、昆蟲、農(nóng)機具等多種途徑傳播,也能經(jīng)實生種子傳播[24]。病原菌可以在土壤中長期存活,時間從半年至25 年不等?；ㄉ胁∏?病原菌多棲息于15～17 cm 的土壤耕層[18],也可在病殘體、雜草等中寄存。當周圍環(huán)境條件適宜時,病原菌利用其Ⅳ型鞭毛系統(tǒng)介導(dǎo)的菌體運動和趨向作用來尋找寄主植物[19],并向植株根部靠攏。隨后,病原菌依靠其表面吸附性在植株根部的皮層細胞上形成聚集體或微菌落[20],并分泌DNA 酶來應(yīng)對根際分泌物中由DNA 構(gòu)成的中性粒細胞外陷阱[21]。緊接著,病原菌還會分泌一系列降解酶來破壞植物組織[25],例如聚半乳醛酸酶(PehA、PehB、PehC)、纖維二糖水解酶(CbhA)和果膠甲酯酶(Pme)等,使其快速蔓延,并由根尖、側(cè)根裂紋、傷口、自然孔口等侵入根部[22]。侵入寄主植物根部后,病原菌通過由hrp(hypersensitive response and pathgenicity)基因簇編碼的Ⅲ型分泌系統(tǒng)[26]向寄主植物細胞注射大量效應(yīng)蛋白[27],并誘導(dǎo)寄主植物細胞的磷脂信號傳導(dǎo),同時編碼磷脂酸磷酸酶的基因,使磷脂酸轉(zhuǎn)化為甘油二酯,以此干擾寄主植物的先天免疫系統(tǒng)[28],形成致病菌-寄主植物細胞相互作用的調(diào)控模式。此外,病原菌還會在寄主植物細胞中釋放信號分子以誘導(dǎo)群體感應(yīng)[29],以此誘發(fā)其毒力作用[30]。隨后,病原菌進入寄主植物維管束,并分泌大量胞外多糖(EPS),這是一種由eps基因編碼的復(fù)合物,主要成分為氮乙酰半乳糖醛胺,它與病原菌的致病性密切相關(guān),被認為是導(dǎo)致植物枯萎的主要因素[31]。EPS 能通過掩蓋脂多糖而保護病原菌免受識別和攻擊[32],使病原菌在寄主植物體內(nèi)迅速移動、擴散與定殖。同時,通過產(chǎn)生流體靜壓力而破壞寄主植物導(dǎo)管[33],形成致密的生物膜并阻塞導(dǎo)管[22],進而影響寄主植物的水分運輸,最終導(dǎo)致花生在短期內(nèi)迅速枯萎死亡(圖1)。

圖1 花生青枯病發(fā)病機制Fig.1 Pathogenesis of peanut bacterial wilt

2.2 花生青枯病的發(fā)病條件及發(fā)病癥狀

花生青枯病的發(fā)生與其品種抗性、生育期、栽培條件、氣候條件等密切相關(guān)?；ㄉ谌诰砂l(fā)生青枯病,開花后到結(jié)莢前期發(fā)病最嚴重,該階段發(fā)病率占比在70%以上[34]。結(jié)莢期發(fā)病的花生植株癥狀沒有早期發(fā)病的癥狀顯著[35],在結(jié)莢后發(fā)病會造成花生減產(chǎn)20%～70%,而在結(jié)莢前發(fā)病會加劇花生減產(chǎn)甚至絕收。通常來說,高溫、高濕條件下青枯病發(fā)病嚴重。當土壤表層溫度在25 ℃以上時,干濕交替易誘發(fā)嚴重病害[34]。此外,土質(zhì)對青枯病發(fā)病也存在影響,土質(zhì)黏重和土壤貧瘠均會增加青枯病發(fā)病風險[36]。同時,在長期連作種植下,土壤中茄科雷爾氏菌的種群優(yōu)勢會顯著提升[37],且常年花生連作會導(dǎo)致酚酸類有害物質(zhì)的分泌累積,引起根系細胞損傷,進一步加劇花生青枯病的發(fā)生。

花生感染青枯病后,其典型癥狀表現(xiàn)為急性萎蔫、不失綠和維管束變褐。發(fā)病早期,葉片顏色正常,主莖頂梢的第一、二葉萎蔫,側(cè)枝頂葉暗淡萎蔫下垂,主根根尖軟腐變色,根瘤呈深綠色。發(fā)病中后期,葉片由上至下逐漸萎蔫,根部黑腐,維管束變褐,其葉片、莖部、根部橫切后有白色的菌膿,莢果及果柄為褐色的濕腐狀,果仁不實?；ㄉ嗫莶陌l(fā)病至枯死約7～15 d,少數(shù)為20 d[38]。

3 花生青枯病發(fā)病土壤區(qū)系微生態(tài)特征

連續(xù)種植會改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)并抑制土壤微生物組功能,導(dǎo)致土壤微生態(tài)失衡,這是誘發(fā)花生青枯病的關(guān)鍵原因。同時,青枯病發(fā)病土壤區(qū)系微生態(tài)與健康土壤微生態(tài)也存在較大差異,這種差異與連續(xù)種植花生的土壤狀況存在一致性[39]。

3.1 土壤微環(huán)境特征

連作年限的增加會導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化、酚酸類物質(zhì)濃度增加和土壤酶活性降低,也會導(dǎo)致植物根際分泌物組分發(fā)生變化。比如連作種植后,土壤中N、P、K、Fe 等元素含量下降[40],而土壤養(yǎng)分的變化與青枯病的發(fā)生有密切關(guān)系[41]。連續(xù)種植花生的土壤中會發(fā)生酚酸類物質(zhì)的大量積累,如油酸、香草酸、對羥基苯甲酸等[42],導(dǎo)致土壤pH 下降,不僅對花生植株產(chǎn)生毒害作用,還會刺激土壤病原菌生長[43]。且茄科雷爾氏菌對高濃度酚酸類物質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)性較其拮抗菌強[44],這也進一步揭示了連作誘發(fā)花生青枯病發(fā)生的潛在機制?；ㄉB作超過5 年后,土壤中過氧化氫酶、磷酸酶和脲酶等的活性下降并達到最低值[45]。在青枯病發(fā)病后,土壤中的代謝物質(zhì)及活性發(fā)生變化,例如脲酶、過氧化氫酶、β-葡萄糖苷酶等的活性均明顯低于健康土壤[46]。此外,相較于健康植株而言,感病植株的根際分泌物含有相對比例較高的茄科雷爾氏菌無法利用的碳源[47],可在一定程度上抑制病原菌在根系的定殖。健康的土壤中也含有茄科勞爾氏菌,但是其相對豐度較低[48],隨著連作年限不斷增加,土壤微環(huán)境不斷朝著有利于茄科勞爾氏菌生長的方向發(fā)展,使其逐步在土壤中占據(jù)主導(dǎo)地位,進而導(dǎo)致花生青枯病發(fā)生。

3.2 土壤微生物群落特征

連續(xù)種植花生會導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量發(fā)生顯著變化,微生物組功能受到抑制。研究表明,連續(xù)種植花生可使土壤微生物群落組成由細菌型主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)檎婢椭鲗?dǎo)[49],同時細菌、放線菌數(shù)量及有益微生物相對豐度顯著降低、有害微生物相對豐度增加。連作15 年的土壤中,細菌和放線菌數(shù)量較對照組分別減少39%和50%,真菌數(shù)量顯著增加至對照組的369%[50]。土壤中有益微生物例如芽孢桿菌(Bacillus)、鏈霉菌(Streptomyces)、沙壤土桿菌(Ramlibacter)和溶桿菌(Lysobacter)等[51]豐度降低會造成根際微環(huán)境的抑菌效果減弱,土壤中有害微生物增加,例如尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)和淡色生赤殼菌(Bionectria ochroleuca)等[50]。在青枯病發(fā)病土壤與健康土壤中存在著共同優(yōu)勢菌門,例如酸桿菌門(Acidobacteria)和放線菌門(Actinomycetes)[52]。研究表明,在青枯病發(fā)病土壤中,有益微生物的相對豐度低于健康土壤,例如鞘脂菌屬(Sphingobium)[52]、假單胞桿菌屬(Pseudomonas)[53]、微桿菌屬(Microbacterium)[54]等,這與連作花生土壤中的微生物分布特性相一致。在青枯病感病土壤中,茄科雷爾氏菌成為優(yōu)勢菌屬[48],同時,感病土壤中潛在致病微生物、腐生微生物[46]的比例有所提高,這與連作花生的土壤特性一致。例如腐質(zhì)霉屬(Humicola)和絲孢菌屬(Scedosporium),它們在健康土壤中相對豐度尚未達1%[46]。另外,茄科雷爾氏菌數(shù)量峰值在發(fā)病高峰期而非發(fā)病末期,且青枯病發(fā)病率與發(fā)病末期青枯菌數(shù)量顯著相關(guān)[55]。連作花生的土壤微生物組功能受到明顯抑制,如與微生物通訊和植物促生有關(guān)的群體感應(yīng)途徑以及青霉素、頭孢菌素和異喹啉生物堿等多種生物合成途徑顯著降低[51]。其中,青霉素、頭孢菌素和異喹啉生物堿是常用的抗生素,能有效抑制青枯病等土傳病害[56]。隨著連作年限的增加,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其功能朝著有利于青枯病發(fā)生的方向發(fā)展,促成了花生青枯病的爆發(fā)。

4 花生青枯病土壤微生態(tài)調(diào)控措施

土傳病原菌已成為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要生物因素,是影響根際微生態(tài)和作物健康的重要原因[57]。土壤微生態(tài)與植物土傳病害的發(fā)生密切相關(guān),調(diào)控土壤微生態(tài)對防控花生青枯病具有重要意義。

4.1 改良土壤微環(huán)境

4.1.1 土壤理化性質(zhì)調(diào)控

通過調(diào)整種植制度、改良土壤pH 和生物炭吸附等措施調(diào)控土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì),對實現(xiàn)防治花生青枯病的土壤微生態(tài)調(diào)控具有重要作用。調(diào)整種植制度可以改變由連作引發(fā)的土壤生態(tài)破壞,改良土壤微生物區(qū)系,進而減輕花生青枯病的發(fā)生。輪作種植被認為是青枯病農(nóng)業(yè)防治措施中最經(jīng)濟、有效的方法,可以調(diào)控土壤結(jié)構(gòu),最終減少病原菌數(shù)量、阻斷病原菌生活史和定向變異[58]。研究發(fā)現(xiàn),低土壤孔隙度對土壤菌群生長不利[59],輪作不僅可以提高土壤非毛管孔隙度[60],還可以提高土壤中細菌的數(shù)量及比例[61],在防控花生青枯病方面有一定的積極作用。此外,間作也可以優(yōu)化花生的土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu),例如花生與煙草(Nicotiana tabacum)間作[62]。輪作時,需要選擇青枯病的非寄主植物,包括西瓜(Citrullus lanatus)、甘蔗(Saccharum officinarum)、油菜(Brassica rapa)、禾本科作物[63]等。同時,由于病原菌是嚴格好氣型細菌,采用水旱輪作也可以有效防控花生青枯病。土壤pH 與青枯病發(fā)病有密切關(guān)系,茄科雷爾氏菌最適宜生長的pH 為6.6,其較有益菌群能更好地適應(yīng)酸性土壤[64],因此土壤過酸會加重青枯病的發(fā)生。適當調(diào)控土壤pH 至堿性可在一定程度上減輕青枯病的發(fā)生,如施用一定量的石灰、草木灰、過磷酸鈣等。此外,在不適宜的土壤環(huán)境中,某些元素也會增加青枯病的發(fā)病率,如酸性土壤中,100～300 mg·kg-1的鋁離子會加速青枯病發(fā)生[65]。生物炭作為一種土壤改良劑,可以改善土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)土壤菌群結(jié)構(gòu)[66],同時還具有吸附作用[67],對防治青枯病具有重要意義。首先,生物炭可以通過改善土壤的pH、土壤中的聚合物等土壤理化性質(zhì),促進有益菌群生長,以此防治青枯病[68]。其次,生物炭可以作為土壤中有益微生物的載體,使眾多有益微生物在根際有效定殖[69],有益微生物的富集可以調(diào)節(jié)根際微生物群落結(jié)構(gòu),從而降低青枯病的發(fā)病率。另外,生物炭還具有吸附根際分泌物的能力,使病原菌在趨化作用下遠離植物根際[70],從而抑制病原菌的運動能力[71],減少病原菌在根際的定殖數(shù)量,抑制青枯病的發(fā)生。

4.1.2 土壤養(yǎng)分調(diào)控

合理、科學的施肥是穩(wěn)定土壤理化性質(zhì)、改善土壤微生物生存空間及提高土壤養(yǎng)分含量的唯一選擇[72],適當?shù)靥嵘寥乐械酿B(yǎng)分含量可以有效緩解青枯病發(fā)生[73],土壤養(yǎng)分調(diào)控主要通過化肥、生物有機肥的聯(lián)合施用來實現(xiàn)。施用富含N、P、K 等大量元素的肥料,不僅可以滿足作物的營養(yǎng)需求和提高產(chǎn)量[74],還對防控青枯病有重要作用。以土壤N 素為例,植株對青枯病的抗性不僅與病原菌對氮素的利用率有關(guān)[75],還與其所處土壤環(huán)境中的N 素供給能力有關(guān),N 素水平升高[76]或下降[77]都可能增加青枯病的發(fā)病率。隨著土壤中病原菌相對豐度的增加,某些參與反硝化作用的菌屬的相對豐度也會隨之增加,使土壤N 素水平降低,發(fā)病率增加[73]。在實際生產(chǎn)中,微量元素肥料和生物有機肥的施用常被忽略[78],但土壤中的微量元素和生物有機肥對調(diào)控青枯病也具有不可忽視的作用。研究發(fā)現(xiàn)植株根系吸收土壤中的Si、Mn、Fe 等微量元素能有效防治青枯病[40],這些微量元素可以增強土壤的緩沖能力、保持離子平衡和提高養(yǎng)分的有效性[79],有助于保持土壤理化性質(zhì)和微生物群落穩(wěn)定,增強土壤抑病能力。此外,土壤中的Fe 元素被證實與青枯病發(fā)病息息相關(guān),例如Fe 元素可以誘導(dǎo)病原菌發(fā)生“非致病性”表型轉(zhuǎn)換[80];Fe 元素在土壤中的分配情況與病原菌的大量增殖密切相關(guān)[81]。生物有機肥作為土壤營養(yǎng)資源的投入來源,是一種有效調(diào)控土壤微生態(tài)的手段,對植物健康產(chǎn)生積極影響。生物有機肥主要通過改變根際主導(dǎo)菌群和促進微生物間的相互作用來防控青枯病。研究表明,長期施用生物有機肥可使土壤中的有益菌群不斷富集[82],形成抑病型的根際菌群,增強土壤生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對生物干擾的能力[83]。當致病菌入侵后,施加了生物有機肥的植株根際茄科雷爾氏菌的豐度顯著低于不施加生物有機肥的植株[83];施加生物有機肥的土壤脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性均遠高于不施有機肥的土壤,并且不施加生物有機肥的土壤青枯病發(fā)病率較高[84]。另外,生物有機肥還可以促進微生物之間的捕食相互作用,減少共生的致病菌,有效抑制病害的發(fā)生[85]。

4.2 降低病原菌生物量

4.2.1 施用化學與生物農(nóng)藥

施用化學與生物農(nóng)藥可以影響土壤微生物分布和減少致病菌數(shù)量,能直接抑制青枯病的發(fā)生。在花生感病前,青枯病病原菌主要寄存于土壤耕層、病殘體、雜草等中,因此通過化學藥劑和熏蒸等措施可以直接降低土壤中的病原菌生物量,此調(diào)控方法具有廣譜、速效、便捷、規(guī)?；奶攸c。當前用于防治青枯病的化學藥劑種類繁多,且使用方法各異。例如,施用400 倍或600 倍20%的青枯靈可濕性粉劑能抑制青枯病[86];施用2,6-二叔丁基對甲苯酚和鄰苯二甲酸二甲酯能使植株內(nèi)部及根際的病原菌數(shù)量降低[87];用綠亨系列藥劑處理種子或進行灌根處理可有效抑制青枯病[36];將72%農(nóng)用硫酸鏈霉素和消菌靈1∶1 混用可有效、穩(wěn)定地防治青枯病[88];1 g·L-1的3,4,5-三羥基苯甲酸甲酯能破壞病原菌的細胞壁,抑制其三羧酸循環(huán),從而降低發(fā)病率,防效超過60%[89]。除上述化學藥劑外,常用的還包括乙箱青、四環(huán)素、葉青雙、利福平、萬古霉素、氯霉素、螺旋霉素等。土壤熏蒸也是一種常用的化學調(diào)控措施,但大多數(shù)土壤熏蒸劑環(huán)境毒性高,對土壤生態(tài)系統(tǒng)損害大。最早常用的土壤熏蒸劑為溴甲烷(MB),它對青枯病的防治效果可以達到72%～100%[90],但我國已于2018 年禁止在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用MB。當前,常用于防治青枯病的土壤熏蒸劑包括苦味酸氯、三氯硝基甲烷(Pic)、二甲基二硫醚、1,3-二氯丙烯、棉隆(DZ)等,其中Pic 和DZ 是相對較為環(huán)保的土壤熏蒸劑。然而,由于茄科雷爾氏菌的傳播速度快、途徑廣,導(dǎo)致化學藥劑的實際使用效果不佳,不僅會產(chǎn)生耐藥性、引發(fā)農(nóng)產(chǎn)品安全問題、病情易反復(fù),還會非選擇性地殺滅有益微生物并破壞土壤微生態(tài)[91],造成一定的土壤污染問題,因此通過化學藥劑調(diào)控通常只作為輔助的治療手段。植物源活性物質(zhì)作為生物農(nóng)藥的一類物質(zhì),對茄科雷爾氏菌的生長也有一定的抑制作用,具有易降解、綠色安全、不產(chǎn)生抗藥性、對有益微生物無毒害等優(yōu)點。例如大蒜(Allium sativum)中的乙酸乙酯提取物[92]、柑橘(Citrus reticulata)果肉和海綿組織中提取的“Citrofresh”[93]等。此外,植物根系分泌物也可以抑制病原菌、調(diào)節(jié)土壤菌群,在防控青枯病中也起到重要作用。例如辣椒(Capsicum annuum)根系分泌物中的鄰苯二甲酸二異辛酯和二苯并呋喃[94]、番茄(Solanum lycopersicum)根系分泌物中的咖啡酸[95]等均能在一定程度上抑制致病菌的生長。同時,植物根際分泌物的化學組分也不可忽視,根系分泌物中的碳磷比降低[96]、碳氮比增加[97]、水楊酸含量降低[98],均對病原菌的生長有明顯抑制作用。

4.2.2 引入生防菌株

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能是抑病土壤的核心[99],而土壤微生物失衡被認為是花生連作障礙和青枯病發(fā)生的主要原因之一[8-9],通過引入生防菌株的方式調(diào)控土壤微生態(tài),可以有效減少病原菌生物量[100],并有效抑制土傳病原菌侵入植物根系引起發(fā)病[101]。

抗病品種選育被認為是最有效的防治花生青枯病的方法[58],也是引入根際有益菌群的一種有效方法,對青枯病土壤微生態(tài)具有重要影響。研究發(fā)現(xiàn),與易感品種相比,抗青枯病品種的根際微生物組表現(xiàn)出更強的優(yōu)勢,能夠招募有益根際微生物來為植株抵抗茄科雷爾氏菌提供保護[91]。這些有益微生物進一步通過拮抗、競爭、誘導(dǎo)抗性等機制抑制花生青枯病的發(fā)生。20 世紀20 年代,印度尼西亞培育的‘Schwarz 21’是世界范圍內(nèi)首個抗青枯病的花生品種[102]。當前,我國已培育出高抗花生青枯病品種30 余個[103],主要是來自廣東、廣西和湖北的‘粵油45’‘鄂花7 號’和‘濮花36’等。但是,抗病品種選育依然缺乏在變化環(huán)境下表現(xiàn)出穩(wěn)定抗性的優(yōu)良親本[91],抗病品種存在產(chǎn)量水平普遍低于非抗病品種[104]及對其他病蟲害的兼抗性差[105]等局限性。引入生防菌株調(diào)控土壤微生態(tài)的另一個重要措施是施用微生物菌劑,微生物菌劑通過調(diào)控土壤微生態(tài),有效改良土壤微生物區(qū)系和防治青枯病,其專一性、低毒性可以保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量[60]。生物防治是目前防治青枯病的主流方法(占比高達54%)[106],被認為是最有前景的青枯病防治手段[107]。生物防治通常運用具有生物防治作用的植物根圍促生菌對青枯病進行防治,其具有誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性[108]和促生的作用。這些菌株通過與致病菌競爭營養(yǎng)源、供給根際和土壤養(yǎng)分、分泌拮抗物質(zhì)、誘導(dǎo)植株抗性、殺滅致病菌等抑制青枯病的發(fā)生,具有經(jīng)濟、綠色、安全、可持續(xù)的優(yōu)點,同時也有見效慢、專一性強、穩(wěn)定性差的局限性。目前已知的生防根圍促生菌包括芽孢桿菌、假單胞桿菌、鏈霉菌等。除上述生防菌株外,還可以利用產(chǎn)細菌素的無致病力茄科雷爾氏菌(ABPS)來抑制青枯病,這類菌株可以從自然變異的菌株中篩選分離,也可以經(jīng)誘變獲得。ABPS 可以入侵植物,但不會引起植物萎蔫,其主要防治機制為產(chǎn)生抗菌素作用、生存位點與營養(yǎng)源的競爭和誘導(dǎo)植株抗病性。有研究將ABPS 作為植物疫苗在植物苗期進行接種,可以提高花生的過氧化物酶活性[109],形成植株的免疫抗病特性,達到延緩和防治青枯病的目的。此外,還可以采用噬菌體組合的方式降低茄科雷爾氏菌的數(shù)量[110],從而抑制青枯病發(fā)生。微生物菌株除了防治病害以外,還能改善土壤理化性質(zhì)、提升土壤品質(zhì),例如微枝形桿菌(Microvirga)具有固氮作用[111]、多噬伯克霍爾德氏菌(Burkholderia multivorans)可以降解磷酸鹽[112]。近年來,根際菌群移植已經(jīng)成為防控青枯病的重要方向之一。研究表明,根際微生物組在抵抗茄科雷爾氏菌方面具有重要作用,例如減少茄科雷爾氏菌致病相關(guān)基因[91],還能較土壤中病原菌的豐度更早地預(yù)測青枯病的發(fā)生[95]。有學者從處于營養(yǎng)生長階段的寄主根際菌群中分離獲得了部分菌株,將這些菌株進行移植后,發(fā)現(xiàn)其能降低30%～100%的青枯病發(fā)病率[113]。另外,有研究將具備根際免疫能力的抗性植株的根際菌群移植到易感敏感植株受體根際,發(fā)現(xiàn)青枯病的發(fā)生率降低了47%,且移植成功的根際菌群均以供體的核心拮抗型有益細菌為主,此方法有效提高了植株的根際免疫能力[57]。

由此可見,國內(nèi)外許多學者已通過農(nóng)業(yè)、化學、生物等措施調(diào)控土壤微生態(tài),其中生物調(diào)控手段應(yīng)用最為廣泛,可構(gòu)建健康的、可持續(xù)的土壤微生態(tài)區(qū)系,目前已經(jīng)獲得較多的理論基礎(chǔ)。在根際環(huán)境中,土壤理化性質(zhì)通過影響微生物裝配間接增強土壤抑病能力[114],土壤微生物才是土壤抑病能力的主導(dǎo)核心[99]。土壤微生物失衡被認為是花生連作障礙和青枯病發(fā)生的主要原因之一[8-9]。因此,土壤微生態(tài)調(diào)控對于防治花生連作障礙和青枯病具有重要意義?；谕寥牢⑸鷳B(tài)調(diào)控的生防技術(shù)研發(fā),可能是實現(xiàn)花生連作障礙和青枯病可持續(xù)治理的有效途徑(圖2)。

圖2 土壤微生態(tài)調(diào)控防治花生連作障礙和青枯病Fig.2 Control of peanut continuous cropping obstacles and bacterial wilt based on soil micro-ecological regulation

5 總結(jié)與展望

花生是我國重要的油料和經(jīng)濟作物,因連作誘發(fā)的青枯病導(dǎo)致了極大的產(chǎn)量和經(jīng)濟損失,青枯病的防治也成為了花生研究的重點和難點。土壤微生物失衡是花生連作障礙和青枯病發(fā)生的主要原因,而土壤微環(huán)境作為微生物的生存與營養(yǎng)載體,在青枯病土壤微生態(tài)調(diào)控中也有著同等重要的作用。因此,明晰花生青枯病病原菌特性、土壤微生態(tài)相關(guān)因素(土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、根系分泌物、酶活性、微生物群落特征等)及其調(diào)控措施對科學、可持續(xù)地防治花生青枯病具有現(xiàn)實意義。青枯菌能在土壤中存活較長時間且易發(fā)生遷移,農(nóng)業(yè)和化學調(diào)控方法存在防治周期長、環(huán)境代價大等問題,導(dǎo)致防治難度大且效果有限。生物防治主要通過改善花生根際微環(huán)境和微生物群落功能,抑制病原菌的入侵和生長,兼具精準、高效、生態(tài)等特點,成為花生青枯病土壤微生態(tài)調(diào)控的重要方法。當前,利用生物農(nóng)藥、生防菌劑等調(diào)控青枯病土壤微生態(tài)已具備較多的理論基礎(chǔ),以根際微生物群落組成與功能定向篩選為核心的土壤微生態(tài)調(diào)控途徑,為花生連作障礙和青枯病的防治提供了新思路。因此,未來的花生青枯病應(yīng)注重從土壤微生態(tài)調(diào)控的角度切入,更加注重高效生物農(nóng)藥、拮抗菌劑的研制、應(yīng)用及作用機制解析。同時,在生物防治基礎(chǔ)上,結(jié)合育種、輪作種植、栽培管理等農(nóng)業(yè)防治方法,構(gòu)建合理的花生根際微生物群落結(jié)構(gòu)和功能,改善土壤微生態(tài)環(huán)境,提高花生根際對青枯病的免疫能力,實現(xiàn)可持續(xù)、多樣化、常態(tài)化的綜合綠色防治體系,促進花生產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展。

致謝感謝中國農(nóng)業(yè)大學侯喜慶、劉巖、張辰煜、楊威對論文撰寫和修改提出的寶貴意見和建議。