殺線植物資源防治植物寄生線蟲病的作用機制及其應用

謝倚帆 ，王旋 ，韋柳利 ，黃銘慧 ，常豆豆 ，王從麗 ，姜野 ，于鎮(zhèn)華 ，李春杰

（1.中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所 大豆分子設計育種院重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150081； 2.中國科學院大學, 北京 100049； 3.鐵力市農業(yè)農村局, 黑龍江 鐵力152500）

0 引言

植物寄生線蟲（plant-parasitic nematodes，PPNs）是危害農作物的重要病原物之一，在世界各地均有分布，而且寄主種類繁多。線蟲通過危害作物根系，致使植株營養(yǎng)不良、長勢弱、抵抗逆境能力下降，進而引發(fā)一些復合性病害[1]，防治難度較大，嚴重影響作物的產(chǎn)量及品質，造成巨大的經(jīng)濟損失。在生產(chǎn)中，植物寄生線蟲病害最常見的防治措施有化學防治、生物防治和抗病品種應用，其中，化學防治最為廣泛，具有簡便快捷、效果顯著的優(yōu)點，但長期大量施用化學高毒殺線蟲劑，給生態(tài)環(huán)境造成了巨大威脅[2]。生物防治可以保持生物的多樣性，具備可持續(xù)治理的優(yōu)勢，但是經(jīng)常會因為生態(tài)環(huán)境的復雜性出現(xiàn)防效不穩(wěn)定的現(xiàn)象[3]，有時見效較為緩慢。我國對于防治大豆胞囊線蟲病的商業(yè)性抗性品種非常有限，并且這些品種大多數(shù)抗性單一，選用抗病品種雖然可有效降低大豆胞囊線蟲的種群密度，但長期連續(xù)種植同一個抗病品種，大豆胞囊線蟲會因選擇壓力而改變群體特性，從而出現(xiàn)新的生理小種，造成抗線品種抗性減弱或消失的現(xiàn)象[4-8]，且市場上非常缺少抗性品種。從農業(yè)可持續(xù)發(fā)展來看，現(xiàn)有的防治措施都存在一定的弊端或局限性，因而，研發(fā)出低毒、高效的綠色農藥或防治措施對于未來生態(tài)農業(yè)的發(fā)展尤為重要，由此，應用一些天然無公害的具有殺線功效的植物資源并結合農藝措施逐漸成為線蟲防治的研究重點。

源于植物的生物活性物質在環(huán)境中的持久性較低，即容易被降解，且對非目標生物安全，這些天然產(chǎn)物制劑包括植物源殺蟲劑、生物肥、有機肥和綠肥等，許多作物和雜草也表現(xiàn)出能抑制線蟲活性的化感作用[2]。植物體內含有大量殺蟲和抑菌的生物活性物質，這些物質能保護植物免受病原微生物的侵害以及害蟲的取食，所以從植物中獲得能抑制有害生物，且對有益生物無害、對高等動物安全、對環(huán)境友好的活性物質備受廣大學者的關注，這類活性物質符合人類發(fā)展現(xiàn)代農藥所追求的目標[9]，對這類活性物質可開發(fā)利用為植物源農藥。因此，為了尋找可以替代逐漸被禁用的高毒化學殺線蟲劑，具有殺線蟲活性的植物資源受到國內外學者的關注。

將殺線植物資源開發(fā)成殺線劑具有選擇性好、低毒、高效等優(yōu)點，這些植物資源的開發(fā)利用對植物寄生線蟲病的綠色防控具有極其重要的應用價值。隨著對其作用機制研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)許多天然產(chǎn)物對線蟲行為和發(fā)育有明顯的抑制作用，如導致線蟲死亡、或亞致死、或失去侵染活性，以及干擾卵孵化和蛻皮等發(fā)育過程等[10]；因殺線植物種類不同導致其體內含有的抑菌殺蟲的活性物質存在較大差異，即使是同一種植物但在不同部位、不同生長環(huán)境和不同發(fā)育時期的殺線蟲活性物質也存在顯著差異，所以其防治作用機制和效果存在不確定性。本文綜述了殺線植物資源防治植物寄生線蟲病的作用機制及其在生產(chǎn)實踐中的應用，以期為制定植物寄生線蟲病合理有效防控措施提供參考依據(jù)。

1 殺線植物資源對植物寄生線蟲的毒害作用

1.1 植物根系分泌物對線蟲侵染和繁殖的抑制作用

有些殺線植物的根系分泌物通過抑制線蟲卵孵化、抑制線蟲的趨化運動能力或對線蟲的排斥作用，甚至能殺死線蟲，進而控制病害發(fā)生的嚴重程度。分析其原因可能是根系分泌物中含有能殺死線蟲或者抑制其侵染活性的化學物質，即這些化學物質對線蟲具有毒殺作用或產(chǎn)生化感作用[11]。非寄主植物根系分泌物在線蟲不能成功定位和侵染植物過程中發(fā)揮著重要作用，研究發(fā)現(xiàn)非寄主植物的根系分泌物能抑制線蟲的侵染和繁殖[12]。抗線品種在大豆連作區(qū)種植后的根系分泌物可抑制大豆胞囊線蟲（Heterodera glycines）的卵孵化，并且抗線4 號能抑制幼蟲在其根內發(fā)育[13]。很多植物根系分泌物中具有殺線蟲作用的物質，具體植物種類和殺線蟲種類詳見表1。研究發(fā)現(xiàn)，從萬壽菊、大豆和辣椒三種植物根系分泌物中，用12%的乙腈進行洗脫的餾分，可以趨避根結線蟲[14]。生產(chǎn)實踐中的很多間（套）作、輪作和伴生等種植方式都利用了植物根系間的化感作用防治土傳根部病害。

表1 具有殺線作用的植物根系分泌物Table 1 The plant root exudates with nematicidal effects

1.2 植物組織提取物對線蟲的毒殺作用

多種植物體組織中都能提取出具有殺死線蟲或麻痹線蟲活性的物質。研究發(fā)現(xiàn)，萬壽菊的根系提取物對南方根結線蟲具有排斥作用，并且對線蟲排斥行為的影響存在劑量效應，但對大豆胞囊線蟲（H. glycines）卻表現(xiàn)為吸引作用[14]；萬壽菊葉的提取物可抑制根結線蟲和盤旋線蟲活性[16,22]；萬壽菊根的水提取物比其他部位的活性高。野紅花（Cephalanoplos oxycantha）植株和葉片內的水溶性提取物可抑制M. incognita卵的孵化，對水稻干尖線蟲（Aphelenchoides besseyiChristie）也具有一定的毒殺活性[17]。毛魚藤（Derris elliptica）根抽提物對松材線蟲（Bursaphelenchus xylophilus）有極強殺線活性[23]。三尖杉（Cephatotaxus fortunei）枝葉提取物對花生根結線蟲（M. arenaria）胚胎發(fā)育及二齡幼蟲的孵化有明顯的抑制作用[24]。菜豆（Phaseolus vulgaris）葉和煙草（Nicotiana tabacum）葉的提取物在24 h 內可以完全滅活或殺死95%的紐帶屬線蟲（Hoplolaimusspp.），且其葉子與土壤混合后仍具有殺線蟲的能力[25]。葫蘆科冷剝皮提取物（CCOPE）可用于保護水稻和番茄免受根結線蟲的感染[26]。因此，部分植物組織提取物中殺線活性物質可以通過浸種和灌根等方式施用以達到防治線蟲的目的[27]，具有較好的開發(fā)和應用前景。

1.3 植物根系分泌物和組織提取物中殺線活性物質鑒定

已有研究報道，可抑制植物寄生線蟲活性的植物約有316 種[28]。目前對于植物根系分泌物中的殺線物質主要集中在影響線蟲的趨避方面，關于分泌物中的活性物質成分鑒定的研究較少，多集中于植物組織提取物的活性物質研究。辣椒（Capsicum annuum）根系分泌中含有化感物質鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）能抑制南方根結線蟲（M. incognita）的生長和繁殖[15]；迷迭香（Rosmarinus officinalisL.）和馬郁蘭（Origanum majoranaL.）根系分泌物中的黃酮類化合物和萜類化合物能夠減少蟲癭數(shù)及根部卵塊數(shù)，降低繁殖系數(shù)，顯著抑制南方根結線蟲（M. incognita）的卵孵化[18]；大蔥（Allium fistulosum）中丁醇提取物對根結線蟲的抑制效果顯著，其主要成分為4-羥基苯乙醇，且隨著4-羥基苯乙醇濃度的升高，對根結線蟲卵孵化的抑制作用也逐漸增強，當4-羥基苯乙醇的濃度為9.6 mM 時卵孵化率低于10%，而濃度提高至19.2 mM時幾乎沒有卵孵化[20]。在健康植物組織中，也含有很多具有殺線蟲活性的化合物，如萜類、噻吩類、生物堿、類黃酮、苦木苦素、糖苷、葡糖異硫氰酸鹽及其水解物等[29-30]。具有殺線蟲活性的植物中菊科種類最多，大約40 種對植物寄生線蟲具有生物活性[14]；其次是豆科植物，有32 種豆科植物對線蟲具有抑制作用[28]，Bijloo[31]研究發(fā)現(xiàn)，毒扁豆堿具有殺線蟲活性，主要源于毒扁豆中的一種可逆性乙酰膽堿酯酶抑制劑。從苦參屬植物苦參中提取的苦參堿是一種天然植物殺線劑，具有胃毒和觸殺作用，可使蟲體蛋白凝固、氣孔堵塞、神經(jīng)麻痹，最終導致蟲體死亡[32]。從魚藤屬（DerrisLour.）植物中分離獲得的魚藤酮，是一種典型的呼吸代謝抑制劑[33-34]；洋蔥和大蒜等百合科蔥屬植物中也含有抑制線蟲活性的多種化感物質。具體活性物質詳見表2。

表2 具有殺線蟲作用的植物組織內的活性物質Table 2 The plant tissue extracts with nematicidal effects

2 線蟲體內的防御反應被抑制

2.1 線蟲體內的防御酶活性減弱

線蟲體內有很多酶類在其防御系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，如轉移酶、氧化還原酶等和纖維素酶、膽堿酯酶、蛋白酶、淀粉酶等水解酶類，對線蟲的侵染、為害、生存和繁殖起著重要的作用[10]。段玉璽在《植物線蟲學》[1]中將線蟲體內的酶按照作用機制分為水解酶類、裂解酶類、連接酶類、氧化還原酶類和轉移酶類?，F(xiàn)有研究表明，在殺線作用機制方面，主要針對于線蟲體內的水解酶類進行研究，其中主要集中于對乙酰膽堿酯酶的研究。乙酰膽堿酯酶在線蟲神經(jīng)興奮傳導過程中起著關鍵作用，而殺線植物體內含有對線蟲卵囊體內的羧酸酯酶和乙酰膽堿酯酶活性具有抑制作用的成分，進而使線蟲卵孵化受到抑制[28]。白花曼陀羅（Datura candida）[38]葉片中的總生物堿和三尖杉[23]中的生物堿均可對控制線蟲神經(jīng)系統(tǒng)的乙酰膽堿酯酶活性有明顯的抑制作用。從唇形科芳香植物中提取的丁香酚作為一種2-烷基（氧基）苯酚的植物化學物質，對線蟲具有很強的毒性，這種化合物可作為乙酰膽堿酯酶抑制劑阻斷章魚胺受體，從而支持基于神經(jīng)系統(tǒng)靶標的殺線蟲作用[39-40]；香芹酮同樣也是一種高效乙酰膽堿酯酶抑制劑，屬于單萜類化合物，通過破壞線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)從而表現(xiàn)出較為顯著的殺線蟲活性[41]。所以，殺線植物體內的活性物質可以通過抑制線蟲體內酶活性來實現(xiàn)對線蟲的毒殺作用。

2.2 線蟲體內的代謝反應受阻

線蟲維持正常的生理代謝，需要必需營養(yǎng)物質如總糖和蛋白質的參與，如果這些營養(yǎng)物質的總量出現(xiàn)不平衡，會阻礙線蟲的正常生命活動，致使線蟲死亡。在線蟲趨性和侵染方面，作為蛋白質的酶在糖類或糖類物質合成過程中可能起著積極的催化作用。從人血草（Stylophorum Lasiocarpum（Olive.）Fedde）中提取的物質3，4-二羥基苯甲酸，可干擾線蟲M. incognita幼蟲體內蛋白質和糖的合成及代謝途徑[16]，并影響線蟲的趨性和侵染。從辣根（Armoracia rusticana）中提取的異硫氰酸可作為親電試劑與線蟲體內的蛋白質不可逆地進行相互作用，從而改變蛋白質功能，進而殺死線蟲[42]。所以，從植物中提取的活性物質可以通過抑制線蟲體內代謝，阻礙線蟲正常的生命活動，進而抑制線蟲活性。

3 殺線植物資源的利用

近年來，越來越多的學者關注具有抑制線蟲生長、發(fā)育及侵染活性的植物資源，利用殺線植物提取物防治線蟲病害，還可利用殺線植物或非寄主植物進行間（套）作、輪作或伴生等農業(yè)種植方式，即通過殺線植物或非寄主植物根系的化感作用降低土壤中有害線蟲的種群密度，達到防治線蟲病害的目的。

3.1 殺線植物提取物的利用

因天然具有殺線蟲的活性物質大多以水作為提取劑，提取物以溶液形式存在，故在存貯、運輸及在生產(chǎn)中與其他制劑的混用和田間持效性等方面比活的生物體更有優(yōu)勢，植物源殺線物質對非靶標植物幾乎沒有傷害，環(huán)境因素對其藥效通常影響不大[43]。因此，人們利用這些物質的直接作用或通過人工合成化合物來防治植物寄生線蟲是當前殺線植物研究的熱點之一。徐漢虹等[22]研究發(fā)現(xiàn)，施入煙草苗床的菊花（Dendranthema morifolium）植株提取物10 倍稀釋液對煙草南方根結線蟲病的防效可達80%以上，也有報道菊花對艾氏短體線蟲具有殺線蟲作用[16]。Vats 和Nandal[44]研究發(fā)現(xiàn)，印楝葉子提取液可顯著減少番茄根結線蟲的根結數(shù)。Nadal 和Bhatti[45]用蓖麻葉子提取液還可有效控制茄子（Solanum melongenaL.）上的爪哇根結線蟲病。三尖杉枝葉粉末對花生根結線蟲的田間小區(qū)試驗最佳防效達89%[46]。大蒜（Allium sativum）提取物可殺死根結線蟲的二齡幼蟲，可使根結數(shù)和土壤中線蟲數(shù)明顯下降[47-48]；韭菜（A. tuberosum）提取物可顯著降低黃瓜和番茄根結線蟲的發(fā)病率[49]。因萬壽菊花中含有大量的葉黃素和根部含有一些具有特殊活性的噻吩類化合物而備受關注[50]，世界各地紛紛引種利用。現(xiàn)今已有多種具有殺線蟲活性的植物源化合物研發(fā)成植物源殺線劑，如苦參堿、印楝素和BB-1 乳油等產(chǎn)品；也有直接用植物提取物加工成殺線劑產(chǎn)品，如紫莖藍溶液[51]。

3.2 殺線植物的利用

植物化感作用在利用殺線植物防病的生產(chǎn)實踐中起著重要作用。植物化感作用是指一種活體植物供體產(chǎn)生并以揮發(fā)、淋溶、分泌和分解等方式，向環(huán)境釋放次生代謝物從而導致同一生境中植物與植物之間相互促進或排斥的生態(tài)學現(xiàn)象[52]?；凶饔迷谵r業(yè)生產(chǎn)中的應用極為廣泛，在作物的單作、間（套）作、輪作、翻埋和覆蓋等種植模式中都有化感作用的存在，但因不同種植物釋放的化感物質種類的差異，和外界各種環(huán)境條件的變化使其作用效果存在差異[53]。

利用化感植物可有效減輕線蟲對寄主的為害程度，使作物增產(chǎn)[10]。如萬壽菊屬植物對多種線蟲都有誘殺作用，國外早已開展了將萬壽菊植物作為線蟲生物源防治的應用研究，且農業(yè)生產(chǎn)者已采用萬壽菊屬植物與農作物間（套）作、輪作等農業(yè)措施[27]。萬壽菊（T. erecta）與黃瓜（Cucumis sativus）間作密度為2∶1 時使土壤中根結線蟲數(shù)量較黃瓜單作（對照）降低66.7%，病情指數(shù)較對照降低51.4%，增產(chǎn)35.7%[54]。萬壽菊與當歸輪作對根結線蟲（Meloidogynespp.）的防效為44.8%[55]。煙草（Nicotiana tabacumL.）與萬壽菊相互輪作，可使線蟲病害發(fā)生呈下降趨勢[56]。茼蒿（Glebionis coronaria）與番茄間作也可減輕線蟲對番茄根部的危害，間作后土壤中線蟲數(shù)量減少26.2%，且番茄根上的根結數(shù)降低了37.7%[21]，茼蒿與黃瓜間作，不僅減輕了南方根結線蟲的發(fā)病程度，還有利于黃瓜的生長[57]。蔥屬（AlliumL.）作物對線蟲病有一定的防控作用，如番茄與大蒜輪作可使田間根結線蟲病害的發(fā)展得到有效控制[58]。番茄伴生分蘗洋蔥可以減輕根結線蟲病并能降低土壤中線蟲密度[59]。另外，利用抗性與非抗品種混播可以控制大豆胞囊線蟲病的發(fā)生程度，并且對大豆植株和根系的生長有促進作用。已有研究顯示，抗線7 號和黑河43 號品種按1∶1 混種后與其各單種處理產(chǎn)量的平均數(shù)相比可增產(chǎn)6.68%[60]；抗線4 號與黑農35 號品種按1∶1 混種后植株群體株高與各單種處理相比分別可增加11.16%和16.9%，同時對于群體根系的生長可增加10.6% ～ 22.2%[61]。也可利用植株破碎殘體作為基肥改良土壤，并減少線蟲的密度，在防治植物寄生線蟲方面取得了很好的效果[22]。有時覆蓋作物組織破碎物當作綠肥被施入土壤中，可改善土壤結構，提高土壤中的有機質含量或營養(yǎng)水平，達到增產(chǎn)效果。通過土壤覆蓋作物起到的線蟲抑制作用，主要歸因于覆蓋物分解過程中釋放到土壤中的產(chǎn)物對線蟲具有毒性[62]。

4 展 望

隨著人們對食品安全意識的增強、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全的長遠考慮，化學農藥在植物線蟲病害防治的弊端引發(fā)廣泛關注，化學殺線蟲劑可供選擇的產(chǎn)品越來越有限，植物病原線蟲病的防治難度也在不斷加大。眾多學者認為植物寄生線蟲病的防治不能依賴傳統(tǒng)的化學防治，而應更多的合理利用間（套）作和輪作種植方式，抗性品種和綠肥的應用，同時加大對挖掘新的、更有應用前景的殺線植物資源的力度，盡快取得突破性進展。

目前，多數(shù)研究仍停留在粗提物對線蟲的作用效果上，對于有效成分的分離與提純方面的研究報道較少，低成本的人工合成活性物質更是缺乏。因此，應探索新型殺線植物資源種類，將更多有價值的殺線植物資源應用到生產(chǎn)上植物寄生線蟲病的防治中。殺線植物對線蟲作用機制的研究較多集中在對線蟲體內酶活性影響以及對線蟲體內營養(yǎng)物質（代謝作用）的影響，還缺乏系統(tǒng)和深入的研究，不利于應用植物源農藥來防治線蟲病。

關于植物源活性物質作為潛力殺線蟲劑的研究報道較多，而商品化的殺線蟲劑很少，應用最多的商品化的植物源殺線蟲劑主要是印楝素[63]和苦參堿[64]產(chǎn)品。生產(chǎn)實踐中對殺線蟲植物利用的例子較多，隨著對殺線植物防治線蟲作用機制的不斷深入研究，殺線植物的推廣應用也將不斷擴大，對極難防治的植物寄生線蟲病害的長期治理將起到巨大的推動作用。植物源殺線蟲劑與化學合成農藥相比，具有選擇性高、低毒、可降解等特點，符合當今環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的綠色理念。隨著市場的迫切需求、研究技術手段的不斷創(chuàng)新及殺線植物活性物質的不斷挖掘和開發(fā)，植物源殺線蟲劑的前景廣闊，勢必會在植物寄生線蟲病防治中起著重要作用，為農業(yè)生產(chǎn)做出更大的貢獻。

盡管天然殺線蟲植物資源在作為新的殺線蟲劑方面已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大的潛力，但目前仍有許多問題值得深入研究。已有研究通過室內生測及溫室盆栽試驗證實了植物體內的活性物質（如生物堿類、醛類、醇類、黃酮類等）具備殺線作用，但在生物防治應用實踐中，面對其他生物和非生物環(huán)境的干擾時是否仍具備殺線作用及其效果穩(wěn)定性有待進一步研究。前人對于活性物質的提取多集中在植物的某一特定組織（如葉、莖、根等）中進行，對于綜合比較這些活性物質在同一植物多個組織內的空間分布及含量差異的研究報道甚少，而在這一過程中，轉錄組學、代謝組學等方法可能成為強有力的研究手段。植物體內的這些天然殺線活性物質的具體作用模式及靶標等還需要進一步明確，為新型殺線蟲劑的開發(fā)提供理論依據(jù)。