加強(qiáng)氣候變化背景下植物病原真菌控制技術(shù)的創(chuàng)新和突破

關(guān)鍵詞：氣候變化；主要作物；條件致病菌；牛態(tài)調(diào)控

全球氣候變化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的最大威脅之一，預(yù)計全球氣候變化仍將持續(xù)數(shù)十年，這將對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和糧食供應(yīng)問題。為了減輕氣候變化的風(fēng)險，需要接受并加強(qiáng)能夠抵消這些影響的農(nóng)業(yè)創(chuàng)新的研究。為了實現(xiàn)最大程度的改善，農(nóng)業(yè)創(chuàng)新不應(yīng)只關(guān)注作物，而應(yīng)采取包括整個生態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)的整體方法。數(shù)百萬年來，植物的進(jìn)化與其他生物密切相關(guān)，尤其是土壤微生物，它們塑造了植物的進(jìn)化和當(dāng)代生態(tài)。一方面，對植物有益的共生微生物能夠為植物提供抗病、營養(yǎng)吸收和轉(zhuǎn)化及抗逆方面的有益作用；另一方面，致病微生物能夠降低植物的免疫能力和抗逆性，導(dǎo)致植物嚴(yán)重的真菌病害?，F(xiàn)在，氣候變化正在重塑作物一微生物互作的基礎(chǔ)，加重植物病害發(fā)生的頻率和程度。研究發(fā)現(xiàn)，全球氣候變暖正在加劇，預(yù)計到21世紀(jì)末平均氣溫將上升2-4℃。研究也表明，氣溫每升高1℃，植物病害的發(fā)生率會提高1-2倍，氣候變暖將對植物生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。盡管廣泛使用殺菌劑、采取有效的農(nóng)藝措施、播種更耐病的栽培品種等，但全球農(nóng)作物每年因真菌病害造成的損失仍在20%～40%之間，可謂是損失巨大。糧食因作物罹病而受到真菌毒素污染將嚴(yán)重威脅到糧食安全和人類的身體健康。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）指出，絕大部分農(nóng)作物對人類營養(yǎng)至關(guān)重要，其中數(shù)百種農(nóng)作物已受到真菌病害及其真菌毒素污染的影響，作為主糧作物的水稻、小麥、玉米、土豆可能受到稻瘟病、小麥赤霉病、玉米穗腐病和黑粉病、馬鈴薯晚疫病的影響會更大。這些作物真菌病害造成的產(chǎn)量損失相當(dāng)于向近40億人口每天提供2000 cal（1cal=4.184J）熱量的一年食物量。氣候變暖對農(nóng)作物真菌病害發(fā)生、發(fā)展和危害的確切影響難以準(zhǔn)確預(yù)測，但可能會對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和人類產(chǎn)生破壞性的后果。在氣候變暖的現(xiàn)實情況下，如果世界各國不采取任何有效的緩解措施或辦法，這種損失可能會進(jìn)一步加劇，最終威脅到人類的生存和世界的穩(wěn)定。我們需要更多地關(guān)注氣候變化對真菌病害及其對世界農(nóng)作物造成的困境，加大政府、企業(yè)和私營部門對農(nóng)作物真菌病害研究的投資。

1氣候變化對病原真菌的影響

1.1驅(qū)動病原真菌的危害和傳播

氣候變化如何影響病原真菌與作物的互作，如何影響作物健康，目前是一個懸而未決的科學(xué)難題。全球氣溫升高將推動植物病原真菌的種群及其對環(huán)境變化適應(yīng)性的演化，并使原本局限在低緯度地區(qū)的真菌病原體得以擴(kuò)散。自20世紀(jì)60年代以來，隨著全球氣候變暖的加劇，病原真菌以每年約2.3km的速度向兩極遷移，20世紀(jì)90年代以后更是達(dá)到驚人的7km，而且這種情況還在繼續(xù)惡化。中國學(xué)者已經(jīng)報告了河北、山東等省份北部地區(qū)花生白絹病發(fā)病和流行情況，這種病害原本在熱帶和亞熱帶的華南和長江流域花生產(chǎn)區(qū)發(fā)生。在未來30年里，全球人口預(yù)計將增長到近100億，糧食在現(xiàn)有產(chǎn)量下需要再提升50%才能滿足全球人口增長的需求，如果這些情況不改變，人類將面臨前所未有的糧食危機(jī)。

1.2改變植物與共生真菌的互作，導(dǎo)致致病性提升

大多數(shù)植物病原體都具有宿主特異性，但當(dāng)以前的侵染障礙被打破時，新的病害就會迅速出現(xiàn)。氣候變化使全球氣溫上升，導(dǎo)致許多地區(qū)干旱脅迫的頻率和程度在增加，這對植物與共生微生物之間的互作關(guān)系產(chǎn)生了重要影響，對植物生長和作物產(chǎn)量構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。短期內(nèi)，植物對氣候變暖的適應(yīng)主要由微生物驅(qū)動，而長期內(nèi)植物的適應(yīng)將由植物與微生物之間的生態(tài)進(jìn)化及相互作用驅(qū)動。但是，隨著植物在應(yīng)對環(huán)境壓力過程中其生理特性的改變，原本對植物無害的內(nèi)生真菌可能會變?yōu)橹虏【{作物的生長和發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，隨著C02濃度的升高及伴隨的溫度增加，一些原本無害或低致病力的某些鐮孢菌屬和曲霉屬的真菌危害性顯著提升。此外，這些真菌對較高溫度的耐受性可能會增加土壤中的習(xí)居病原菌侵染寄主植物的可能性，同時也可能增加人類或動物的致病性風(fēng)險。全球人口增長和貿(mào)易流動增多，在給作物生產(chǎn)和糧食增產(chǎn)帶來空前壓力的情況下，這些問題將進(jìn)一步加劇。所以需要更好地了解植物與其微生物互作及對氣候變化的響應(yīng)，以及利用植物微生物來減輕氣候變暖對作物負(fù)面影響的方式，并幫助開發(fā)管理和政策工具以提高植物系統(tǒng)的抗病性和抗逆性。

2制定有效應(yīng)對氣候變化和病原真菌危害的策略

為更好地保護(hù)農(nóng)作物免受病原真菌的危害，需要采取包括利用有益微生物、藥劑防控、育種控制、管理措施和政策制定在內(nèi)的系統(tǒng)性、整體性的方法。種植者和其他利益相關(guān)者必須利用各種技術(shù)創(chuàng)新來更有效地監(jiān)測、管理和減輕真菌病害。

2.1作物真菌病害早期檢測與診斷

快速、精準(zhǔn)的早期診斷是預(yù)防作物真菌病害比較有效的一種措施，尤其是針對同氣候變化密切相關(guān)的真菌病害。近幾年來人工智能（AI）、衛(wèi)星、遙感工具（如無人機(jī)）等監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步，使作物真菌病害監(jiān)測的能力更加高效。同時，各個國家應(yīng)該鼓勵和動員農(nóng)民和利益集體等公眾參與報告植物疾?。o論是農(nóng)作物還是野生物種），這樣快速且簡便的數(shù)據(jù)共享有助于發(fā)現(xiàn)病害，從而實現(xiàn)更快速、更高效的作物真菌病害控制。通過AI、衛(wèi)星、遙感等科學(xué)項目收集的數(shù)據(jù)與植物病害記錄的有效整合和計算，可為植物真菌病害發(fā)生的時間和地點建立更加高效的預(yù)測模型，反過來，更準(zhǔn)確的植物病害預(yù)測可以觸發(fā)人們對植物病害的早期干預(yù)，以抵消農(nóng)作物的產(chǎn)量損失。

2.2利用有益微生物提高作物對生物脅迫和非生物脅迫的適應(yīng)能力

氣候變暖，特別是其導(dǎo)致的真菌病害及干旱脅迫是威脅植物生長和健康的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)，利用植物共生微生物的抗逆潛力可能是緩解植物適應(yīng)氣候變暖、病蟲危害、土壤干旱脅迫的一項重要策略，是一種有效且便于靈活掌握的解決問題的工具。在氣候變暖的背景下，利用假單胞菌屬（P.seudo mona.s）、芽孢桿菌屬（Bacillu.s）、腸桿菌屬（Enterobacter）等細(xì)菌以及哈茨木霉（Trichoderma harzianum）、擬青霉（Pae-cilomyce.s varioti）、綠粘帚霉（Gliocladium viride）等真菌可以顯著提高小麥、玉米、大豆、高粱和水稻等糧食作物的生產(chǎn)性能和抗逆能力。有益微生物誘導(dǎo)的耐熱性受到植物一微生物相互作用復(fù)雜信號的調(diào)節(jié)，可通過直接或間接的調(diào)控機(jī)制影響植物對氣候變暖的響應(yīng)。研究表明，這些微生物通過對植物的轉(zhuǎn)錄水平和代謝的重編程來改變植物抗氧化酶活性、養(yǎng)分吸收、氣孔導(dǎo)度、離子轉(zhuǎn)運、碳水化合物代謝和植物激素狀態(tài)，從而誘導(dǎo)植物對逆境的耐受性或抗性，保障植物健康生長。

2.3抗病育種及提升農(nóng)田作物品種多樣性

開展氣候變化下的作物抗病育種工作及種植包含多種抗病基因的作物新品種組合是減緩致病真菌危害的一條重要途徑。播種具有不同抗病性的作物品種，將極大提升農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健康程度，顯著減少真菌病害的傳播和抗病基因的消耗，延緩抗病品種的退化。傳統(tǒng)的育種方法是將一個或兩個抗某種病原菌的抗病基因引入特定品種。然而，盡管病原菌可能在數(shù)年內(nèi)才能克服這種抗病基因介導(dǎo)的抗性，但傳統(tǒng)育種方法育成這種抗病品種耗時較長（一般需要10～20a時間），難以滿足現(xiàn)實生產(chǎn)需求。植物本身具有早期病原菌檢測系統(tǒng)能力，通過細(xì)胞膜表面的模式識別受體識別病原菌相關(guān)的模式分子，進(jìn)而觸發(fā)植物免疫，可以借助植物的這種“免疫增強(qiáng)”能力，以及結(jié)合傳統(tǒng)育種方法和抗病基因編輯技術(shù)，將多個抗病基因結(jié)合在一起進(jìn)行育種，將極大提高作物抗病原體的能力，延緩病原真菌對育成的作物新品種的抗性，為作物提供更持久和更廣泛的抗性。

2.4開發(fā)多靶標(biāo)抗真菌病害藥劑

利用化學(xué)農(nóng)藥控制作物真菌病害是一種比較直接有效的措施，也是一種“迫不得已”的最終防控措施。研究表明，由于殺菌劑的成分不同及作物品種的差異，殺菌劑的田間應(yīng)用效果表現(xiàn)出很大的不同。這種效果上的差別，雖有客觀上的原因，但主要同化學(xué)殺菌劑篩選過程有關(guān)。迄今為止，這個過程主要依賴于在大規(guī)模篩選化合物過程中偶然發(fā)現(xiàn)抗真菌藥物，如制藥產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，自20世紀(jì)80年代以來，還有合成已知化合物的化學(xué)變體。這種單一的篩選方法和帶有偶然發(fā)現(xiàn)的策略難以滿足時代的發(fā)展和現(xiàn)實的需求。擺脫對單一靶點殺真菌劑的依賴，尋找針對多種病原真菌的多種過程的有效化合物勢在必行。目前已開發(fā)出的多種多靶標(biāo)殺菌劑，對作物真菌病害具有更強(qiáng)的殺滅效果，專一性更強(qiáng)，且對生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響更小，有利于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保護(hù)作物健康生長和糧食安全。

3結(jié)論

氣候變化是影響作物病害發(fā)生、發(fā)展和流行的一個至關(guān)重要的因素。當(dāng)作物、真菌病原體和氣候條件有利于發(fā)病時，就會促進(jìn)病原菌快速生產(chǎn)并侵染作物，導(dǎo)致植物病害的發(fā)生。有關(guān)研究表明，氣候變化能夠顯著影響植物共生微生物的種群豐度和多樣性，以及植物與微生物的互作，其影響甚至超過植物基因型對共生微生物的調(diào)控作用。在相似或相近的生態(tài)環(huán)境和傳導(dǎo)條件下，作物病原菌的發(fā)病率與存在的致病菌豐度密切相關(guān)，這就決定了采取何種措施能夠有效防控病害的發(fā)生。利用抗病育種和不同抗病特性的作物新品種的布局是防控氣傳病害比較有效的一種辦法，利用有益微生物來提高植物的抗病性，或者直接對作物真菌病害進(jìn)行防治不失為一種理想的控制措施，當(dāng)植物病害發(fā)生而其他措施已經(jīng)用盡，利用多靶標(biāo)殺菌劑進(jìn)行防治將是作物病害防治最后的一種有效手段。當(dāng)前，從科學(xué)的角度來說，作物和病原體在氣候、環(huán)境變化等脅迫條件下的生態(tài)響應(yīng)和抗逆能力不同，導(dǎo)致直接或間接的脅迫因素對真菌病原體的影響還難以評估。因此，這些問題的復(fù)雜性使得有必要考慮一種綜合的方法來控制作物真菌病原菌的感染。總之，應(yīng)對真菌作物病害對作物和人類健康的威脅需要全球范圍內(nèi)的合作與共同努力。為了維護(hù)糧食安全和人類福祉，政府、慈善組織和私營企業(yè)需要投入更多資源進(jìn)行研究，同時充分發(fā)揮創(chuàng)新技術(shù)在解決問題中的潛力。通過加強(qiáng)研究和推動跨國合作，可以更好地應(yīng)對真菌病害對作物的影響，為全球糧食安全和人類健康保駕護(hù)航。