間作防控作物土傳病害的機理研究進展

付學鵬　吳鳳芝　周新剛

摘要：在對國內外不同作物間作防控土傳病害的主要成果進行系統性總結歸納的基礎上，深入闡述并分析根系分泌物的抑菌作用、根系分泌物介導的土壤微生物多樣性及誘導作物抗性等對土傳病害的防控作用，提出未來需要進一步深入研究的問題。

關鍵詞：間作；土傳病害；根系分泌物；誘導抗性；土壤反饋

中圖分類號：S435 文獻標志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0016—05

土傳病害是指生活史中有一部分或大部分存在于土壤中的病原體侵染作物而導致的病害。土壤病原體有真菌、細菌、線蟲和病毒等生物體，能夠引發枯萎病、黃萎病、立枯病、猝倒病、根腐病、青枯病、軟腐病、根結線蟲病、孢囊線蟲病、根腫病和叢根病等多種作物病害，如大豆菌核病、水稻白葉枯病、小麥禾谷孢囊線蟲病、棉花黃萎病、番茄和黃瓜枯萎病等，嚴重危害糧食和蔬菜作物，造成糧食、蔬菜產量和品質大幅下降。在現代農業中，由于追求高產，高水肥投入及大面積連續單一種植等栽培措施的應用，造成土壤生態失衡、病原體大量積累和病害暴發。土傳病害由于病原體藏身于土壤并可長期存活，耐逆性強，寄主植物較多，防控相對較難，如輪枝菌（Verticillium spp.）能夠引起植物的黃萎病，其寄主植物達200多種，棉花、茄子、番茄等都是該病菌的寄主；尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）也是眾所周知非常普遍的土傳病原體，能夠引起多種植物枯萎病和根腐病。目前，控制土傳病害主要是通過土壤改良、栽培制度改進、抗病品種選用、化學藥劑施用和生物防治等方式。

作物合理問作是我國傳統農業的精華，在防控土傳病害、促進礦質營養有效利用、提高產量和品質等方面發揮著重要的作用。早期研究多集中于間作對土傳病害防控效應的研究，1977年，澳大利亞的Burdon等觀察到大麥/小麥混作能夠有效控制大麥的霉病；同一種植物不同基因型或品種也可以控制病害，如易感病水稻/抗病水稻間作，能夠抑制易感病水稻稻瘟病的發生；不同香蕉品種混植，能夠顯著降低危害香蕉最嚴重的線蟲數量；馬鈴薯/玉米間作能夠控制馬鈴薯的細菌性枯萎病。隨著科學發展和技術進步，以生物多樣性為基礎的生態學思想在植物病理學領域的應用豐富了作物病害防控的理論和實踐，特別是近20年，分子生物學的發展為病蟲害防治機理的研究提供了強有力的手段，如華南農業大學廖紅課題組研究大豆/玉米間作發現，玉米的根系分泌物能夠抑制引起大豆紅冠根腐病寄生帚梗柱孢菌（Cylindrocladium parasiticum）的生長，并誘導大豆病程蛋白基因的表達；中國農業大學左元梅課題組研究番茄/茼蒿間作發現，茼蒿根系分泌物中的月桂酸能夠調節番茄根結線蟲的趨藥性，干擾Mi-flp-18基因的表達，從而控制根結線蟲的侵染。

近年來，世界各國都在廣泛應用間作方式以達到作物防病增產的目的，并摸索出很多能夠有效控制土傳病害的問作作物組合，研究的重點也逐漸從現象轉向機理。加快其機理研究，可有助于對間作防控土傳病害更加深入的理解和應用。本研究在歸納20世紀70年代以來國內外關于間作防控土傳病害主要成果的基礎上，結合東北農業大學園藝學院課題組的工作，論述問作防控土傳病害的可能機制，探討這一領域研究的不足和發展趨勢，旨在為間作控病的應用提供一個基礎的理論依據和啟示。

1根系分泌物對病原體的抑制作用

根系分泌物（root exudate）是指在特定環境下，活的植物通過根系不同部位釋放到根際環境中有機物質的總稱，包括糖類、氨基酸類、有機酸、酚酸類、脂肪酸、甾醇類、蛋白質、生長因子等。根系分泌物中的有機物質不僅能夠為土壤微生物提供碳源、氮源，也具有促進植物營養吸收、種問識別、信號傳導及對病原微生物的抑制作用。植物根系分泌物中含有某些對自身、鄰近其他植物或土壤微生物產生抑制作用的生物活性物質即為化感物質（allelochemicals），這種抑制作用稱為化感作用（allelopathy）。目前，普遍認為根系分泌物中肉桂酸、月桂酸等酚酸物質及苯醌、氫化奎寧、皂角苷、幾丁質酶等抗毒素類物質是抑制病原微生物的化感物質。不同植物根系分泌物的組成是不同的，當2種或者多種作物間作時，一種作物根系分泌物的化感物質可能會對與其問作作物的某種致病微生物產生化感作用，從而降低其發病率和病情指數。Kcny等發現，柑橘園中間作藿香可顯著抑制土壤中的真菌性病原菌如疫霉菌、瓜果腐霉和腐皮鐮刀菌，并認為這種抑制作用和藿香向土壤中釋放化感物質黃酮、勝紅薊素等有顯著關聯；西瓜/水稻間作，水稻根系分泌物中的對香豆酸對引起西瓜枯萎病的尖孢鐮刀菌孢子萌發和孢子形成有顯著抑制作用；大豆/玉米間作，根際土壤中的肉桂酸能夠顯著抑制寄生帚梗柱孢菌；番茄/茼蒿間作，茼蒿根系分泌出月桂酸調節了根結線蟲的趨藥性，擾亂線蟲Mi-flp-18基因的表達以阻止其感染番茄。筆者所在課題組研究發現，小麥的根系分泌物能夠抑制尖孢鐮刀菌的生長；分蘗洋蔥根系分泌物能夠抑制引起番茄、黃瓜枯萎病尖孢鐮刀菌的生長。由此可見，根系分泌物中的化感物質對土傳病原微生物的化感抑制作用，是間作防控土傳病害的重要途徑。

2間作提高作物根際土壤微生物的多樣性

很多學者認為，對植物土傳病害的抑制在一定程度上是對土壤微生物群體的作用。根際的非致病菌和致病菌相互作用，通過營養競爭抑制病原體孢子生成、競爭感染位點減少病原體在植物根上的定植等方式以減少病原體的侵染，并且能夠引發植物的防御反應和誘導系統抗性。微生物群落結構越豐富，多樣性越高，對抗病原菌的綜合能力就越強。

間作能夠增加土壤生物的多樣性，增加有益微生物的種類和數量，并減輕土傳病害。花生/蒼術間作，顯著改變了土壤無脊椎動物的組成和多樣性，降低了花生幼苗期猝倒病和成熟期根腐病；西瓜/水稻間作，改變了西瓜根際土壤中的微生物區系，放線菌和細菌尤其是革蘭氏陽性細菌的數量顯著增加，而真菌數量減少，尖孢鐮刀菌受到抑制。東北農業大學園藝學院課題組多年研究發現，黃瓜和小麥、毛苕子、三葉草、洋蔥、大蒜間作，均顯著提高了黃瓜根際土壤微生物群落的多樣性，降低了黃瓜角斑病、白粉病、霜霉病和枯萎病的發生。另外，小麥/蠶豆、豌豆/燕麥、紅三葉草/蘋果等相互間作均觀察到這種現象。

叢枝菌根是最普遍的一種菌根真菌，能和大多數維管植物形成菌根共生關系，拮抗多種土傳病原菌如絲囊霉屬（Aph-anomyces）、帚梗柱孢屬（Cylindrocladium）、鐮刀菌屬（Fusari-um）、殼球孢屬（Macrophomina）、疫霉菌屬（Phytophthora）、腐霉屬（Pythium）、絲核菌屬（Rhizoctonia）、輪枝菌屬（Verticilli-um）、根串珠霉屬（Thielaviopsis）及線蟲，控制植物病害，特別是土傳病害的發生。叢枝菌根共生植物對土傳病害的良好抗性，主要表現在對病原菌的排斥、植物細胞壁的木質化、根系分泌物的改變、抑制性低分子量化合物的分泌及誘導植物系統產生抗性等。寄主植物會影響叢枝菌根的群落結構，因此作物間作由于作物的多樣性會影響叢枝菌根的群落結構，從而對病害產生影響。研究表明，番茄/韭菜間作，番茄根中的叢枝菌根真菌定植率比單作高20%，并降低番茄枯萎病的發生；多作物混植可以增加落花生叢枝菌根的定植率；農林間作可以提高根際土壤菌根真菌的定植率和多樣性；玉米/田菁間作，菌根真菌也表現出多樣性。

菌根真菌的多樣性變化和其他土壤微生物一樣，可能和植物的根系分泌物有關。間作中，由于根系分泌物的成分和數量較單作不同，影響了菌根真菌的多樣性，而菌根的多樣性對植物病害發生產生一個積極的負反饋，減輕或控制了作物病情的發生和發展。問作系統中根際土壤微生物群落結構的變化也可能和根系分泌物有關，一方面，根系分泌物中某些成分對微生物具有吸引作用，這類具有趨化性的細菌或真菌能夠在根際中大量聚集和繁殖，從而對病原菌產生抑制和拮抗作用，抑制與其毗鄰作物病害的發生。Bacilio-Jimonez等研究發現，水稻的根系分泌物能夠誘導內生菌的趨藥性；Mendes等發現，種植于抑病型土壤的甜菜，其根際優勢群落普遍為拮抗病原菌的微生物，尤其是假單胞菌在抑病型土壤中的數量極顯著高于利病型土壤，并認為這是由根系分泌物介導下植物與根際特異微生物共同作用的結果；玉米根系分泌物中的丁布能吸引有益菌熒光假單胞菌向玉米根際富集；西瓜根系分泌的蘋果酸、檸檬酸能夠富集多黏類芽孢桿菌SQR-21。另一方面，植物能夠不斷地調整自身根系分泌物的組成和數量來積極響應周圍環境的變化，間作條件下，間作作物可以誘導毗鄰作物根系分泌物組分、分泌量的改變，吸引有益菌，抑制病原菌。楊智仙等研究表明，蠶豆和小麥問作增加微生物多樣性的原因可能與根系分泌物有機酸含量的增加及可溶性糖、游離氨基酸含量降低有關，并認為問作中根系分泌物一根際微生物的互作是影響蠶豆枯萎病抗性的重要原因；小麥/蠶豆間作，根系分泌物中的有機酸分泌量和種類都較單作時顯著提高；西瓜/旱作水稻間作，西瓜根系分泌物中的蘋果酸、草酸和延胡索酸有顯著降低；馬唐、反枝莧、野燕麥對小麥根系分泌物丁布含量的增加有明顯的誘導作用。

因此，合理問作改變了作物根際土壤微生物的多樣性，反過來微生物的多樣性變化抑制了病原菌，促進了作物生長，這種“反饋”作用可能是問作防控土傳病害的又一重要途徑。

3提高作物的抗病性

植物在生長發育過程中受到病原物的侵擾，在與病原物相互作用、相互適應、相互選擇乃至協同進化過程中，植物獲得一系列復雜的防御機制保護自身，來減輕病害的危害。一方面，植物自身的某些物理結構與化學成分如細胞壁的角質、蠟質、木質素等，以及產生抑制病原物的有機物如植保素、毒性酚類小分子化合物等具有抗病效果，這些物質通過根系分泌物的形式分泌到根際對病原物產生化感作用；另一方面，在某些因子刺激下可以誘導植物產生抗性，從而在病原物侵染下，啟動抗性相關的分子和生理生化過程，防御病原物的侵襲。

3.1間作改善作物根際營養，提高作物的物理抗病性

礦質養分是植物生長發育所必需的，一方面可以作為植物組織的構成成分或直接參與新陳代謝而起作用；另一方面也可通過改變植物的生長方式、形態和解剖特征，如使表皮細胞加厚、高度木質化或硅質化，形成機械屏障增強其抗病能力。Zhang等在間作改善作物礦質營養的研究中作出巨大貢獻，在國內外同行的研究中處于領先地位，其研究表明，間作可以顯著改善作物的氮、磷、鉀及微量元素含量等，而作物礦質營養的改變影響著作物的物理抗病性；肖靖秀等在間作改善作物營養與控制病害關系方面的研究較多，如小麥/蠶豆間作，蠶豆改善了小麥的氮、鉀營養狀況，從而抑制了小麥銹病及白粉病的發生，小麥/蠶豆間作，改善了蠶豆的錳營養，降低了蠶豆葉赤斑病的發生，間作水稻的氮含量下降，降低了水稻稻瘟病的發生。但是，關于間作改善作物礦質營養與病蟲害減輕之間相互關系的研究相對比較少，值得更深入的研究。

3.2間作提高作物的系統抗性

間作能提高作物抗性基因的表達和防御酶活性，從而使植株的系統抗性提高。玉米/大豆間作，根的相互作用改變了大豆病程蛋白PR基因的表達及相應酶的活性，從而表現出對病原體較大的抗性。盧國理等研究主栽雜交稻合系-41和易感稻瘟病的優質糯稻黃殼糯間作發現，間作黃殼糯葉片中總酚、類黃酮含量提高，稻瘟病發生降低；東北農業大學園藝學院課題組對問作（伴生）提高作物抗性方面做了較多探索，發現伴生小麥提高了西瓜POD、PAL、SOD等防御酶的活性和幾丁質酶、β-1，3-葡聚糖酶等病程蛋白基因的表達，提高了西瓜的抗性，西瓜枯萎病、白粉病的發病率降低。間作中作物系統抗性的提高可能和根系分泌物及土壤微生物有關。作為根系分泌物中的重要組分，水楊酸可以誘導西瓜、番茄提高對尖孢鐮刀菌的抗性；土壤中綠膿假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）分泌的水楊酸能夠使大豆獲得抗性；土壤中的有益微生物如熒光假單胞菌和菌根真菌也可以誘導植物產生系統抗性。

植物誘導抗性是通過植物后天免疫實現的具有廣譜性、持久性和選擇性的病害防御措施，是提高植物抗病性的有效途徑。目前，對間作提高作物系統抗性的現象及機理研究還遠遠不夠，值得關注。

4展望

間作對作物土傳病害的防控往往是根系分泌物、土壤微生物及土壤礦質養分等多種因素的綜合作用，其中根系分泌物在土傳病害的防控中發揮著重要作用，可以直接抑制病原菌、吸引有益菌、改變土壤中的微生物群落結構，而微生物群落的多樣性又可以抑制病原菌，還可以促進作物的礦質營養吸收，提高物理抗性及誘導系統抗性。

間作防控土傳病害的機理研究雖然取得一定進展，但還存在一些不足。近年來，間作防控作物病害多集中于根系分泌物的化感作用，對誘導作物抗性的研究鮮有報道，東北農業大學園藝學院課題組已經注意到這個問題，并且加大了相關研究的力度和深度。另外，間作提高了土壤微生物的多樣性，而生物多樣性對間作防控病害的貢獻也鮮有直接的證據，云南農業大學相關課題組目前已經開展一些相關研究。

間作存在著“植物-植物-土壤-土壤生物”的復雜關系，雖然根系分泌物、土壤營養狀態、土壤生物多樣性都可能對抑制土傳病害發揮一定作用，但總的來說是間作造成土壤環境的改變，進而影響了作物病害的發生。目前，各種因素對土壤的影響、土壤的反饋作用及其機制研究正逐漸成為該領域的熱點。每種植物都具有影響土壤有機質、土壤營養可用性、土壤微生物群落組成的能力，且能力大小不同，而每種植物對土壤性質的影響反過來會對植物的生長環境產生影響，進而影響植物的生長，對土壤反饋的認識和了解將會進一步闡明間作系統防控土傳病害的機理。