植物病原性连作障碍研究进展

梁志怀 ，魏 林 ，李世东 ，李基光

（1.湖南省西瓜甜瓜研究所，湖南 长沙 410125；2.中国农业科学院

植物保护研究所，北京 100081；3.湖南省植物保护研究所，湖南 长沙 410125）

1 病原性连作障碍的概念

病原性连作障碍，是指在连茬种植条件下，土传病害严重，造成作物生产的障碍。如日本松本满夫的研究结果表明，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；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；喻景权[1]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。由此可知，病原性连作障碍是连作中的一种重要现象，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。最重要的土传病原菌有细菌类的Erwina和Streptomyces，真菌类的Fusarium，Rhizoctonia和verticillium，以及卵菌中的疫霉属和腐霉属[2]。病原物在作物根际的生长与存活状态，直接影响病原菌的接种势与侵染势，是造成作物土传病害发生的重要因子，与寄主作物的根分泌物存在十分密切的关系。因此，病原性连作障碍形成机制的研究，就是探索在连作条件下的植物根分泌物对根际生物环境的影响，即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。笔者试图从植物根分泌物对植物土传病原菌种群结构的影响与可能存在的特异性化学通讯等方面综述国内外研究进展，并在此基础上，提出今后的研究方向。

2 连作栽培条件下根际微生物种群结构变化

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。目前已从不同植物根分泌物中鉴定出100多种在结构上不同的化合物及其功能（表1）[3]。与此同时，植物病理学家也一直试图揭示植物根分泌物与植物病原菌种群数量的联系，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。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。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相吻合的微生物，则大量繁殖，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，作物就发病。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，适宜的温湿度是病原菌良好的繁殖条件，从而使得病原菌种群数量不断增加，作物根际微生物种群结构失衡。上述推测也得到了大量研究数据的证实，如对花生根系分泌物与微生物种群的研究表明，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%[4]。马云华等[5]的研究表明，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。胡元森等[6]研究了黄瓜根部土壤主要微生物类群随连作茬次的反应状况，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。其结果表明：随着连作茬次增加，土壤可培养微生物数量减少，其中细菌，包含未培养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。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。试验结果暗示，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[6]。

表1 植物根渗出的化合物

3 根分泌物诱导病原菌种群数量增殖的功能

作物根际的微生物种类繁多，由于微生物间需要吸收利用的营养和能源物质是相同的，它们之间必然存在着竞争、拮抗关系。因此，必须探明连作栽培条件下根系分泌物的存在状态及转化过程，以及病原物对其趋化性反应的特异性，方能较清楚地解释病原物在根际诸多微生物的竞争中成为优胜者的原因。通常认为，根际对病害的影响主要表现在对病原菌生活史中的侵入前的影响。对于专化性的根寄生菌，如专化性的尖孢镰刀菌，其能源来自于植物根系分泌物。例如在休闲地上种植大白菜，起初，从土壤中分离不到软腐病菌，但种植50 d后，在症状出现以前，在抗病植株的根际突然出现大量病原菌，收获一星期后，病原菌的数量降至检测不到的水平，软腐病菌这种大幅波动的原因与大白菜根分泌物有关。根分泌物有单糖、氨基酸和有机酸，尤其天冬氨酸是决定软腐病菌趋化性反应的重要物质。离体试验发现，软腐细菌对8种糖、4种有机酸和2种氨基酸表现出明显的趋化性反应。由于趋化性刺激作用，软腐细菌的移动速度比荧光假单孢杆菌快2～4倍，这使软腐病原细菌在竞争利用寄主分泌物中处于优势。对马铃薯的研究表明，有机酸比糖和氨基酸更好地存在于根际，柠檬酸、苹果酸和乳酸是根系分泌物中的有机酸的主要成分；葡萄糖、木糖和果糖是主要的糖类[7]。天冬氨酸和谷氨酸是主要的氨基酸。再者，腐胺似乎是马铃薯根系分泌物中的主要含氮化合物[8]。Lugtenburg等[7]，Kuiper等[8-9]在研究假单胞菌在马铃薯根际定殖能力时发现，不能与野生型菌株一样高效利用糖的一株突变体，可在根际定殖，而另一株不能利用有机酸的突变体却不能在根际定殖。据此可推定有机酸是根际定殖细菌的营养基础。

Ito等[10-12]研究表明，分子伴侣SecB基因和三型分泌系统缺失的突变体在根尖定殖的竞争能力受到破环，暗示了病原菌分泌至胞外的蛋白质组分等致病因子在其根尖竞争定殖扮演重要的作用。此外，近年来有关尖孢镰刀菌分解与合成代谢的研究表明，各类专化性的尖孢镰刀菌均能高效分解利用糖、芳香族化合物、邻苯二甲酸酯、甘油、腈类化合物、青霉素V、醋酸钠、木糖等有机分子[13-15]，使这类专化性病原菌在根际竞争中，处于优势地位。

4 根分泌物中化感物质在增强病原物接种势中的作用

根分泌的化感物质对土壤微生物的影响，是近些年来土壤生态学研究的一个新方向，它将植物和土壤生物联系起来，反映出植物体调节内部代谢过程和防御土壤生物侵害的机制，推动了土壤生态学的研究工作。化感物质对根际病原物的影响可分为直接影响和间接影响。表2列出了一些作物根分泌的化感物质对土壤微生物的直接影响。自毒物质作为广义上的一类化感物质，其对根际病原物的研究受到较多的关注。张淑香等[16]研究表明，玉米、高粱、水稻等禾本科植物和大豆、豌豆等豆科作物及黄瓜、茄子等蔬菜均存在一定程度的自毒作用现象。其中番茄、茄子、辣椒、西瓜、甜瓜和黄瓜等作物极易产生自毒作用。由于植物根分泌的自毒物质在对连作的作物生长产生抑制的同时，对微生物也同样存在化学他感作用，并与连作过程作物病害发生、产量降低有关。例如吴凤芝研究发现，连作条件下黄瓜的根系分泌的酚酸类物质，可有效促进黄瓜枯萎菌菌丝的生长。此后他们在研究大棚黄瓜连作障碍时又发现，随着连作年限增加，有害微生物增加，可能与黄瓜分泌的酚酸类物质的积累有关。贾新民等研究认为，重茬大豆根分泌物对大豆根腐病的病原菌有增殖作用。大豆根系分泌物中含有邻苯二甲酸和丙二酸等化感物质，可以刺激或引诱根腐病病原菌生长，对半裸镰孢菌、粉红粘帚菌和尖镰孢菌都有明显的促进作用，尤其是对半裸镰孢菌的生长促进作用最显著。张淑香等[16-17]以黑龙江省大豆重茬5a与正茬土壤和根系为主要研究对象，采用高效液相色谱法，研究土壤和根系浸提液中的酚酸类物质的含量及其生物学效应。其结果表明，酚酸类物质加入土壤1周后，羟基苯甲酸、香草酸、香草醛、阿魏酸、苯甲酸、香豆素的残留率分别为10.4%、15.3%、4.1%、2.3%、5.0%、17.5%；酚酸类物质的降解与微生物的转化利用密切相关；外加酚酸浓度与土壤中真菌数量呈极显著指数相关。黄瓜根系分泌物中的肉桂酸可以促进黄瓜枯萎病原菌的生长。这一类化感物质从本质上讲，应当是广谱的抗菌物质，是植物对非寄主病原菌和非专化性病原菌的抗性的分子基础。近年来研究表明，酚酸类物质是腐生性真菌的优质碳源[18]。连作条件下植物根分泌物以及腐解物中一些化感物质的累积，一方面抑制了固氮与氨化细菌等对作物有益的细菌种群，同时，也抑制了对病原真菌具有抑制作用的生防细菌。另一方面，由于病原真菌进化出特殊的代谢途径，降解并消化利用了植物化感物质的抑制作用，使其在根际竞争中，既无拮抗菌的竞争与抑制，又额外增加了丰富的碳源[18]。

表2 作物分泌的化感物质对土壤生物的直接影响[19]

5 根系分泌物在土壤微生物化学通讯中的作用

近年来发现在根分泌物与土壤微生物之间可能存在着微妙的化学通讯关系[20]。如豆科作物和根瘤菌之间的共生关系是根系分泌物对根际微生物特异作用的典型，其根系分泌的类黄酮物质可诱导根瘤菌对豆科植物根系的识别、侵染、定殖和结瘤，意味着在植物根系分泌物与微生物相互作用中存在一定的专一性[21]。另外，自然界中独角金、列当等专性寄生植物种子，只有在其适宜的寄主根出现在土壤时才萌发的机制，一直受到高度关注。第一个被分离出来的独角金种子萌发刺激物——独角金醇，最初是从非寄主植物棉花根系中分离出来的一种倍半萜烯类化合物，在极低的浓度下能使独角金和列当等种子发芽，随后才从独角金的真正寄主玉米、高粱、粟的根系分泌物中分离出来。在不同的生长条件和生长时期，寄主分泌不同种类的独角金内酯[21]，这些复合的根系分泌物可能比单一的独角金内酯更有效。最近，日本科学家Akiyama等[22]发现，从寄主百脉根属植物根系分泌物中分离出的一种独角金内酯是AM真菌菌丝分枝的诱导因子。长期以来，菌丝分枝被认为是AM真菌感染前期识别寄主的第一个形态学事件，在AM真菌定殖陆生植物过程中起着至关重要的作用[23]。AM真菌菌丝大量分枝，保证真菌能和植物根系接触，从而建立共生关系。由此推测，AM真菌与寄生杂草可能都是通过检测独角金内酯来寻找他们潜在的宿主。上述发现，是寄主植物为建立对其有益的共生关系，主动通过根分泌出的一类化学信号分子。这暗示了土壤微生物似乎可以与植物根分泌物中的某一类化合物，通过土壤媒介，建立专一的、特异的化学通讯关系，这也可能是植物与土壤中某些微生物长期协同进化的结果。

同样，一些具有专化性寄生特点的病原菌，由于其腐生竞争力相对较弱，在根际土壤中很难改变被腐生菌抑制的命运。为维持其种群的繁衍，它们对寄主种子浸出液或根分泌物极可能进化出极其敏感的感觉机制，以便使其抢先一步萌发并定殖。虽然人们至今仍未能找到确凿的证据，证明根分泌物中存在特异性物质，诱导根专化性病原寄生菌增殖并形成根际优势种群，但至今绝大多数学者坚信，对专化性寄生的病原菌而言，在植物根分泌物中应当存在着某类具有特异性的化学信号分子性质的物质。事实上，它仍将是目前国内外植物病原性连作障碍研究的热点与难点。随着土壤中化学分子的捕获技术与现代生物化学技术的进步，这一类问题可望在不久的将来逐渐得到解决。

6 展 望

尽管对于根分泌物的研究由来已久，尤其是澳大利亚的A.D.Rovira和他的合作者以及捷克科学院的V.Vancura等对根土界面根系分泌物进行了系统的研究，总结了植物根分泌物主要化合物及其可能的功能，将植物根的分泌作用和根际效应与微生物活动和植物健康联结起来，使人们对这一问题的认识比过去更加清晰。但对植物病原性连作障碍成因的研究进展不大。毋庸讳言，该领域涉及到植物病理学、农学、土壤学、微生物学和生态学等多门学科，确实是一项极大的、复杂的系统工程，也是许多研究工作备受挫折的原因。事实上，目前对根渗出物的理解还只是一个最基本的理解，它对病原菌的反应所起作用的重要性，大部分仍是推测结果。此外，研究方法有待精准。目前许多数据是利用离体培养这种外推法所得到的数据，而不是将作物直接栽在土壤中。尽管在植物科学的基础研究中，液态培养已经提供，并将继续提供非常有用的功能，但液体培养与土壤存在以下四个方面的重要差异：一是土壤中植物有效的根表面积比液体栽培时大得多，其吸附作用存在极大的差异；二是液体栽培基质不停地混合，根分泌物的扩散状况与固定不动的根际土壤显然不同；三是这两者栽培介质中的微生物生态学存在极大差异；四是水和氧气在这两种栽培系统中的状况完全不同。因此，未来有关植物病原性连作障碍的研究重点：一是应当着力如何建立植物在土壤系统原位中根渗出物的鉴定与量化方法。二是利用现代技术，创新土传病害研究的理论与方法，探索连作栽培条件下，根分泌物是如何打破病原菌—寄主植物之间的侵染与反侵染、致病与抗病等基因互作的平衡。

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