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间作防控作物土传病害的机理研究进展

2017-05-17付学鹏吴凤芝周新刚

江苏农业科学 2016年1期
关键词:间作

付学鹏 吴凤芝 周新刚

摘要:在对国内外不同作物间作防控土传病害的主要成果进行系统性总结归纳的基础上,深入阐述并分析根系分泌物的抑菌作用、根系分泌物介导的土壤微生物多样性及诱导作物抗性等对土传病害的防控作用,提出未来需要进一步深入研究的问题。

关键词:间作;土传病害;根系分泌物;诱导抗性;土壤反馈

中图分类号:S435 文献标志码:A 文章编号:1002—1302(2016)01—0016—05

土传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体侵染作物而导致的病害。土壤病原体有真菌、细菌、线虫和病毒等生物体,能够引发枯萎病、黄萎病、立枯病、猝倒病、根腐病、青枯病、软腐病、根结线虫病、孢囊线虫病、根肿病和丛根病等多种作物病害,如大豆菌核病、水稻白叶枯病、小麦禾谷孢囊线虫病、棉花黄萎病、番茄和黄瓜枯萎病等,严重危害粮食和蔬菜作物,造成粮食、蔬菜产量和品质大幅下降。在现代农业中,由于追求高产,高水肥投入及大面积连续单一种植等栽培措施的应用,造成土壤生态失衡、病原体大量积累和病害暴发。土传病害由于病原体藏身于土壤并可长期存活,耐逆性强,寄主植物较多,防控相对较难,如轮枝菌(Verticillium spp.)能够引起植物的黄萎病,其寄主植物达200多种,棉花、茄子、番茄等都是该病菌的寄主;尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)也是众所周知非常普遍的土传病原体,能够引起多种植物枯萎病和根腐病。目前,控制土传病害主要是通过土壤改良、栽培制度改进、抗病品种选用、化学药剂施用和生物防治等方式。

作物合理问作是我国传统农业的精华,在防控土传病害、促进矿质营养有效利用、提高产量和品质等方面发挥着重要的作用。早期研究多集中于间作对土传病害防控效应的研究,1977年,澳大利亚的Burdon等观察到大麦/小麦混作能够有效控制大麦的霉病;同一种植物不同基因型或品种也可以控制病害,如易感病水稻/抗病水稻间作,能够抑制易感病水稻稻瘟病的发生;不同香蕉品种混植,能够显著降低危害香蕉最严重的线虫数量;马铃薯/玉米间作能够控制马铃薯的细菌性枯萎病。随着科学发展和技术进步,以生物多样性为基础的生态学思想在植物病理学领域的应用丰富了作物病害防控的理论和实践,特别是近20年,分子生物学的发展为病虫害防治机理的研究提供了强有力的手段,如华南农业大学廖红课题组研究大豆/玉米间作发现,玉米的根系分泌物能够抑制引起大豆红冠根腐病寄生帚梗柱孢菌(Cylindrocladium parasiticum)的生长,并诱导大豆病程蛋白基因的表达;中国农业大学左元梅课题组研究番茄/茼蒿间作发现,茼蒿根系分泌物中的月桂酸能够调节番茄根结线虫的趋药性,干扰Mi-flp-18基因的表达,从而控制根结线虫的侵染。

近年来,世界各国都在广泛应用间作方式以达到作物防病增产的目的,并摸索出很多能够有效控制土传病害的问作作物组合,研究的重点也逐渐从现象转向机理。加快其机理研究,可有助于对间作防控土传病害更加深入的理解和应用。本研究在归纳20世纪70年代以来国内外关于间作防控土传病害主要成果的基础上,结合东北农业大学园艺学院课题组的工作,论述问作防控土传病害的可能机制,探讨这一领域研究的不足和发展趋势,旨在为间作控病的应用提供一个基础的理论依据和启示。

1根系分泌物对病原体的抑制作用

根系分泌物(root exudate)是指在特定环境下,活的植物通过根系不同部位释放到根际环境中有机物质的总称,包括糖类、氨基酸类、有机酸、酚酸类、脂肪酸、甾醇类、蛋白质、生长因子等。根系分泌物中的有机物质不仅能够为土壤微生物提供碳源、氮源,也具有促进植物营养吸收、种问识别、信号传导及对病原微生物的抑制作用。植物根系分泌物中含有某些对自身、邻近其他植物或土壤微生物产生抑制作用的生物活性物质即为化感物质(allelochemicals),这种抑制作用称为化感作用(allelopathy)。目前,普遍认为根系分泌物中肉桂酸、月桂酸等酚酸物质及苯醌、氢化奎宁、皂角苷、几丁质酶等抗毒素类物质是抑制病原微生物的化感物质。不同植物根系分泌物的组成是不同的,当2种或者多种作物间作时,一种作物根系分泌物的化感物质可能会对与其问作作物的某种致病微生物产生化感作用,从而降低其发病率和病情指数。Kcny等发现,柑橘园中间作藿香可显著抑制土壤中的真菌性病原菌如疫霉菌、瓜果腐霉和腐皮镰刀菌,并认为这种抑制作用和藿香向土壤中释放化感物质黄酮、胜红蓟素等有显著关联;西瓜/水稻间作,水稻根系分泌物中的对香豆酸对引起西瓜枯萎病的尖孢镰刀菌孢子萌发和孢子形成有显著抑制作用;大豆/玉米间作,根际土壤中的肉桂酸能够显著抑制寄生帚梗柱孢菌;番茄/茼蒿间作,茼蒿根系分泌出月桂酸调节了根结线虫的趋药性,扰乱线虫Mi-flp-18基因的表达以阻止其感染番茄。笔者所在课题组研究发现,小麦的根系分泌物能够抑制尖孢镰刀菌的生长;分蘖洋葱根系分泌物能够抑制引起番茄、黄瓜枯萎病尖孢镰刀菌的生长。由此可见,根系分泌物中的化感物质对土传病原微生物的化感抑制作用,是间作防控土传病害的重要途径。

2间作提高作物根际土壤微生物的多样性

很多学者认为,对植物土传病害的抑制在一定程度上是对土壤微生物群体的作用。根际的非致病菌和致病菌相互作用,通过营养竞争抑制病原体孢子生成、竞争感染位点减少病原体在植物根上的定植等方式以减少病原体的侵染,并且能够引发植物的防御反应和诱导系统抗性。微生物群落结构越丰富,多样性越高,对抗病原菌的综合能力就越强。

间作能够增加土壤生物的多样性,增加有益微生物的种类和数量,并减轻土传病害。花生/苍术间作,显著改变了土壤无脊椎动物的组成和多样性,降低了花生幼苗期猝倒病和成熟期根腐病;西瓜/水稻间作,改变了西瓜根际土壤中的微生物区系,放线菌和细菌尤其是革兰氏阳性细菌的数量显著增加,而真菌数量减少,尖孢镰刀菌受到抑制。东北农业大学园艺学院课题组多年研究发现,黄瓜和小麦、毛苕子、三叶草、洋葱、大蒜间作,均显著提高了黄瓜根际土壤微生物群落的多样性,降低了黃瓜角斑病、白粉病、霜霉病和枯萎病的发生。另外,小麦/蚕豆、豌豆/燕麦、红三叶草/苹果等相互间作均观察到这种现象。

丛枝菌根是最普遍的一种菌根真菌,能和大多数维管植物形成菌根共生关系,拮抗多种土传病原菌如丝囊霉属(Aph-anomyces)、帚梗柱孢属(Cylindrocladium)、镰刀菌属(Fusari-um)、壳球孢属(Macrophomina)、疫霉菌属(Phytophthora)、腐霉属(Pythium)、丝核菌属(Rhizoctonia)、轮枝菌属(Verticilli-um)、根串珠霉属(Thielaviopsis)及线虫,控制植物病害,特别是土传病害的发生。丛枝菌根共生植物对土传病害的良好抗性,主要表现在对病原菌的排斥、植物细胞壁的木质化、根系分泌物的改变、抑制性低分子量化合物的分泌及诱导植物系统产生抗性等。寄主植物会影响丛枝菌根的群落结构,因此作物间作由于作物的多样性会影响丛枝菌根的群落结构,从而对病害产生影响。研究表明,番茄/韭菜间作,番茄根中的丛枝菌根真菌定植率比单作高20%,并降低番茄枯萎病的发生;多作物混植可以增加落花生丛枝菌根的定植率;农林间作可以提高根际土壤菌根真菌的定植率和多样性;玉米/田菁间作,菌根真菌也表现出多样性。

菌根真菌的多样性变化和其他土壤微生物一样,可能和植物的根系分泌物有关。间作中,由于根系分泌物的成分和数量较单作不同,影响了菌根真菌的多样性,而菌根的多样性对植物病害发生产生一个积极的负反馈,减轻或控制了作物病情的发生和发展。问作系统中根际土壤微生物群落结构的变化也可能和根系分泌物有关,一方面,根系分泌物中某些成分对微生物具有吸引作用,这类具有趋化性的细菌或真菌能够在根际中大量聚集和繁殖,从而对病原菌产生抑制和拮抗作用,抑制与其毗邻作物病害的发生。Bacilio-Jimonez等研究发现,水稻的根系分泌物能够诱导内生菌的趋药性;Mendes等发现,种植于抑病型土壤的甜菜,其根际优势群落普遍为拮抗病原菌的微生物,尤其是假单胞菌在抑病型土壤中的数量极显著高于利病型土壤,并认为这是由根系分泌物介导下植物与根际特异微生物共同作用的结果;玉米根系分泌物中的丁布能吸引有益菌荧光假单胞菌向玉米根际富集;西瓜根系分泌的苹果酸、柠檬酸能够富集多黏类芽孢杆菌SQR-21。另一方面,植物能够不断地调整自身根系分泌物的组成和数量来积极响应周围环境的变化,间作条件下,间作作物可以诱导毗邻作物根系分泌物组分、分泌量的改变,吸引有益菌,抑制病原菌。杨智仙等研究表明,蚕豆和小麦问作增加微生物多样性的原因可能与根系分泌物有机酸含量的增加及可溶性糖、游離氨基酸含量降低有关,并认为问作中根系分泌物一根际微生物的互作是影响蚕豆枯萎病抗性的重要原因;小麦/蚕豆间作,根系分泌物中的有机酸分泌量和种类都较单作时显著提高;西瓜/旱作水稻间作,西瓜根系分泌物中的苹果酸、草酸和延胡索酸有显著降低;马唐、反枝苋、野燕麦对小麦根系分泌物丁布含量的增加有明显的诱导作用。

因此,合理问作改变了作物根际土壤微生物的多样性,反过来微生物的多样性变化抑制了病原菌,促进了作物生长,这种“反馈”作用可能是问作防控土传病害的又一重要途径。

3提高作物的抗病性

植物在生长发育过程中受到病原物的侵扰,在与病原物相互作用、相互适应、相互选择乃至协同进化过程中,植物获得一系列复杂的防御机制保护自身,来减轻病害的危害。一方面,植物自身的某些物理结构与化学成分如细胞壁的角质、蜡质、木质素等,以及产生抑制病原物的有机物如植保素、毒性酚类小分子化合物等具有抗病效果,这些物质通过根系分泌物的形式分泌到根际对病原物产生化感作用;另一方面,在某些因子刺激下可以诱导植物产生抗性,从而在病原物侵染下,启动抗性相关的分子和生理生化过程,防御病原物的侵袭。

3.1间作改善作物根际营养,提高作物的物理抗病性

矿质养分是植物生长发育所必需的,一方面可以作为植物组织的构成成分或直接参与新陈代谢而起作用;另一方面也可通过改变植物的生长方式、形态和解剖特征,如使表皮细胞加厚、高度木质化或硅质化,形成机械屏障增强其抗病能力。Zhang等在间作改善作物矿质营养的研究中作出巨大贡献,在国内外同行的研究中处于领先地位,其研究表明,间作可以显著改善作物的氮、磷、钾及微量元素含量等,而作物矿质营养的改变影响着作物的物理抗病性;肖靖秀等在间作改善作物营养与控制病害关系方面的研究较多,如小麦/蚕豆间作,蚕豆改善了小麦的氮、钾营养状况,从而抑制了小麦锈病及白粉病的发生,小麦/蚕豆间作,改善了蚕豆的锰营养,降低了蚕豆叶赤斑病的发生,间作水稻的氮含量下降,降低了水稻稻瘟病的发生。但是,关于间作改善作物矿质营养与病虫害减轻之间相互关系的研究相对比较少,值得更深入的研究。

3.2间作提高作物的系统抗性

间作能提高作物抗性基因的表达和防御酶活性,从而使植株的系统抗性提高。玉米/大豆间作,根的相互作用改变了大豆病程蛋白PR基因的表达及相应酶的活性,从而表现出对病原体较大的抗性。卢国理等研究主栽杂交稻合系-41和易感稻瘟病的优质糯稻黄壳糯间作发现,间作黄壳糯叶片中总酚、类黄酮含量提高,稻瘟病发生降低;东北农业大学园艺学院课题组对问作(伴生)提高作物抗性方面做了较多探索,发现伴生小麦提高了西瓜POD、PAL、SOD等防御酶的活性和几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶等病程蛋白基因的表达,提高了西瓜的抗性,西瓜枯萎病、白粉病的发病率降低。间作中作物系统抗性的提高可能和根系分泌物及土壤微生物有关。作为根系分泌物中的重要组分,水杨酸可以诱导西瓜、番茄提高对尖孢镰刀菌的抗性;土壤中绿脓假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)分泌的水杨酸能够使大豆获得抗性;土壤中的有益微生物如荧光假单胞菌和菌根真菌也可以诱导植物产生系统抗性。

植物诱导抗性是通过植物后天免疫实现的具有广谱性、持久性和选择性的病害防御措施,是提高植物抗病性的有效途径。目前,对间作提高作物系统抗性的现象及机理研究还远远不够,值得关注。

4展望

间作对作物土传病害的防控往往是根系分泌物、土壤微生物及土壤矿质养分等多种因素的综合作用,其中根系分泌物在土传病害的防控中发挥着重要作用,可以直接抑制病原菌、吸引有益菌、改变土壤中的微生物群落结构,而微生物群落的多样性又可以抑制病原菌,还可以促进作物的矿质营养吸收,提高物理抗性及诱导系统抗性。

间作防控土传病害的机理研究虽然取得一定进展,但还存在一些不足。近年来,间作防控作物病害多集中于根系分泌物的化感作用,对诱导作物抗性的研究鲜有报道,东北农业大学园艺学院课题组已经注意到这个问题,并且加大了相关研究的力度和深度。另外,间作提高了土壤微生物的多样性,而生物多样性对间作防控病害的贡献也鲜有直接的证据,云南农业大学相关课题组目前已经开展一些相关研究。

间作存在着“植物-植物-土壤-土壤生物”的复杂关系,虽然根系分泌物、土壤营养状态、土壤生物多样性都可能对抑制土传病害发挥一定作用,但总的来说是间作造成土壤环境的改变,进而影响了作物病害的发生。目前,各种因素对土壤的影响、土壤的反馈作用及其机制研究正逐渐成为该领域的热点。每种植物都具有影响土壤有机质、土壤营养可用性、土壤微生物群落组成的能力,且能力大小不同,而每种植物对土壤性质的影响反过来会对植物的生长环境产生影响,进而影响植物的生长,对土壤反馈的认识和了解将会进一步阐明间作系统防控土传病害的机理。

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