搜索
植物病原性连作障碍研究综述梁志怀1，2李世东1魏林2（1中国农业科学院植物保护研究所/，北京100081；2湖南省植物保护研究所，长沙410125）摘要：关键词：根分泌物；连作障碍；土传病害；自毒作用；发生机理；进展ReviewinsStudiesofCropsPathogenicContinuousCroppingObstaclesLiangZhi-huai1,2LiShi-dong1WeiLin2（1.InstituteofPlantProtection,CAAS,Beijing10081,China;2.HunanPlantProtectionInstitute,Changsha410125）Keywords:0引言调查表明，许多园艺植物(包括瓜果类蔬菜和观赏花卉)、大田经济作物和中草药等都存在不同程度的连作障碍现象。近年来，由于耕地资源限制，经济利益的驱动和生产栽培条件等因素的影响，经济作物特别是果菜类蔬菜的连作仍具有加剧的趋势[1]。连作障碍所造成的危害与损失也逐步突出，特别是在一些重要的果蔬专业化生产基地和道地中药材生产基地，以及设施农业发达地区，造成损失更甚[1，2]。鉴于此，国内外学者对连作障碍的机理及解决途径展开了一系列的研究。结果表明，造成连作障碍的原因是复杂的，综合的，是由作物和土壤等诸多因素综合作用的结果。栽培条件和作物种类不同，其产生连作障碍的原因是不同的。如喻景权则将蔬菜连作障碍的主要因素概括为三个方面：即土壤传染性病虫害严重发生、土壤理化性质劣化以及由根系分泌物和残茬分解物等引起的自毒作用等[3]。目前在土壤性质劣化和自毒作用等方面的研究，已取得许多令人鼓舞的成就，也有不少专家对此进行了总结与评述【】。但对于连作栽培条件下，土壤传染性病害严重发生的原因及其机理的研究进展，訖今未见报道。因此，本文作者从连作栽培条件下对土传病害发生发展动态及其可能存在机理方面，综述国内外研究进展，在此基础上，提出今后研究方向。1病原性连作障碍的概念病原性连作障碍，简言之，就是指连茬种植条件下，土传病害加重发生，造成作物生产障碍。如日本松本满夫研究结果表明，产生连作障碍的直接原因是土壤生物病原菌和植物寄生性线虫所致[4]；日本的伊东正认为病害在所有连作障碍原因中占85%左右，土传病害是连作障碍的主要因子[4]；1983年日本的泷岛在总结作物连作障碍形成原因时，认为原因有土壤养分亏缺、土壤反应异常、土壤物理性状恶化、来自植物的有害物质和土壤微生物变化等五个方面，但他强调土壤微生物的变化是连作障碍的主要原因[4]。喻景权调查表明，引起蔬菜连作障碍的70%左右的地块是由于土壤传染性病虫害引起的[2]。由此可知，病原性连作障碍问题是连作障碍中的一种重要现象，也是大多植物连作中的主要障碍。其实质是连茬栽培方式下作物的土传病害加重发生。常见的土传病害种类有细菌类的Erwina和Streptomyces，真菌类的Fusarium，Rhizoctonia和verticillium，以及类似于真菌的卵菌中的疫霉属和腐霉属引致的作物纹枯病、枯萎病、黄萎病、立枯病、猝倒病、根腐病、白绢病、菌核病、青枯病、软腐病及多种线虫病害等。病原种类在真菌、细菌、线虫和病毒等各大病原类群中均有[1，5]。对病原性连作障碍的研究，就是探索连作条件下植物根分泌物对根际生物环境的影响，土传病原菌种群密度增大、接种势增大，侵染势增强，作物更易感病的化学生态原因。2.连作栽培条件下根围效应2.1根系分泌物种类及其潜在的功能自1904年德国微生物学家Hiltner所提出的“根际”概念以来，植物根分泌物及其生态功能得到了较为全面与深入的研究，取得许多重要的成果。一百多年来，人们对根围效应的最大贡献是通过各种模拟方式，从各类植物根渗出物中分离鉴定出120多种化合物（见表1），并对其生态功能进行分类[7]（见表2）。尽管其中的一些化合物及其功能还需要进一步精准、慎重的实验验证，但大量的研究结果证实，根分泌物无疑是根围效应为核心的根际生态学的重要基石，由于它们的存在，使根围效应受到许多学科的高度关注，并使许多学者在近几十年来对此热情不减。但连作下，根渗出物是否会积累并不断强化其生态功能，由于土壤生态系统极端复杂，对小分子有机化合物的原位状态下捕获鉴定技术还不完善，目前还无法确定其在土壤中的转化转移规律，在田间条件下很难精确地指出刺激或抑制病原菌繁殖的特定因素。因此目前对还存在较大分歧。不过可以肯定的一点是，根系分泌物理所当然起决定性作用。如表2所示，根分泌物中包含有植物生长对微生物的抑制作用或促进作用。对分泌物特性的深入了解，可为某些根部病原菌的防治找到有效的途径。表1植物根渗出的化合物Table1Organiccompoundsreleasedbyplantroots化合物种类分泌物成分糖和多糖阿拉伯糖，脱羟核糖，果糖，半乳糖，葡萄糖，麦芽糖，甘露糖，粘液层，低聚糖，棉子糖，鼠李糖，核糖，蔗糖，木糖。氨基酸a-丙氨酸，β-丙氨酸，a-氨基脂肪，γ-氨基丁酸，精氨酸，天冬酰胺，天冬氨酸，瓜氨酸，胱硫醚，半胱氨酸，胱氨酸，谷酰胺，甘氨酸，高丝氨酸，组氨酸，异亮氨酸，亮氨酸，赖氨酸，蛋氨酸，麦根酸，鸟氨酸，苯丙氨酸，脯氨酸，丝氨酸，苏氨酸，色氨酸，缬氨酸，酪氨酸。有机酸乙酸，乌头酸，糖醛酸，抗坏血酸，苯甲酸，丁酸，咖啡酸，柠檬酸，β-香豆酸，阿魏酸，甲酸，延胡索酸，戊二酸，乙醇酸，乳酸，苹果酸，丙二酸，草乙酸，草酸，β-对羟基苯甲酸，羟苄基酒石酸，丙酸，丙酮酸，丁二酸，紫丁香酸，酒石酸，季酮酸，缬草酸，香草酸，丙酸，琥珀酸，羟基丁酸。脂肪酸亚油酸，亚麻酸，油酸，棕榈酸，硬脂酸。甾醇类芸苔甾醇，胆固醇，谷甾醇，豆甾醇。生长因子β-氨基苯甲酸，生物素，VB1,VB2,VB6烟酸甲酯，泛酸，胆碱，肌醇，吡哆酸，6-甲基辛酸。酶淀粉酶，转换酶，过氧化物酶，酚酶，磷酸酶，多聚半乳糖醛酸酶，蛋白酶。黄烷酮和核苷酸腺嘌呤，黄烷酮，鸟嘌呤，尿嘧啶核苷或胞嘧啶核苷。其它植物生长激素，β-苯醌，7-羟基-6-甲氧基香豆素，氢氰酸，8-羟基喹啉，糖甙，异羟肟酸，毛地黄黄酮，未鉴定的茚三酮阳性化合物，未鉴定的可溶性蛋白，乙醇，甘氨酸甜菜碱，肌醇和肌醇类化合物，铝诱导多肽，对苯二酚，槲皮黄酮，栎素，高梁醌。表2植物根分泌物的可能存在的功能Table2Possiblerolesofsomedifferenttypesofrootsecretions功能行为营养因子的获取营养吸取因子寻找并取回，如麦根酸类物质，植物根系的缺铁性分泌物，不但可活化土壤中难溶性Fe，亦能活化土壤中其它金属元素。修饰调节因子修饰调节根际土壤，如质子、还原剂。胞外酶将不能用的有机物转化为可用态物质，如磷酸酶等胞外酶。水的获取用植物粘液修饰调节根际土壤。抵抗物理压迫通过界面修饰，通过润滑土壤和根际土壤改良，对土壤高强度压迫的反应，如粘液质。抵抗病害对病原菌侵入的防御反应，如植物抗毒素或植保菌素。抗毒素因子抗毒素物，如配位(作用)或络合3价铝离子。抗竞争因子用植物活性混合物修饰根际，如化感物质。建立共生关系趋化性的反应，如刺激根瘤菌、菌根真菌与作物共生因子。2.2根际微生物种群结构变化连作过程中，土壤微生物群落多样性降低和有害微生物种群数量增加是农业生产中的一个普遍现象。土壤微生物总量，活性和有益微生物数量多少是判断土壤质量或健康状况的重要指标。作物连作，由于种植制度和管理方法相同，为土壤及根际微生物创造了相对稳定的微生态环境，定向影响着土壤及根际微生物的生长发育和繁殖，由此改变了轮作条件下微生物群落的多样性水平，造成微生物种群失衡，并最终影响土壤生物学活性。在人们不断探索根分泌物在根际效应中的作用过程中，植物病理学家也一直试图从中揭示植物根分泌物与植物病原菌种群数量的联系，不断寻求支配根分泌物刺激土壤病原微生物种群数量增加过程的解释。提出了寄主-土壤微生物种群-病原菌三者之间的生态学关系和土壤抑菌假说[6]。不难想象，在作物种子萌发以及幼苗发育以至旺盛生长时期，作物根系不断向土壤中分泌有机酸、氨基酸、糖类、CO2等各种代谢产物，在根系周围形成一个特殊的区域，而且不同作物根系的分泌物具有较大的差异[6]。不同作物根系周围的特殊区域对土壤中的微生物而言，就是一个“天然的选择性培养基”。凡营养需求与“天然选择培养基”成分吻合的微生物，则在根际土壤中大量繁殖，成为该特殊区域微生物区系中的优势类群；其他微生物数量相对减少。如果上述大量繁殖的微生物为病原菌，则侵染作物根系，导致作物发病。土壤中有少量病原菌时，作物并不发病；当病原菌的累积数量超过发病“阈值”时，作物发病。总体上来说，连作栽培条件下，作物根系分泌物给病原菌提供了丰富的营养和寄主，长期适宜的温湿度环境，使病原菌具有良好的繁殖条件，从而使得病原菌种群数量不断增加。如对花生根系分泌物与微生物种群的研究结果表明，连作的根际土壤中细菌数量减少，真菌数量增加，真菌以青霉菌、镰刀菌、立枯菌和丝核菌占多数。真菌的种群发生了明显的变化，正茬中，青霉菌占真菌总数的62.4%；连作中，青霉菌下降至18.4%，而镰刀菌则由6.0%上升至31.2%[8]。大豆连作3年以上，根际微生物数量与组成发生改变，细菌数量减少，真菌数量增加；且重茬较正茬增加18.0～35.5％，以青霉菌、镰刀菌、立枯丝核菌占多数[9]。在设施连作栽培条件下，长期适宜的温、湿度环境使病原菌具有良好的繁殖条件，从而使得病原性连作障碍更甚。如马云华等研究表明，5年黄瓜连作的日光温室中，土壤中真菌数量一直呈线性增长，氨化细菌和尖孢镰刀菌分别为优势细菌和优势真菌生理群[10]。吴风芝等[0]研究表明，保护地黄瓜连作可对土壤生物环境产生深刻影响。一方面对某些真菌产生抑制作用，另一方面促进了某些有害真菌生长。并认为这可能是连作黄瓜病害加重的直接原因之一。现代分子生物学技术变性梯度凝胶电泳（denaturedgradientgelelectrophoresis，DGGE），能够提供群落中优势种类信息并同时分析多个样品，具有可重复和操作简单等特点,适合于调查根际微生物种群结构的时空变化,并且可通过对条带的序列分析或与特异性探针杂交分析鉴定群落组成。目前已经发展成为研究微生物群落结构的主要分子生物学方法之一。胡元森等研究了黄瓜根部土壤主要微生物类群随连作茬次的反应，并着重用变性梯度凝胶电泳(DGGE)监测黄瓜根际未培养优势菌群的动态变化。结果表明：随着连作茬次增加，土壤可培养微生物数量减少，其中细菌数量降低更为明显，对连作表现出较高的敏感性；放线菌对黄瓜连作反应稍滞后，至第三茬时开始呈现降低趋势。黄瓜连作致使少数真菌种群富集，同时多种真菌类群数量减少，种群变化呈现单一化趋势，多样性水平降低。DGGE分析结果表明黄瓜连作引起根际Bacillussp.、Pseudomonassp.和另一未培养细菌种群数量减少，而同时引起Sphingomonassp.类群数量增加。实验结果暗示，黄瓜连作破坏根部微生物种群生态平衡，使其多样性水平降低[11]。：土壤酶活性和微生物活性的降低，也抑制了对有害物质的分解，加重了病虫危害，同时也影响了对土壤养分的有效利用．对不同连作年限的花生田土壤中微生物群落进行研究发现，其中真菌的数量随连作年限的增加而上升，细菌数目随连作年限增加而减少，土壤生物具有明显的真菌化趋向”1．大豆连作使根际病原真菌种类增加，有益真菌数量减少．同时，连作导致大豆根际细菌、放线菌密度下降，由此造成大豆根腐病加重””。胡江春“‘“等从连作大豆土壤中分离出一种影响大豆共生固氮的青霉一菌紫青莓(PeMcilliumpurpurogenum)，其代谢产物毒素结晶在5ug／mL水培液即可使大豆根系受害，根毛很少生长；30pg／mL时就引起大豆根系褐变．在连作大豆根际土壤中，有益真菌减少，有害真菌增加．将真菌优势菌群中的尖镰孢菌、半裸镰孢菌和粉红粘帚菌回接大豆，均产生不同程度的致病性，导致大豆根腐病的发生．三菌株毒素租提物使大豆发芽率显著降低，植株生