堆肥調控作物根際微生物組抑制植物病害的研究進展

王寧 李蕙秀 李季 丁國春

（1. 中國農業大學資源與環境學院 北京市生物多樣性與有機農業重點實驗室，北京 100193；2. 中國農業大學有機循環研究院（蘇州）， 蘇州 215100；3. 唐山師范學院，唐山 063000）

據預測，到2050年，世界人口將增加至91億［1］，全球對食品和纖維的需求量將比2017年增加70%［2］。耕地是糧食生產的重要基礎，但隨著全球人口數量的激增和工業的快速發展，可耕土壤面積正在逐步減少。據調查數據顯示，全球可利用農業土壤面積僅剩約3%，且現有耕地面臨著土壤肥力下降、化學肥料與農藥污染、土壤酸化退化與水土流失等挑戰［3-4］。同時，作物土傳病害也嚴重威脅著農業生產。例如，由病原真菌（Fusarium oxysporum，Rhizoctonia solani，Verticillium dahliae）、細菌（Ralstonia solanacearum，Agrobacterium radiobacter）、 卵 菌（Phytophthora capsici，Pythium ultimum）等導致的病害造成了嚴重的作物減產［5-8］。而殺菌劑等化學農藥的使用帶來了抗生素抗性［9］、水體與土壤的污染［10］等一系列負面環境效應，加劇了農業生產與環境保護之間的矛盾。因此，探尋強化農田土壤生態服務功能等綠色安全的生產措施對促進農業的可持續發展具有重要意義。

另一方面，我國的有機廢棄物產量大，已成為全世界最大的農業廢棄物產生國，預計未來仍將以每年10%的速度遞增。僅養殖場畜禽糞污達38億t（鮮重）［11］，其中的氮磷鉀養分儲量高達7 000 萬t［11］，超過我國全年化肥養分總量約1 000萬t。目前有機廢棄物處理與資源化率低（不足40%）［12］，造成嚴重的養分損失和環境污染問題［13］。第二次全國污染源普查結果表明，農業污染源總氮、總磷的排放量分別為141.49萬t和21.20萬t。因此，有機廢棄物無害化處理和資源化利用對生態環境保護和農業綠色發展具有重要的意義。好氧發酵是利用微生物降解轉化有機廢棄物形成堆肥，適合不同有機廢棄物處理與資源化轉化的需求，是國內外農業廢棄物資源化利用的最重要的途徑之一。

好氧堆肥在植物病害防治方面的作用很早就被認識到［14］。大量的研究證實了堆肥能夠抑制多種作物的真菌（枯萎病、黃萎病、腐霉病和絲核病等）和細菌（青枯病、斑疹病和葉枯病）病害［15］。在一些實驗中，堆肥甚至能夠取得與化學藥劑類似的防治效果［16］。與化學農藥不同，堆肥被認為是通過提升土壤生態系統服務功能來維持農田生態系統健康，是一種綠色的農業技術。本文綜述堆肥通過調控土壤/根際微生物組抵抗作物病害方面的重要研究進展。

1 堆肥抑病的重要影響因素

前期的研究顯示拮抗微生物和化學物質是堆肥抑制植物病害的關鍵因素。其中支持堆肥能夠通過拮抗微生物抗病的證據鏈主要有兩條：一是堆肥中存在大量對植物病原物有拮抗作用的微生物，如Pseudomonas、Bacillus、Enterobacte、Trichoderma、Gliocladium和Penicillium［17］，添加這些拮抗微生物常能抑制相應的植物病害；二是滅菌處理后，堆肥抑病作用會降低、甚至完全消除［18-19］。例如，Antoniou等［20］通過滅菌和不滅菌堆肥的比較研究，發現滅菌后的堆肥對番茄生長的促進作用和對枯萎病（Fusarium oxysporum f.sp）和黃萎病（Verticillium dahliae）的抑制作用均下降。也有研究發現好氧堆肥能夠提高作物的免疫力，例如誘導蘿卜抵抗黑腐病菌引發的葉斑病［21］；誘導甜瓜的系統抗性，提高抵抗尖孢鐮刀菌引發的枯萎病和灰葡萄孢引發的灰霉病的能力［22］。這一作用或許也與堆肥中的有益微生物相關。從堆肥中分離出的微生物具有誘導植物病程相關蛋白如β-1-3葡聚糖酶、幾丁質酶、過氧化物酶和多酚氧化酶等的表達能力，相關蛋白的表達能夠幫助植物阻礙多種病原菌的入侵［23-24］。

堆肥中含有多種與抑制病害相關化學物質（小分子酸、氨氮、腐殖質、酚類物質）、活性物質（PR蛋白、大分子物質降解酶、抗氧化酶）和拮抗微生物等［25-27］。堆肥的腐熟度、物料類型等也能夠影響抑菌物質的數量、組成以及抑制病害的能力［28］，但是，不同研究之間的結果差異較大［29］。

堆肥的抑病效果與土壤類型、耕作及其他農業措施、土傳病害的類型等多種因素有關［15，28，30］。如Bernar等［31］發現堆肥雖然可以減少常規和有機農場中馬鈴薯絲核菌病的發病率，但在有機農場的抑病效果比常規農場高15%。堆肥對不同病害如馬鈴薯絲核菌病和銀腐病的抑病效果存在較大的差異［31］。Larkin等［32］發現灌溉能夠降低堆肥對馬鈴薯黑痣病和瘡痂病的抑制作用。不同堆肥抑制病害的能力也存在較大的差異［33］，有一些甚至會出現促進病害（晚疫病、根腐病）的負面效果［34］。但是目前尚未明確堆肥-環境-植物病害抑制之間的關鍵互作機制，相關理論基礎的缺乏在一定程度上限制了堆肥在植物病害防治方面的大規模使用。

2 堆肥調控根際微生物組結構與潛在作用 機理

根際微生物組是指定殖在根系周圍狹窄區域（＜10 mm）內的微生物，在作物健康的維系方面具有重要的作用［35］。根際微生物的豐度上比土壤中高1-2個數量級，種群結構也存在較大的差異［36-37］。近年來根際微生物組在促進養分元素轉化、病原物抑制等方面的重要作用逐漸被揭示［38］。根際微生物能夠礦化植物根分泌的或根附近土壤中的有機物，促進養分元素的循環與周轉［39］；通過根際激發效應促進土壤中養分元素的釋放［40-41］，影響不同植物之間競爭力［42］。在植物病害防治方面，根際有益微生物可通過生態位競爭［43］、產生抗生物質［44］、產生細胞壁降解酶［45］等途徑直接作用于病原菌，從而降低其在土壤中的豐度至不可致病水平；也可通過產生植物生長激素、營養元素固定與分解、誘導系統抗性和群體感應等途徑直接作用于植物本身，提高其抵抗力，從而降低植物感病風險［46］；在種群和群落層面上，根際的Proteobacteria、Firmicutes、Actinobacteria、Acidobacteria和Planktomycetes門等根際類群參與多種土傳病害抑制［47］。堆肥和生防微生物的使用常能改變根際微生物多樣性，促進 有 益 微 生 物 如Sphingomonas、Paenibacillus、Sporothermodurans、Clostridium和Bacillus等的增殖，可使土壤向健康有利的方向發展，從而產生廣譜抗病性［48-51］。

2.1 堆肥微生物組中非主導種群的調控

從堆肥中分離出的Proteobacteria和Actinobacteria門的拮抗能夠在番茄根際定殖，抑制青枯病［52］。值得注意的是堆肥或其他有機肥中的微生物組與土壤和根際的微生物種群存在較大的差異。Zhao等［53］通過研究堆肥和土壤中的微生物群落發現，二者的細菌、真菌優勢種存在明顯差異，有機肥中的細菌優勢種為Pediococcus、Bacillus和Klebsiella，真菌則為Pichia，而土壤中的細菌Planctomyces和Klebsiella相對豐度較大，真菌為Fusarium和Myrothecium。Han等［54］研究也顯示施用堆肥只能在短期內（＜7 d）對土壤微生物組具有較大的影響。Shen等［55］也發現堆肥的抑病作用與其中的微生物豐度并無相關性。Wang等［56］分析了中國16省的116個堆肥樣品，發現堆肥的核心微生物組主要由能夠降解大分子有機物的微生物構成，但未包含已經報道能夠抑制植物病害的微生物物種。事實上，堆肥微生物組結構常隨堆肥過程而發生劇烈變化，而高溫期（＞55℃）常常會延續超過5 d，較長的高溫或能殺滅部分中溫菌，從而使其不能在堆肥腐熟期再增殖［57］。另一方面，在好氧發酵后期有機物料被大量降解，物料含水率會較大地下降，不利于微生物的活動，因而堆肥中耐高溫的厚壁菌門微生物常占主導地位［56］。上述研究顯示堆肥中的主要微生物在土壤或根際環境中的競爭力或較弱，或未直接參與植物病害的抑制，非主導種群或在植物病害抑制方面起關鍵作用。

添加外源拮抗菌能夠強化堆肥的抑病作用［58］。如，添加抑病的芽孢桿菌和木霉菌的堆肥可有效抑制尖孢鐮刀菌引起的枯萎病［59-60］；添加地衣芽孢桿菌和甲基營養型芽孢桿菌能夠強化堆肥對草莓枯萎病的防治效果，而病原微生物鐮刀菌的數量降低了近5倍［61］；添加芽孢桿菌的堆肥可使西瓜枯萎病的發病率降低41.9%［62］；添加解淀粉芽孢桿菌的生物肥料增加了香蕉根際細菌多樣性，從而起到了抑制病原菌的效果［63］。Huang等［64］制備的含Bacillus velezensis H-6的堆肥的施用同樣對香蕉枯萎病有抑制作用。經拮抗微生物強化的堆肥對根際微生物的種群結構具有調控作用，增加有益微生物在根際的豐度。近期的一些研究顯示能夠幫助病原菌生長的其他根際微生物是影響病原菌侵入的關鍵［65］，因此降低此類微生物在堆肥中的豐度或能提高堆肥的抑病能力。

2.2 土壤微生物物理化學過程的間接作用

植物不僅從土壤中招募根際微生物，同時也在土壤中拓展根系、吸收水和營養元素，通過根系沉降作用輸入碳源，與根系微生物形成一個動態的互作系統［66］。因此，不難理解土壤的物理、化學和生物特性能夠影響根際微生物組的結構和功能［67］。好氧堆肥的農田應用不僅向土壤中注入了營養元素，同時也帶入了大量的有機質、有益微生物、抑菌物質等，具有提高土壤有機質、肥力元素、土壤生物量、增加孔隙度等作用［68］。長期使用堆肥能夠全面提高農田生態系統的服務功能。例如，在中國農業大學曲周實驗站開展的長期定位實驗中發現堆肥能夠增強作物的抗病能力［69］；改善土壤的品質，如土壤的有機質、NPK等養分的含量，與常規體系相比提高了1-1.4倍［70］；降低了硝酸鹽的淋失和N2O的排放［71-72］；提高了土壤中不同形態的磷元素關聯性［70］；提高了土壤中細菌的豐度（平均提高1.8倍），例如參與難降解碳代謝的微生物種群的相對豐度，如Ignavibacteria和Acidobacteria Gp6；同時又降低了土壤中的氨氧化的細菌、古菌及厭氧氨氧化細菌的相對豐度，提高了含napA基因型的反硝化細菌的豐度［70］。土壤生物物理化學特性的變化也能影響根際微生物組，如幼苗期茄子根際微生物組在施用和不施用堆肥處理組差異較大，但差異隨作物的生長而逐漸減弱。在茄子盛果期根際強解磷細菌Enterobacteria的相對豐度顯著提高，或與該生長期茄子對磷元素的需求較高相關［73］。長期施用堆肥的土壤微生物組對辣椒疫病具有較好的抑制作用，發病率僅為常規土壤微生物組處理的30%，同時拮抗芽孢桿菌（Bacillus）在辣椒根際的相對豐度顯著提高，利用根系富集的拮抗芽孢桿菌合成抑病微生物組能顯著提高辣椒對疫霉的抵抗［74］，這證實了長期施用堆肥改造的土壤微生物組能夠提高根際拮抗Bacillus的豐度抑制疫霉病。苗期富集根際拮抗菌如芽孢桿菌和假單胞菌等也能夠影響作物之后的生長過程中對病原物的抵抗力［75］。

2.3 根際/土壤微生物組的時空異質性及堆肥的改造作用

土壤微生物組是植物招募根際微生物組的庫，多數研究顯示長期施用堆肥或其他有機肥能夠影響土壤微生物組的多樣性，特別是beta多樣性。但在不同研究中，堆肥對微生物類群的作用往往存在差異［70，76］。堆肥的類型、施用量以及種植方式、作物的類型等多種因素或能共同決定最終的形成的微生物組結構［77］。有機農場常使用好氧堆肥補充土壤養分，前期我們在30個點開展了有機農業對土壤微生物組多樣性影響的調研，發現有機農業通常能夠顯著改變土壤微生物的beta多樣性，但對alpha多樣性無顯著影響［78］。多數微生物屬對有機農業響應方式（正響應，負響應）與研究點相關［78］。與定位實驗基本一致的是有機農業傾向富集參與難降解碳代謝的微生物，抑制氨氧化細菌類群等［78］。另一方面，土壤微生物組的結構往往也會隨植物生長期而呈現動態變化。如豌豆、小麥和甜菜的根際微生物群落隨著植物的生長期改變而產生動態變化［79］；種植3個月和6個月甘薯的根際微生物群落存在顯著差異［80］；在擬南芥生長發育的4個不同生長期中，苗期的根際微生物群落與其他時期不同，同時鏈霉素合成相關的基因在抽薹期和開花期被顯著誘導［81］；我們對不同施肥體系下茄子和玉米根際解磷菌多樣性研究發現，處于結果期的作物能夠在根際富集大量解磷微生物［73，77］。這一結果顯示不同生長期的植物對營養元素的內在需求或是其招募不同功能微生物的動力。因此，堆肥施用對土壤微生物組的影響或是動態的，即對微生物群落演替的影響。在曲周長期定位實驗中，我們連續兩年跟蹤不同施肥處理下土壤微生物種群的演替，發現Flavobacterium和Pseudomonas等抗病微生物的影響存在較大的時間波動［82］，但這種波動是否會對根際微生物組的結構和抗病功能產生影響尚需要進一步研究。但不可否認的是植物從不同土壤中招募根際微生物組的結構往往存在差異，如Schreiter等［37］發現3種不同土壤中的生菜的根際微生物組成存在顯著差異；在以擬南芥為宿主的根際微生物組研究中，發現土壤類型是一個重要的影響因素［83-84］。此外，土壤類型也能夠影響葡萄和玉米的根際微生物結構組成［85-86］。因此，解析堆肥施用對不同土壤、不同作物根際微生物組的結構和功能的影響，或能為利用堆肥調控根際微生物組，增強作物抑病性等綠色農業技術的研究提供一定的理論基礎。

3 總結與展望

堆肥或通過改變土壤的物理化學和生物特性及向土壤中引入關鍵根際微生物等方式調控根際微生物組的結構、抑制植物病害，相關調控作用受環境因子如土壤類型，作物品種與發育、農業措施、外源添加拮抗微生物等多種因素的共同作用（圖1）。土壤的物理化學及生物特性的變化或能影響土壤微生物-病原菌、病原菌-作物、作物-根際微生物之間的互作，進而改變病原菌在土壤中的命運及其對寄主作物的趨化作用等，或影響作物系統獲得抗性等。土壤和根際中的微生物的多樣性、種群結構具有較大的可塑性、可變性和時空異質性等特點，具有普遍意義的作用機理的揭示依然面臨巨大挑戰。通過環境組學等前沿技術深入探討“堆肥-土壤-植物根際微生物組”互作系統，揭示關鍵作用機制及規律或能促進新型綠色抑病投入品的研發與應用，提高土壤肥力與農田生態服務功能，為“藏糧于地、藏糧于技”的國家戰略貢獻力量。

圖1 堆肥抑制植物病害的機理模型Fig. 1 Mechanism model of compost inhibiting plant diseases