地黃連作障礙研究進(jìn)展

羅夢(mèng)香, 張森, 周旺, 王毅博, 史明子, 郝尚華, 王明道

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,河南 鄭州 450002)

地黃Rehmanniaglutinosa屬于玄參科Scrophulariaceae 地黃屬Rehmannia,多年生草本植物。一般在4月種植,10月采收[1]。其塊根可入藥,具有很高的藥用價(jià)值。在《神農(nóng)本草經(jīng)》中首次記載,被列為上品藥材[2]。地黃屬于道地藥材,據(jù)《本草綱目》記載:“今人以懷慶地黃為上”;《本草從新》中寫道:“以懷慶肥大而短,糯體細(xì)皮,菊花心者佳”[3],故稱之為懷地黃,懷地黃與懷菊花、懷山藥、懷牛膝并稱為中國的“四大懷藥”[4]。在今河南的溫縣、武陟、博愛、沁陽等地區(qū)是地黃的道地產(chǎn)區(qū)[5]。地黃喜溫耐旱,適宜生長(zhǎng)在光照充足的環(huán)境中,溫縣、武陟等地區(qū)地勢(shì)平坦,土壤多為黃河沖積形成的沙壤土,土質(zhì)疏松,光照充足,氣候溫和,天然的氣候條件正適合地黃的生長(zhǎng)[6-7]。地黃在種植的過程中存在著一個(gè)嚴(yán)峻的問題—連作障礙[8]。連作障礙嚴(yán)重制約著地黃的產(chǎn)量和品質(zhì),對(duì)地黃產(chǎn)業(yè)發(fā)展造成相當(dāng)大的損失。

1 地黃連作障礙

1.1 連作障礙

連作障礙是指在同一塊土地上,以相同的栽培條件管理,連續(xù)種植同一種或親緣作物,導(dǎo)致作物生長(zhǎng)狀況不良、產(chǎn)量較低、病蟲害發(fā)生加重、品質(zhì)下降[9]。近年來中醫(yī)藥學(xué)發(fā)展前景越來越好,中國對(duì)中藥材的需求量也隨之越來越大。在藥用植物栽培的過程中普遍存在連作障的現(xiàn)象,據(jù)統(tǒng)計(jì),約有70%的根莖類藥用植物在種植時(shí)會(huì)受到連作障礙的影響,如地黃、白術(shù)、三七、人參、半夏、西洋參、當(dāng)歸等。連作障礙這一問題已經(jīng)成為制約中國藥用植物發(fā)展的關(guān)鍵性因素[10-11]。

1.2 連作障礙的危害

地黃連作通常表現(xiàn)為:植株地上部分冠幅、葉片較小,葉片數(shù)減少;地下部分塊根無法正常膨大,須根增多,不能形成可入藥的商品藥材;病蟲害侵染植株比較嚴(yán)重,植株在生長(zhǎng)的過程中多病易死[12]。試驗(yàn)結(jié)果表明,種植后大約50 d,地黃的生長(zhǎng)就開始顯現(xiàn)出連作效應(yīng)。隨著地黃的生長(zhǎng),頭茬地黃和重茬地黃的差異愈來愈明顯。在地黃生長(zhǎng)苗期,其體內(nèi)的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性開始下降,且丙二醛(MDA)含量顯著高于頭茬地黃。這表明地黃在受到連作脅迫時(shí),活性氧和自由基在細(xì)胞內(nèi)積累,機(jī)體的抗氧化系統(tǒng)受到破壞,脂質(zhì)過氧化程度顯著增高,從而使細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能受到了不同程度的損傷[12]。此外,重茬地黃體內(nèi)的葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度和根系活力均低于同期的頭茬地黃,使得重茬地黃的光合能力減弱,生長(zhǎng)發(fā)育受阻,塊根的膨大受到了抑制[13-14]。

2 連作障礙的形成機(jī)制

地黃是受到連作障礙影響最嚴(yán)重的藥用植物之一,其連作障礙的形成機(jī)制比較復(fù)雜,是多種因素共同作用的結(jié)果,這些因素相互作用,又相互制約。研究表明,可將連作障礙機(jī)制概括為土壤理化性質(zhì)劣化、土傳病蟲害加劇和植物的化感自毒作用[15]?，F(xiàn)在認(rèn)為化感自毒是造成連作障礙的主要原因之一。

2.1 土壤理化性質(zhì)劣化

2.1.1 土壤養(yǎng)分失調(diào) 藥用植物在生長(zhǎng)的過程中對(duì)土壤中礦質(zhì)元素和微量元素的吸收具有選擇性,在同一塊土壤上長(zhǎng)期連續(xù)種植地黃往往會(huì)導(dǎo)致特定營養(yǎng)元素的缺失,如果不及時(shí)補(bǔ)充所虧缺的元素,地黃的生長(zhǎng)將會(huì)受到脅迫,病蟲害也會(huì)隨之加劇[16]。連作通常會(huì)使土壤的黏粒粒徑增加,團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被破壞,孔隙度降低,透氣性變差,板結(jié)變硬,最終導(dǎo)致土壤的物理性狀劣化,使地黃的抗逆性下降,生長(zhǎng)受到抑制[16-17]。

2.1.2 土壤鹽漬化 由于缺乏對(duì)連作障礙的科學(xué)認(rèn)知,農(nóng)戶在種植的過程中通常會(huì)加大農(nóng)藥和化肥的施用量,結(jié)果卻收效甚微。這不僅增加了種植的成本,而且未被利用的化肥會(huì)殘留在淺層耕作的土壤中,會(huì)導(dǎo)致農(nóng)殘指數(shù)超標(biāo),土壤環(huán)境被污染和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,從而影響地黃的生長(zhǎng)。

在重茬土壤中種植地黃,根系分泌的化學(xué)物質(zhì)會(huì)在土壤中過量積累,使土壤的酸堿平衡被破壞,土壤pH降低。土壤pH改變會(huì)影響土壤中礦物質(zhì)養(yǎng)分的有效性,進(jìn)而影響地黃根系對(duì)養(yǎng)分的吸收利用。濫用化肥會(huì)造成土壤鹽漬化,土壤溶液濃度增加,滲透勢(shì)變高,影響作物吸收水分和營養(yǎng),造成植株生長(zhǎng)發(fā)育不良,導(dǎo)致地黃品質(zhì)受到影響[18]。

2.2 土傳病蟲害加劇

一般情況下,作物與土壤微生物之間會(huì)形成一個(gè)良好的平衡關(guān)系,互利共生。作物長(zhǎng)期連作時(shí),土壤中會(huì)滋生大量的害蟲和有害微生物,導(dǎo)致病原體增多,土傳病蟲害加劇[19]。通過對(duì)黃瓜連作障礙的研究證實(shí),大量的病原微生物引起的病蟲害增多與黃瓜連作密切相關(guān)[20]。有研究表明,地黃連作時(shí)土壤中病原微生物及線蟲數(shù)量增多,會(huì)引發(fā)地黃的根腐病、莖腐病[21]。

2.3 植物的化感自毒作用

植物在生長(zhǎng)發(fā)育的過程中,會(huì)向環(huán)境釋放一系列的代謝產(chǎn)物,如通過根系分泌有機(jī)酸、香豆素等物質(zhì),去活化礦質(zhì)元素、緩解離子毒害、招募益生菌群等,這些有機(jī)物也會(huì)影響周圍其他植物的生長(zhǎng),引起植物間相互排斥或促進(jìn)的現(xiàn)象。

2.3.1 植物的化感作用 化感作用是指植物或者微生物向周圍的環(huán)境中釋放出某些化學(xué)物質(zhì),這些物質(zhì)可能會(huì)影響鄰近的植物或者微生物的生長(zhǎng)發(fā)育。化感作用是在根系分泌物介導(dǎo)下的植物-土壤-微生物3者相互作用的結(jié)果,包括自毒作用、自促作用、化感偏害作用和互惠作用[22]。植物分泌的化感物質(zhì)能夠影響植株的呼吸作用、光合作用、體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)、激素水平、改變細(xì)胞膜的功能和滲透性及根系對(duì)礦物質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收[23]。

2.3.2 化感自毒物質(zhì) 化感物質(zhì)都是次生代謝產(chǎn)物,包括萜類、酚類、生物堿、炔類等,主要是萜類和酚類[24]。地黃中常見的酚酸類物質(zhì)有香豆酸、香草酸、丁香酸、阿魏酸和對(duì)羥基苯甲酸[25-26],這些酚酸類物質(zhì)被認(rèn)為是潛在的化感自毒物質(zhì)[27]。研究表明,與對(duì)照土樣相比,種植過1 a地黃的根際土樣,土壤中酸性化感物質(zhì)含量增加,如阿魏酸、香草酸、香草醛等[28]。通過高效液相色譜法對(duì)地黃不同生長(zhǎng)發(fā)育階段根際分泌酚酸的含量進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果表明,丁香酸在化感自毒物質(zhì)中起著主導(dǎo)作用[29]。

2.3.3 化感自毒物質(zhì)作用機(jī)制 地黃連作障礙是在土壤這個(gè)“暗箱”中形成的,以地黃根際為中心,由地黃自身、微生物群落、化感自毒物質(zhì)和土壤生態(tài)環(huán)境等多種因素共同作用導(dǎo)致的。如多米諾骨牌效應(yīng)一樣,化感自毒物質(zhì)在土壤中過度積累,有害微生物種群數(shù)量會(huì)隨之增多,有益微生物數(shù)量減少,影響植株的生長(zhǎng)代謝,繼而引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng),最終導(dǎo)致連作障礙的發(fā)生[30]。

通過變性梯度凝膠電泳對(duì)頭茬和重茬地黃在不同生長(zhǎng)時(shí)期的微生物種群進(jìn)行分析,結(jié)果表明,地黃生長(zhǎng)導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量減少,連作后真菌多樣性和數(shù)量都有所增加[31]。重茬地黃根際土壤中微生物總量和多樣性低于頭茬地黃,且細(xì)菌/真菌比例下降,根際土壤微生物逐漸由“細(xì)菌型”向“真菌型”進(jìn)行轉(zhuǎn)變[32]。在化感物質(zhì)的介導(dǎo)下,炭疽菌等病原微生物在重茬根際土壤中大量聚集,肆意生長(zhǎng),使得重茬根際土壤中有益微生物減少,有害微生物數(shù)量增加,尖孢鐮刀菌和黃曲霉這兩種病原真菌的數(shù)量均隨連作年限的增加而顯著增加[33-36]。

在頭茬地黃根際土壤中,富集大量的有益微生物,如芽孢桿菌屬、假單孢菌屬和類芽孢桿菌屬等,產(chǎn)生的芽孢能夠抵抗外界的不利條件,還可以降解地黃根系分泌的化感物質(zhì),提高了土壤肥力,加快了地黃對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用,促進(jìn)地黃的生長(zhǎng)。此外,假單孢菌和芽孢桿菌作為有生防潛力的微生物,可以抑制病原菌的生長(zhǎng),對(duì)土壤中的病原真菌有較強(qiáng)的拮抗活性,具有很好的生防效果[37-38]。重茬土壤中群落結(jié)構(gòu)單一化,有益微生物豐度降低,導(dǎo)致地黃連作時(shí)土壤抵抗病原菌侵染的能力下降。同時(shí),重茬土壤中致病菌含量激增,打破了微生物菌群功能的協(xié)調(diào)性,對(duì)塊根的膨大造成負(fù)面的影響[39-40]。

3 地黃連作障礙的緩解措施

近年來,越來越多的專家學(xué)者們注意到了藥用植物連作障礙這一亟待解決的問題,地黃作為連作最嚴(yán)重的藥用植物之一,成了廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前對(duì)于連作障礙的研究不夠系統(tǒng)和深入,其中的內(nèi)在機(jī)制還未被揭示。因此,無法從根本上解決這一問題,然而通過選用抗連作的優(yōu)質(zhì)品種、強(qiáng)還原土壤滅菌、土壤淹水處理、添加食用菌菌渣、施加修復(fù)微生物菌劑等方法,對(duì)地黃連作障礙有一定的緩解效果。

3.1 優(yōu)質(zhì)地黃品種的選用

地黃栽培品種多樣,現(xiàn)已育成的有60多個(gè),如金狀元、溫85-5、紅薯王、北京3號(hào)、沁懷1號(hào)等。不同的品種在植株形態(tài)、地黃品質(zhì)、平均產(chǎn)量以及抗逆性等方面有著較大的差異。以北京3號(hào),硬三塊和溫85-5為試驗(yàn)材料進(jìn)行連作,結(jié)果發(fā)現(xiàn),北京3號(hào)出苗較早,有塊根膨大,另外2個(gè)品種沒有形成塊根,說明北京3號(hào)有一定的抗連作性[41-42]。以18個(gè)不同的地黃品種進(jìn)行試驗(yàn),研究表明,金狀元塊根抗連作指數(shù)最大,受到連作障礙的影響最小,但是地上部分受到的影響較大[43]。因此,可以對(duì)地黃的優(yōu)質(zhì)品種進(jìn)行篩選鑒定,通過單交,雙交或者雜交的方式,培育出道地性較好,耐連作較強(qiáng)的新品種。

3.2 強(qiáng)還原土壤滅菌對(duì)地黃連作障礙的緩解

強(qiáng)還原土壤滅菌是指向土壤中添加易降解的有機(jī)質(zhì)(苜蓿、麥麩、秸稈、甘蔗渣等),然后淹水覆膜,發(fā)酵結(jié)束后撤膜排水把土壤晾干[44-45]。強(qiáng)還原土壤滅菌處理可以有效的控制土壤中土傳病原菌的生長(zhǎng)。同時(shí),淹水處理后土壤中的有機(jī)質(zhì),速效磷,速效鉀和堿解氮的含量都有所提升,有效的改良了土壤的理化性質(zhì),改善地黃的連作障礙問題。對(duì)連作后的地黃土壤進(jìn)行強(qiáng)還原處理,處理后的地黃梓醇含量是對(duì)照組的4.45倍,多糖含量是對(duì)照組的3.00倍[46]。

3.3 淹水處理對(duì)地黃連作障礙的緩解

將處理組土壤灌溉至最大儲(chǔ)水量,上面覆膜以隔絕空氣,30 d后拆膜曬干。淹水處理的地黃單株鮮質(zhì)量提高了46.7%,土壤的細(xì)菌群落多樣性和豐度顯著提高。其中有益細(xì)菌屬,如假單孢菌屬等為處理組的優(yōu)勢(shì)菌群,在連作土壤中占據(jù)有利的生態(tài)位[46]。

3.4 菌渣處理對(duì)地黃連作障礙的緩解

菌渣是指食用菌栽培后剩余的營養(yǎng)基質(zhì),在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中屬于廢棄物。地黃種植后阿魏酸、香草醛、香草酸和對(duì)羥基苯甲酸會(huì)在土壤中積累。有研究表明,菌渣提取液可以降解這些酚酸類化合物。食用菌渣發(fā)酵后施加到土壤中,可以改良土壤的理化性質(zhì),調(diào)節(jié)土壤的溫度和濕度[47]。通過杏鮑菇菌渣處理重茬地黃,結(jié)果表明,處理組地黃地上部位的農(nóng)藝指標(biāo)與頭茬地黃的水平相近,與重茬組相比,處理組塊根的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量分別提高了2.70%和3.66倍,梓醇的質(zhì)量提高了2.25倍[48]。

3.5 微生物菌劑對(duì)地黃連作障礙的緩解

向重茬土壤中施加不同的微生物菌劑,對(duì)地黃塊根的膨大均有一定的促進(jìn)作用,但是并沒有減輕地黃連作時(shí)嚴(yán)重的病蟲害問題[49]。用微生物菌劑處理重茬土壤,隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng),處理組的葉片葉綠素含量高于對(duì)照組,葉片中膜脂質(zhì)過氧化的程度下降,地黃的抗逆性有了提高[50-52]。不同的微生物菌劑使地黃塊根中梓醇和毛蕊花糖苷的含量有不同程度的提高。施加芽孢桿菌菌劑后土壤中有機(jī)質(zhì)含量先上升后下降,提高了地黃塊根膨大期土壤中有機(jī)質(zhì)的含量;土壤中全氮的含量升高;土壤酶活性也有了顯著提升。

4 展望

在中國地黃栽培歷史悠久,具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和藥用價(jià)值。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,對(duì)栽培技術(shù)的要求比較嚴(yán)苛,不僅要注重產(chǎn)量,更要關(guān)注品質(zhì)問題。地黃的品質(zhì)往往取決于其藥用成分的含量,在臨床用藥中發(fā)揮著舉足輕重的作用。地黃加工炮制方式多樣,分為生地黃、熟地黃和鮮地黃。不同的炮制方式會(huì)使地黃的化學(xué)成分發(fā)生變化,藥理作用也會(huì)隨之改變。從地黃中分離得到了200多種化學(xué)成分,包括多種可入藥的藥用成分,梓醇和毛蕊花糖苷是衡量地黃品質(zhì)的重要指標(biāo)。地黃作為大宗藥材,對(duì)機(jī)體的免疫系統(tǒng),血液循環(huán)系統(tǒng)和心腦血管系統(tǒng)等具有一定的調(diào)節(jié)作用,在臨床試驗(yàn)中應(yīng)用十分廣泛。隨著中醫(yī)藥學(xué)的發(fā)展,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Φ攸S的需求量越來越大,解決連作障礙這一問題迫在眉睫。

地黃連作障礙機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜,是以根際為中心,植物、土壤和微生物相互作用的結(jié)果。地黃殘茬及生長(zhǎng)過程中地上部分的凋零物在土壤中腐蝕發(fā)酵,分泌的化感物質(zhì)在土壤中積累,會(huì)招募大量的有害微生物在根際聚集,同時(shí)有益微生物數(shù)量減少,這對(duì)地黃塊根的膨大有抑制作用。在根際土壤中,分泌物和微生物時(shí)刻在相互作用,這個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)世界又何嘗不是一個(gè)“浩瀚宇宙”,其復(fù)雜性難以想象。

針對(duì)于地黃連作障礙的研究,雖然在機(jī)制探究和消減策略方面取得了一定的成果,但是還有很多問題需要深入探究去解決。

1)現(xiàn)階段的研究只是觸及到了這個(gè)復(fù)雜地黃根際世界的邊角,還處在比較片面的過程或階段,這些方法的有效性和實(shí)用性均需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

2)連作障礙的形成涉及植物、根系分泌物、土壤、根際微生物等多元系統(tǒng),在未來的研究中可以深入研究這些系統(tǒng)之間的互作關(guān)系,通過這些系統(tǒng)間的促進(jìn)、互益、抑制、拮抗、對(duì)峙、消長(zhǎng)等多重互作機(jī)制關(guān)系,來補(bǔ)充和延展涉及作物栽培學(xué)、根際生態(tài)學(xué)等學(xué)科的問題。

3)通過多組學(xué)和高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)連作障礙進(jìn)行探究,可以從基因水平和蛋白水平入手,對(duì)連作土壤中的化感物質(zhì)積累及微生物群落變化進(jìn)行解析,為揭示地黃連作原理,闡明其抑制塊根膨大的分子機(jī)制提供依據(jù),為連作障礙的研究提供新思路。

4)連作障礙成為制約地黃生產(chǎn)發(fā)展的主要問題,目前,學(xué)者們嘗試了多種方法試圖解決這一棘手的問題,對(duì)重茬土壤進(jìn)行滅菌、選用優(yōu)質(zhì)品種、水淹處理、菌渣處理等,這些技術(shù)方法對(duì)連作障礙均有一定的緩解作用,但是無法從根本上解決問題。想要解決連作障礙這一問題,必須從連作機(jī)制入手,各個(gè)學(xué)科協(xié)同,才能從根本上消除連作障礙。