植物病原性連作障礙研究進展

梁志懷 ，魏 林 ，李世東 ，李基光

（1.湖南省西瓜甜瓜研究所，湖南 長沙 410125；2.中國農(nóng)業(yè)科學院

植物保護研究所，北京 100081；3.湖南省植物保護研究所，湖南 長沙 410125）

1 病原性連作障礙的概念

病原性連作障礙，是指在連茬種植條件下，土傳病害嚴重，造成作物生產(chǎn)的障礙。如日本松本滿夫的研究結(jié)果表明，產(chǎn)生連作障礙的直接原因是土壤生物病原菌和植物寄生性線蟲所致；日本的伊東正認為，病害在所有連作障礙原因中占85%左右，土傳病害是連作障礙的主要因子；喻景權(quán)[1]調(diào)查表明，引起蔬菜連作障礙的70%左右的地塊是由于土壤傳染性病蟲害引起的。由此可知，病原性連作障礙是連作中的一種重要現(xiàn)象，也是大多植物連作中的主要障礙，其實質(zhì)是連茬栽培方式下作物的土傳病害加重發(fā)生。

常見的土傳病害種類有紋枯病、枯萎病、黃萎病、立枯病、猝倒病、根腐病、白絹病、菌核病、青枯病、軟腐病及多種線蟲病害等。最重要的土傳病原菌有細菌類的Erwina和Streptomyces，真菌類的Fusarium，Rhizoctonia和verticillium，以及卵菌中的疫霉屬和腐霉屬[2]。病原物在作物根際的生長與存活狀態(tài)，直接影響病原菌的接種勢與侵染勢，是造成作物土傳病害發(fā)生的重要因子，與寄主作物的根分泌物存在十分密切的關(guān)系。因此，病原性連作障礙形成機制的研究，就是探索在連作條件下的植物根分泌物對根際生物環(huán)境的影響，即土傳病原菌種群密度增大、接種勢增大、侵染勢增強、作物更易感病的化學生態(tài)原因。筆者試圖從植物根分泌物對植物土傳病原菌種群結(jié)構(gòu)的影響與可能存在的特異性化學通訊等方面綜述國內(nèi)外研究進展，并在此基礎(chǔ)上，提出今后的研究方向。

2 連作栽培條件下根際微生物種群結(jié)構(gòu)變化

自1904年德國微生物學家Hiltner所提出的“根際”概念以來，植物根分泌物及其生態(tài)功能得到了較為全面與深入的研究。目前已從不同植物根分泌物中鑒定出100多種在結(jié)構(gòu)上不同的化合物及其功能（表1）[3]。與此同時，植物病理學家也一直試圖揭示植物根分泌物與植物病原菌種群數(shù)量的聯(lián)系，提出了寄主—土壤微生物種群—病原菌三者之間的生態(tài)學關(guān)系和土壤抑菌假說。在作物種子萌發(fā)以及幼苗發(fā)育以至旺盛生長時期，作物根系不斷向土壤中分泌有機酸、氨基酸、糖類、CO2等各種代謝產(chǎn)物，在根系周圍形成一個特殊的區(qū)域，而且不同作物根系的分泌物具有較大的差異。作物根系周圍的特殊區(qū)域?qū)ν寥乐械奈⑸锒裕褪且粋€天然的選擇性培養(yǎng)基。凡營養(yǎng)需求與天然選擇培養(yǎng)基成分相吻合的微生物，則大量繁殖，成為該特殊區(qū)域微生物區(qū)系中的優(yōu)勢類群，其他微生物數(shù)量相對減少。如果大量繁殖的微生物為病原菌，則侵染作物根系，導(dǎo)致作物發(fā)病。土壤中有少量病原菌時，作物并不發(fā)病；當病原菌的累積數(shù)量超過發(fā)病閾值時，作物就發(fā)病。連作栽培條件下，作物根系分泌物給病原菌提供了豐富的營養(yǎng)，適宜的溫濕度是病原菌良好的繁殖條件，從而使得病原菌種群數(shù)量不斷增加，作物根際微生物種群結(jié)構(gòu)失衡。上述推測也得到了大量研究數(shù)據(jù)的證實，如對花生根系分泌物與微生物種群的研究表明，連作的根際土壤中細菌數(shù)量減少，真菌數(shù)量增加，真菌以青霉菌、鐮刀菌、立枯菌和絲核菌占多數(shù)。真菌的種群發(fā)生了明顯的變化，正茬中，青霉菌占真菌總數(shù)的62.4%；連作中，青霉菌下降至18.4%，而鐮刀菌則由6.0%上升至31.2%[4]。馬云華等[5]的研究表明，5年黃瓜連作的日光溫室中，土壤中真菌數(shù)量一直呈線性增長，氨化細菌和尖孢鐮刀菌分別為優(yōu)勢細菌和優(yōu)勢真菌生理群。胡元森等[6]研究了黃瓜根部土壤主要微生物類群隨連作茬次的反應(yīng)狀況，并著重用變性梯度凝膠電泳（DGGE）監(jiān)測黃瓜根際未培養(yǎng)優(yōu)勢菌群的動態(tài)變化。其結(jié)果表明：隨著連作茬次增加，土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量減少，其中細菌，包含未培養(yǎng)細菌數(shù)量降低更為明顯，對連作表現(xiàn)出較高的敏感性；放線菌對黃瓜連作反應(yīng)稍滯后，至第三茬時開始呈現(xiàn)降低趨勢。連作致使少數(shù)真菌種群富集，同時多種真菌類群數(shù)量減少，種群變化呈現(xiàn)單一化趨勢，多樣性水平降低。試驗結(jié)果暗示，黃瓜連作破壞根部微生物種群生態(tài)平衡，使其多樣性水平降低[6]。

表1 植物根滲出的化合物

3 根分泌物誘導(dǎo)病原菌種群數(shù)量增殖的功能

作物根際的微生物種類繁多，由于微生物間需要吸收利用的營養(yǎng)和能源物質(zhì)是相同的，它們之間必然存在著競爭、拮抗關(guān)系。因此，必須探明連作栽培條件下根系分泌物的存在狀態(tài)及轉(zhuǎn)化過程，以及病原物對其趨化性反應(yīng)的特異性，方能較清楚地解釋病原物在根際諸多微生物的競爭中成為優(yōu)勝者的原因。通常認為，根際對病害的影響主要表現(xiàn)在對病原菌生活史中的侵入前的影響。對于專化性的根寄生菌，如專化性的尖孢鐮刀菌，其能源來自于植物根系分泌物。例如在休閑地上種植大白菜，起初，從土壤中分離不到軟腐病菌，但種植50 d后，在癥狀出現(xiàn)以前，在抗病植株的根際突然出現(xiàn)大量病原菌，收獲一星期后，病原菌的數(shù)量降至檢測不到的水平，軟腐病菌這種大幅波動的原因與大白菜根分泌物有關(guān)。根分泌物有單糖、氨基酸和有機酸，尤其天冬氨酸是決定軟腐病菌趨化性反應(yīng)的重要物質(zhì)。離體試驗發(fā)現(xiàn)，軟腐細菌對8種糖、4種有機酸和2種氨基酸表現(xiàn)出明顯的趨化性反應(yīng)。由于趨化性刺激作用，軟腐細菌的移動速度比熒光假單孢桿菌快2～4倍，這使軟腐病原細菌在競爭利用寄主分泌物中處于優(yōu)勢。對馬鈴薯的研究表明，有機酸比糖和氨基酸更好地存在于根際，檸檬酸、蘋果酸和乳酸是根系分泌物中的有機酸的主要成分；葡萄糖、木糖和果糖是主要的糖類[7]。天冬氨酸和谷氨酸是主要的氨基酸。再者，腐胺似乎是馬鈴薯根系分泌物中的主要含氮化合物[8]。Lugtenburg等[7]，Kuiper等[8-9]在研究假單胞菌在馬鈴薯根際定殖能力時發(fā)現(xiàn)，不能與野生型菌株一樣高效利用糖的一株突變體，可在根際定殖，而另一株不能利用有機酸的突變體卻不能在根際定殖。據(jù)此可推定有機酸是根際定殖細菌的營養(yǎng)基礎(chǔ)。

Ito等[10-12]研究表明，分子伴侶SecB基因和三型分泌系統(tǒng)缺失的突變體在根尖定殖的競爭能力受到破環(huán)，暗示了病原菌分泌至胞外的蛋白質(zhì)組分等致病因子在其根尖競爭定殖扮演重要的作用。此外，近年來有關(guān)尖孢鐮刀菌分解與合成代謝的研究表明，各類專化性的尖孢鐮刀菌均能高效分解利用糖、芳香族化合物、鄰苯二甲酸酯、甘油、腈類化合物、青霉素V、醋酸鈉、木糖等有機分子[13-15]，使這類專化性病原菌在根際競爭中，處于優(yōu)勢地位。

4 根分泌物中化感物質(zhì)在增強病原物接種勢中的作用

根分泌的化感物質(zhì)對土壤微生物的影響，是近些年來土壤生態(tài)學研究的一個新方向，它將植物和土壤生物聯(lián)系起來，反映出植物體調(diào)節(jié)內(nèi)部代謝過程和防御土壤生物侵害的機制，推動了土壤生態(tài)學的研究工作。化感物質(zhì)對根際病原物的影響可分為直接影響和間接影響。表2列出了一些作物根分泌的化感物質(zhì)對土壤微生物的直接影響。自毒物質(zhì)作為廣義上的一類化感物質(zhì)，其對根際病原物的研究受到較多的關(guān)注。張淑香等[16]研究表明，玉米、高粱、水稻等禾本科植物和大豆、豌豆等豆科作物及黃瓜、茄子等蔬菜均存在一定程度的自毒作用現(xiàn)象。其中番茄、茄子、辣椒、西瓜、甜瓜和黃瓜等作物極易產(chǎn)生自毒作用。由于植物根分泌的自毒物質(zhì)在對連作的作物生長產(chǎn)生抑制的同時，對微生物也同樣存在化學他感作用，并與連作過程作物病害發(fā)生、產(chǎn)量降低有關(guān)。例如吳鳳芝研究發(fā)現(xiàn)，連作條件下黃瓜的根系分泌的酚酸類物質(zhì)，可有效促進黃瓜枯萎菌菌絲的生長。此后他們在研究大棚黃瓜連作障礙時又發(fā)現(xiàn)，隨著連作年限增加，有害微生物增加，可能與黃瓜分泌的酚酸類物質(zhì)的積累有關(guān)。賈新民等研究認為，重茬大豆根分泌物對大豆根腐病的病原菌有增殖作用。大豆根系分泌物中含有鄰苯二甲酸和丙二酸等化感物質(zhì)，可以刺激或引誘根腐病病原菌生長，對半裸鐮孢菌、粉紅粘帚菌和尖鐮孢菌都有明顯的促進作用，尤其是對半裸鐮孢菌的生長促進作用最顯著。張淑香等[16-17]以黑龍江省大豆重茬5a與正茬土壤和根系為主要研究對象，采用高效液相色譜法，研究土壤和根系浸提液中的酚酸類物質(zhì)的含量及其生物學效應(yīng)。其結(jié)果表明，酚酸類物質(zhì)加入土壤1周后，羥基苯甲酸、香草酸、香草醛、阿魏酸、苯甲酸、香豆素的殘留率分別為10.4%、15.3%、4.1%、2.3%、5.0%、17.5%；酚酸類物質(zhì)的降解與微生物的轉(zhuǎn)化利用密切相關(guān)；外加酚酸濃度與土壤中真菌數(shù)量呈極顯著指數(shù)相關(guān)。黃瓜根系分泌物中的肉桂酸可以促進黃瓜枯萎病原菌的生長。這一類化感物質(zhì)從本質(zhì)上講，應(yīng)當是廣譜的抗菌物質(zhì)，是植物對非寄主病原菌和非專化性病原菌的抗性的分子基礎(chǔ)。近年來研究表明，酚酸類物質(zhì)是腐生性真菌的優(yōu)質(zhì)碳源[18]。連作條件下植物根分泌物以及腐解物中一些化感物質(zhì)的累積，一方面抑制了固氮與氨化細菌等對作物有益的細菌種群，同時，也抑制了對病原真菌具有抑制作用的生防細菌。另一方面，由于病原真菌進化出特殊的代謝途徑，降解并消化利用了植物化感物質(zhì)的抑制作用，使其在根際競爭中，既無拮抗菌的競爭與抑制，又額外增加了豐富的碳源[18]。

表2 作物分泌的化感物質(zhì)對土壤生物的直接影響[19]

5 根系分泌物在土壤微生物化學通訊中的作用

近年來發(fā)現(xiàn)在根分泌物與土壤微生物之間可能存在著微妙的化學通訊關(guān)系[20]。如豆科作物和根瘤菌之間的共生關(guān)系是根系分泌物對根際微生物特異作用的典型，其根系分泌的類黃酮物質(zhì)可誘導(dǎo)根瘤菌對豆科植物根系的識別、侵染、定殖和結(jié)瘤，意味著在植物根系分泌物與微生物相互作用中存在一定的專一性[21]。另外，自然界中獨角金、列當?shù)葘Ｐ约纳参锓N子，只有在其適宜的寄主根出現(xiàn)在土壤時才萌發(fā)的機制，一直受到高度關(guān)注。第一個被分離出來的獨角金種子萌發(fā)刺激物——獨角金醇，最初是從非寄主植物棉花根系中分離出來的一種倍半萜烯類化合物，在極低的濃度下能使獨角金和列當?shù)确N子發(fā)芽，隨后才從獨角金的真正寄主玉米、高粱、粟的根系分泌物中分離出來。在不同的生長條件和生長時期，寄主分泌不同種類的獨角金內(nèi)酯[21]，這些復(fù)合的根系分泌物可能比單一的獨角金內(nèi)酯更有效。最近，日本科學家Akiyama等[22]發(fā)現(xiàn)，從寄主百脈根屬植物根系分泌物中分離出的一種獨角金內(nèi)酯是AM真菌菌絲分枝的誘導(dǎo)因子。長期以來，菌絲分枝被認為是AM真菌感染前期識別寄主的第一個形態(tài)學事件，在AM真菌定殖陸生植物過程中起著至關(guān)重要的作用[23]。AM真菌菌絲大量分枝，保證真菌能和植物根系接觸，從而建立共生關(guān)系。由此推測，AM真菌與寄生雜草可能都是通過檢測獨角金內(nèi)酯來尋找他們潛在的宿主。上述發(fā)現(xiàn)，是寄主植物為建立對其有益的共生關(guān)系，主動通過根分泌出的一類化學信號分子。這暗示了土壤微生物似乎可以與植物根分泌物中的某一類化合物，通過土壤媒介，建立專一的、特異的化學通訊關(guān)系，這也可能是植物與土壤中某些微生物長期協(xié)同進化的結(jié)果。

同樣，一些具有專化性寄生特點的病原菌，由于其腐生競爭力相對較弱，在根際土壤中很難改變被腐生菌抑制的命運。為維持其種群的繁衍，它們對寄主種子浸出液或根分泌物極可能進化出極其敏感的感覺機制，以便使其搶先一步萌發(fā)并定殖。雖然人們至今仍未能找到確鑿的證據(jù)，證明根分泌物中存在特異性物質(zhì)，誘導(dǎo)根專化性病原寄生菌增殖并形成根際優(yōu)勢種群，但至今絕大多數(shù)學者堅信，對專化性寄生的病原菌而言，在植物根分泌物中應(yīng)當存在著某類具有特異性的化學信號分子性質(zhì)的物質(zhì)。事實上，它仍將是目前國內(nèi)外植物病原性連作障礙研究的熱點與難點。隨著土壤中化學分子的捕獲技術(shù)與現(xiàn)代生物化學技術(shù)的進步，這一類問題可望在不久的將來逐漸得到解決。

6 展 望

盡管對于根分泌物的研究由來已久，尤其是澳大利亞的A.D.Rovira和他的合作者以及捷克科學院的V.Vancura等對根土界面根系分泌物進行了系統(tǒng)的研究，總結(jié)了植物根分泌物主要化合物及其可能的功能，將植物根的分泌作用和根際效應(yīng)與微生物活動和植物健康聯(lián)結(jié)起來，使人們對這一問題的認識比過去更加清晰。但對植物病原性連作障礙成因的研究進展不大。毋庸諱言，該領(lǐng)域涉及到植物病理學、農(nóng)學、土壤學、微生物學和生態(tài)學等多門學科，確實是一項極大的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是許多研究工作備受挫折的原因。事實上，目前對根滲出物的理解還只是一個最基本的理解，它對病原菌的反應(yīng)所起作用的重要性，大部分仍是推測結(jié)果。此外，研究方法有待精準。目前許多數(shù)據(jù)是利用離體培養(yǎng)這種外推法所得到的數(shù)據(jù)，而不是將作物直接栽在土壤中。盡管在植物科學的基礎(chǔ)研究中，液態(tài)培養(yǎng)已經(jīng)提供，并將繼續(xù)提供非常有用的功能，但液體培養(yǎng)與土壤存在以下四個方面的重要差異：一是土壤中植物有效的根表面積比液體栽培時大得多，其吸附作用存在極大的差異；二是液體栽培基質(zhì)不停地混合，根分泌物的擴散狀況與固定不動的根際土壤顯然不同；三是這兩者栽培介質(zhì)中的微生物生態(tài)學存在極大差異；四是水和氧氣在這兩種栽培系統(tǒng)中的狀況完全不同。因此，未來有關(guān)植物病原性連作障礙的研究重點：一是應(yīng)當著力如何建立植物在土壤系統(tǒng)原位中根滲出物的鑒定與量化方法。二是利用現(xiàn)代技術(shù)，創(chuàng)新土傳病害研究的理論與方法，探索連作栽培條件下，根分泌物是如何打破病原菌—寄主植物之間的侵染與反侵染、致病與抗病等基因互作的平衡。

[1]喻景權(quán).蔬菜設(shè)施栽培可持續(xù)發(fā)展中的連作障礙問題[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2000，31（1）：124-126.

[2]Pinton R,Varanin Z,Nannipieri P.The Rhizosphere biochemistry and organic substances at the soil-plant interface[M].America:CRC Press,2007.

[3]Nicholas C U.Types,amounts,and possible functions of compounds released into the rhizosphere by soil-grown Plants[M].Oxford:Oxford Oniversity Press,2004.

[4]徐瑞富，王小龍.花生連作田土壤微生物群落動態(tài)與土壤養(yǎng)分關(guān)系研究[J].花生學報，2003，32（3）：19-24

[5]馬云華，魏 珉，王秀峰.日光溫室連作黃瓜根區(qū)微生物區(qū)系及酶活性的變化[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2004，15（6）：1005-1008.

[6]胡元森，劉亞峰，吳 坤，等.黃瓜連作土壤微生物區(qū)系變化研究[J].土壤通報.2006，37（1）：126-129.

[7]Lugtenburg B J J,Bloemberg,G V.Life in the rhizosphere,in Pseudomonas[M].New York:Kluwer Academic/Plenum Publishers,2004.403.

[8]Kuiper I,Bloemberg G V,Noreen S,et al.Increased uptake of putrescine in the rhizosphere inhabits competitive root colonization by Pseudomonas fluorescens strain WCS365[J].Mol.Plant-Microbe Interact.,2001,14（9）:1096-1104.

[9]Kuiper I,Kravchenko L V,Bloemberg G V,et al.Pseudomonas putide strain PCL1444,Selected for efficient root colonization and naphthalene degradation,effectively utilizes root exudate components[J].Mol.Plant-Microbe Interact,2002,（15）:734-741.

[10]Ito S,Eto T,Tanaka S,et al.Tomatidine and lycotetraose,hydrolysis products of a-tomatine by Fusarium oxysporum tomatinase,suppress induced defenses in tomato cells[J].FEBS Letters 2004,571:31-34.

[11]Ito S,Kawaguchi T,Nagata A,et al.Distribution of the FoToml gene encoding tomatinase in formae speciales of Fusarium oxysporum and identification of a novel tomatinase from Fusarium oxysporum f.sp.radicis-lycopersici,the causal agent of Fusarium crown and root rot of tomato[J].Journal of General Plant Pathology 2004,70:195-201.

[12]Ito S,Takahara H,Kawaguchi T,et al.Post-transcriptional silencing of the tomatinase gene in fusarium oxysporum f.sp lycopersici[J].Journal of Phytopathology 2002,150:474-480.

[13]Boominathan K,Mahaadevan A.Dissimilation of aromatic substances by fungi[J].Zentralblatt fur Mikrobiologie,2003,144:37-45.

[14]Kim Y H,Lee J,Ahn Y,et al.Enhanced degradation of an endocrine-disrupting chemical,butyl benzyl phthalate,by Fusarium oxysporum f.sp.pisi cutinase[J].Applied and Environmental Mcrobiology,2002,68:4684-4688.

[15]韓 雪，吳鳳芝，潘 凱.根系分泌物與土傳病害關(guān)系之研究綜述[J].中國農(nóng)學通報，2006，22（2）：316-318.

[16]張淑香，高子勤.連作障礙與根際微生態(tài)研究I.根系分泌物與酚酸物質(zhì)[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2000，11（1）：152-156.

[17]張淑香，高子勤，劉海玲.連作障礙與根際微生態(tài)研究Ⅲ.土壤酚酸物質(zhì)及其生物學效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2000，11（5）：741-744.

[18]孔垂華.植物與其它有機體的化學作用——潛在的有害生物控制途徑[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2007，40（4）：712-720.

[19]梁文舉.根分泌的化感物質(zhì)及其對土壤生物產(chǎn)生的影響[J].地球科學進展，2005，20（3）：330-335.

[20]孔垂華，胡 飛.植物化學通訊研究進展 [J].植物生態(tài)學報，2003，27（4）：561-566.

[21]胡 飛，孔垂華.寄生植物對寄主植物的化學識別[J].生態(tài)學報，2003，23（5）：965-971.

[22]Akiyama K,Hayashi H.Strigolactones:chemical signals for fungal symbionts and parasitic weeds in plant roots[J].Ann Bot（Lond）,2006,97（6）:925-931.

[23]Redecker D,Kodner R,Graham L E.Glomalean fungi from the Ordovician[J].Science,2000,289（5486）:1920-1921.