烟草漂浮育苗有害藻类致病机制及其防治研究进展

崔江宽，常栋，万笑迎，康晓博，赵一鸣，黄微微，郑潜，李建华，王雪芬，孟颢光，蒋士君*

1 河南农业大学植物保护学院，郑州 450002；

2 河南省烟草公司平顶山市公司，平顶山 467000；

3 河南省烟草公司许昌市公司，许昌 461000

烟草漂浮育苗技术因其成本低、效率高、便于集约化和工厂化管理，能够有效避免传统育苗中的病虫害高发等诸多优点，自1994年引入我国以来，很快就成为烟草行业的标准生产技术并在所有植烟区广泛应用[1]。但是，漂浮育苗系统中充足的水分、营养基质和光照条件在给烟苗提供了良好生长环境的同时，也有利于藻类的大量滋生。滋生的藻类不仅会与烟苗竞争水分、光照、营养物质，而且会产生酸性和毒性代谢物[2]，对烟草细胞的活力及营养生理造成严重影响[3]，导致烟苗中毒，抑制根系和幼苗生长，出现萎蔫黄化、早衰死亡等现象[4]，甚至继发或诱发病菌侵染，严重危害烟苗健康[2,5]。近年来有害藻类已成为部分烟区烟苗漂浮育苗健康生长的关键制约因素。然而，国内外对烤烟漂浮育苗有害藻类的研究却非常薄弱。因此，本文从漂浮育苗有害藻类的种类、危害特点、藻毒素致病机制及其防治策略等方面进行了综述，旨在促进烟草漂浮育苗有害藻类的研究与防治。

1 漂浮育苗系统中的优势藻类及其生态习性

藻类是一类微小的低等浮游植物群体，结构简单，没有真正的根、茎、叶分化，多为单细胞、多细胞体或丝状体等结构[1]，对环境营养要求极低，且有较强的适生性[6]。藻类既包括原核生物，也有真核生物。根据藻类的营养细胞结构和生殖方式可将淡水水生生态系统中常见的藻类分为蓝藻门、绿藻门、硅藻门、甲藻门、金藻门、褐藻门等8个门[7]。已知全世界藻类植物约有40 000种，其中淡水藻类有25 000种左右，中国已发现的（包括已报道的和已鉴定但未报道）淡水藻类约9 000种。随着分子生物学技术的发展，基于基因序列的藻类分子鉴定技术得到迅速发展。基于藻类的rDNA序列可以区分属及其以上分类单元[8-9]。根据真核藻类18S rDNA和28S rDNA，原核藻类16S rDNA和23S rDNA之间的ITS区可以将藻类鉴定到种水平[8]，此外以藻蓝蛋白（PC）基因，ropC1 基因可以区分微囊藻[10]和柱孢藻[11]。通过对沟鞭藻（Alexandrium catenella）大核糖体亚基的基因间隔区（ITS1）、5.8S亚基、ITS2和高变基因组区域D1-D5进行测序开发出种特异性标记引物[12]。随着测序技术的成熟与成本的降低，分子条形码鉴定技术已逐渐流行。目前常用的分子条形码基因主要集中在核糖体、叶绿体和线粒体上，如ITS、COX I、rbcL[13]。

水体中繁殖的藻类主要分为海洋、河口及淡水三种类型[14]。海洋藻类以甲藻与硅藻占优；河口优势藻类与海洋大体一致；淡水生态系统藻类则是以蓝藻、绿藻为主，其次为硅藻[14-15]。同时，绿藻与蓝藻、硅藻也是危害烟草漂浮育苗的三大优势藻类[6,16]。漂浮育苗在我国推广应用时间较短，研究者对烟草漂浮育苗系统育苗池和育苗盘藻类的滋生危害关注较少，鲜有报道。通过对贵州、山东、河南烟区育苗工厂有害藻类进行调查，发现我国烟草漂浮育苗系统有害优势藻类主要与淡水优势藻类相似，以蓝藻门颤藻、硅藻门舟形藻为主要优势藻类代表[2,6,17]，以绿藻门小球藻为潜在优势藻类代表[16]。

1.1 蓝藻门颤藻

蓝藻门藻类适应能力极强、分布广泛，在多种环境下都可生存。但蓝藻更易在热带、亚热带氮磷化合物含量高、有机物丰富的碱性或中性静水体中生活[19]。在我国池塘水体中主要分布有微囊藻、念珠藻、颤藻、鱼腥藻等相关蓝藻，因此漂浮育苗取水应当格外注意池塘水。蓝藻门也是产生毒素最多的门类[18]，而颤藻则是漂浮育苗系统中一种最常见、危害最大的有害藻类。颤藻隶属于蓝藻门，蓝藻纲，颤藻目，颤藻科，颤藻属[21]，其丝状体不分枝，单生或交织成片，会做节律性颤动，故名颤藻。颤藻分布极广，生长能力极强。颤藻在温度高于20℃时即可得到较好生长，最适生长温度为30℃～35℃[19]，生长的最适pH为7.3[20]，温度对颤藻叶绿素a含量和干重影响最大，其次是盐度和pH。在pH 6.5～7.5的烟草漂浮育苗系统中颤藻可以快速生长，消耗营养物质，分泌致病毒素，严重影响幼苗的健康发育[6]。刘文涛等[5]研究发现用不同数量的颤藻处理基质表面，烟草种子的发芽势和发芽率与其呈负相关，且苗盘初期颤藻还会对烟苗株高及干物质积累量产生较大影响，数量越多，影响越大。

1.2 硅藻门舟形藻

硅藻门藻类，广泛分布于水体中，在水底、物体表面均可生长，位于潮湿岩石表面的硅藻常呈现出黄棕色。在我国，硅藻门藻类常在河口生态系统中广泛分布，长江河口地区，硅藻占藻类总数的80%[21]。舟形藻隶属于硅藻门，羽纹纲，舟形藻目，舟形藻科，是一种分布广泛的典型真核单细胞底栖藻类[22]。研究表明，不同底栖藻对温度、光照和pH需求差异较大，较低温度即可开始生长，一般底栖藻适宜生长温度范围为5℃～35℃[23]，适宜的光照度为1000～4500 Lux，一般适应短光照周期[24]，生长的适宜pH范围为7.0～10.0，最适pH值为7.8～8.5[2,23]。舟形藻可以进行无性分裂生殖和有性结合生殖，还可以分泌具有粘附作用的胞外多糖EPS[26]。舟形藻虽然很少产生藻类毒素，但大量繁殖会阻碍水体溶氧产生、大量消耗水中养分、封闭基质表面从而影响幼苗生长[6]。此外，舟形藻生长适温明显低于颤藻，因此，在漂浮育苗前期（尤其种子萌发出苗前）多以舟形藻爆发为主，后期随温度升高，颤藻将会大量繁殖，严重影响种子的萌发和幼苗的生长[27]。

1.3 绿藻门小球藻

绿藻门藻类主要分布于淡水、海水或阴湿的土壤中。常见于水中岩石、浮木或死水水体表面，与蓝藻共同成为淡水生态系统中藻类的主要组成部分[28]。在水生生态系统中，小球藻是绿藻门中常见水华的优势藻种[30]。其适宜生长温度在15℃～35℃，适宜光照度为5500 Lux，在pH为5.5～11.5的环境中均可以生存，最适生长pH为9.0[31]，环境条件对小球藻生长影响度大小依次为：温度＞pH＞盐度。而烟草漂浮育苗系统中的温度和出苗期的光照条件，恰好满足小球藻的生长需求[32-33]，因此小球藻是重要的潜在优势藻类。绿藻门中的水绵、双星藻、刚毛藻、水网藻、小球藻等丝状绿藻随水温上升，在育苗池浅水处开始繁殖，形成一缕缕绿色的细丝，附生池底，衰老时丝体断离池底，呈黄绿色漂浮水面[34]，育池中丝状绿藻大量繁殖，会消耗水中的养料，使池水变瘦[35]，造成烟苗生长异常。在育苗过程中，育苗漂浮盘上易出现青苔，影响了烟苗幼苗的生长和成苗移栽质量[36]。

2 有害藻类的危害方式和致病机制

2.1 有害藻类的危害方式

一些有益微藻能调节水体溶氧量和pH值，吸收氨氮和亚硝氮等有害物质。在漂浮育苗系统中滋生的有害藻类，对烟苗的有害影响主要体现在抑制萌发、营养竞争、溶氧消耗、影响光照、改变生境pH以及生物毒素的释放等方面。如小球藻喜欢氮磷化合物比较丰富的环境，培养到7 d时，小球藻对培养液中磷的吸收率高达97%，对氮的吸收率达95%左右[36]。育苗池中的溶解有机物可为有害藻类细胞提供多种营养源，在藻类生长中起重要作用。溶解态氮可分为溶解无机氮（DIN）和溶解有机氮（DON），藻类以DON为氮源时的毒素产量是以DIN为氮源时的2～3倍[37]。溶解态磷则以溶解无机磷（DIP）和溶解有机磷（DOP）形式存在，藻类更倾向于吸收DIP源，DIP浓度也能影响有毒藻类产毒[37]，但是过高浓度的DIP会对藻类生长产生抑制[38]。当藻类与幼苗共生时，营养竞争是不可避免、普遍而广泛存在的。此外，藻类种群之间也有明显的竞争，且受pH、营养盐、光照和温度等环境条件的影响。小球藻、微囊藻和颤藻的生长既受氮磷比值影响又受营养盐浓度水平影响，绿藻和硅藻喜高盐度（密度大于1.01），颤藻和裸藻类喜低盐度（密度小于1.01）[39]。化肥的使用促进硅藻和绿藻的大量繁殖，因此水体会呈现不同的颜色变化，如蓝藻较多时水面会有一层翠绿色油膜，硅藻较多时水色呈黄褐色，绿藻较多时水色呈鲜绿色[40]。藻类进行光合作用吸收和呼吸CO2时可以改变水体pH值。蓝藻在大量吸收CO2进行光合作用时，会引起水体pH值升高[31]。小球藻本身喜欢弱碱性（pH 7.2～8.2）环境，但在弱酸性（pH 5.8～6.8）的水中也能生活和繁殖，因为小球藻可以通过自身生理代谢活动调节生活环境的pH[36]。小球藻溶氧量与其生长速率的变化趋势基本一致，生长繁殖最快时，溶解氧浓度也最大[41]。不同的微藻对光照的适应强度有所不同，一般来说甲藻＞硅藻＞绿藻＞蓝藻。在单种培养条件下，鱼腥藻和小球藻的生长速率随光照强度的增强而升高[39]。绿藻通常在烟草出苗期水质较差的育苗池中快速繁殖，竞争氧气和营养，影响烟苗生长。如果绿藻附于烟苗叶片及生长点上，则会进一步抑制烟苗的光合与呼吸效应，造成烟苗生长异常，严重时会造成死苗[16]。

尽管目前缺乏对藻类毒素毒害水培幼苗的机制研究，但从作者的调查来看，漂浮育苗系统中的藻类往往对幼苗造成不可逆的系统性伤害，且这种毒害一开始是微弱的，当积累到一定程度后导致烟苗长势变弱，即可诱发诸多病原菌侵染幼苗，这种早期系统性危害很可能与藻毒素有关。至于藻类哪种危害方式对烤烟漂浮育苗造成的危害损失更大或不同危害方式的具体占比，尚需更加系统详实的研究数据和更加科学的评估测算方法。

2.2 藻毒素致病机制

藻毒素是藻类自身产生的对其他生物有害的代谢产物。目前已知的藻毒素主要来自于蓝藻门的微囊藻属、鱼腥藻属、颤藻属和念珠藻属等蓝藻。关于藻毒素对生物毒害作用的研究主要集中在微囊藻毒素对动物的作用机理上，根据其作用性质主要分为肝毒素、神经毒素和位于蓝藻细胞壁外层的内毒素（脂多糖）三类。藻毒素对植物尤其是陆生植物生长和生理方面影响的研究相对较少，主要表现为抑制植物的生长和诱导植物的氧化胁迫。现将其致病机理简介如下：

2.2.1 有害藻类的神经毒素

常见的神经毒素有类毒素-a、类毒素-a（s）和麻痹贝类毒素（PSTS），在鱼腥藻，水华束丝藻、清净颤藻和惠氏鞘丝藻均可产生[42]，由小分子生物碱组成。目前对于类毒素-a和类毒素-a（s）在植物上的研究较少，但相关研究表明在植物体内也有类似的神经递质，并且Lam等[43]证实了植物体内可能存在谷氨酸受体基因。一些研究表明这些神经递质对植物的生长有较大作用，因此类毒素-a和类毒素-a（s）藻毒素有可能通过影响植物体内神经递质的分解和结合来影响植物的生长[44]。麻痹贝类毒素（PSTS）是钠离子通道阻滞剂[42]。钠离子虽不是植物的必需元素，但其在植物体内具有调节渗透压和影响植物水分平衡与细胞伸展的作用。

2.2.2 有害藻类的肝毒素

肝毒素在淡水中最为常见。主要有微囊藻毒素（Microcystin, MC）、节球藻毒素（Nodularins,NOD）和筒胞藻毒素（Cylindrospermospins, CYN）。

微囊藻毒素

微囊藻毒素是一种环状七肽化合物，分子量较大，存在90多种异构体，其中毒性较强的是MC-LR、MC-RR和MC-YR61。MacKintosh 等最早通过实验发现MC-LR可以抑制油菜种子萌发，并且在胡萝卜细胞、小麦叶和豌豆叶中发现MC-LR是蛋白磷酸酶1（PPl）和PP2A的一种高度特异性抑制剂[45]。在转基因烟草中发现MC-LR还可以阻断植物的多种糖诱导基因表达[46]。通过成熟期烟草叶片的离体诱导试验，发现MC-LR可以抑制茉莉酸（JA）信号诱导的烟草酸性磷酸酶活性表达[47]。研究表明MC可通过渗透或扩散作用进入植物细胞，且植物体内可能存在特定的转运蛋白，帮助MC进入植物细胞，但目前关于植物细胞吸收的具体方式仍不清楚[48]。一般MCs在微量的情况下就可以影响植物的个体生长和生理生化特性，从而导致植物养分吸收特性改变[49]。植物在受到MC危害时会产生大量的活性氧及MDA，使植物细胞遭受氧化胁迫，引起过氧化氢的积累，MCs诱导过量活性氧产生导致蛋白质、膜脂、DNA和其他细胞组分严重损伤，是MCs的另一重要致毒机制[50]。

节球藻毒素

节球藻毒素是一种由泡沫节球藻产生的单环五肽藻毒素，结构与性质都与MC相似，同样抑制蛋白磷酸酶PP1和PP2A的活性[51]。2011年Nina Lehtimaki等[52]首次提出，当用含有NOD的水灌溉菠菜时，菠菜叶片呈白色且生长受到抑制，但植物的光合作用并未受到影响。菠菜的氧化应激反应，包括多种酶和蛋白质的修饰和含量升高，这些抗氧化活性酶的增加会加重植物养分消耗，影响植物生长及适应性，最终导致植物生长停缓甚至死亡。

筒胞藻毒素

筒胞藻毒素是一种三环生物碱，分布广泛，可由多种蓝藻产生[53]。在长期接触到含筒胞藻毒素的水源后，植物的生长和氧化应激状态也会受到不同程度的影响，水稻在CYN和MC的协同作用下，其体内抗氧化活性酶的活性将明显升高。有研究表明低浓度的CYN会诱导、刺激根尖细胞分裂，而高浓度的CYN会抑制细胞的有丝分裂[53]。

2.3 环境条件与有害藻类毒素产生

产生毒素是藻类生存、竞争和扩散的手段之一，是藻类物质代谢对外界环境的应答反应；同样，环境条件的变化也必将影响藻类毒素的产生。Graneli &Turner（2006）[54]曾认为，一般有害藻类细胞的大小和产毒量会随着环境条件（如温度、光照）的变化而变化。在不同的营养条件下，不同属、种和菌株之间的藻类毒素含量差异很大。毒素积累主要发生在营养不平衡或藻类细胞生长状态不佳时。磷缺乏常常会增加细胞毒素含量，而氮营养的限制作用相对较小。一些甲藻在高氮、低温、缺磷的环境中产生更多的麻痹性贝毒素（Paralytic shellfish poisoning，PSP），而鱼腥藻则在高氮、高温环境下产生PSP更多；颤藻在氮过量、弱光照时合成更多的毒素，在氮不足、缺磷、高盐度和高pH条件下，金色藻、甲藻、蛎甲藻的产毒更多，但蛎甲藻比甲藻需要的温度更高[54]。

3 漂浮育苗中的防藻除藻技术

根据漂浮育苗系统中有害藻类的发生危害特点，在防藻除藻时应采取“源头防藻，药剂除藻，生态控藻”的综合治理策略。从根源上清除藻源，预防藻类的发生可以在播种前对育苗池、育苗盘进行全面消毒；对基质的原料、填装方式进行干预；同时，还需控制漂浮育苗系统的水位深度、温度、湿度、光照等条件。

3.1 育苗播种前的源头防藻

1）选用卫生的育苗材料和洁净的水源，避免污水中的藻类混入漂浮池。建造苗床时，用黑色池膜铺满苗床底部和四周，可以减少藻类滋生。基质装盘时要松紧适宜[1]。

2）育苗环境及育苗材料的深度消毒。播种前先冲洗清除旧盘上的垃圾和藻源，再进行育苗盘的彻底消毒。苗盘消毒时可选用1%～2%福尔马林或0.1%～0.5%高锰酸钾或育宝（40% N-羟乙基亚甲胺多聚物水剂），绿先锋（二氧化氯），华星消毒剂（二氧化氯），菌毒净等消毒剂稀释液浸泡消毒[16,55]。除化学消毒外，还可通过湿式水体电消毒系统，干式臭氧消毒机，高温密封房等物理或物理化学方法进行消毒[56]。在某些情况下，利用超声波除藻系统，循环增氧及紫外线杀菌除藻系统等也可有效清除育苗池中的藻类，减少化学药剂残留[57-58]。

3.2 加强苗期全程的环境管理—生态控藻

研究证明，调节棚内的生态环境是防藻除藻的重要措施。

1）烟苗棚内温湿度的精准管理：调节育苗池的水位深度，采用干湿交替处理漂浮育苗，对漂浮育苗体系中的蓝绿藻发生均有不同程度的抑制作用。在小十字期后对育苗池的水位深度进行处理，随着水位深度的降低，蓝绿藻的发生率逐渐降低，干湿交替处理育苗池，蓝绿藻发生率较低[59]。同时，可以对育苗池底部铺设聚苯乙烯泡沫板[60]，采用电增温设备对育苗水进行增温，防止育苗前期温度过低，藻类滋生[61]。在育苗的过程中要严格控制湿度，除将育苗棚内揭膜通风外，还可通过使用各种温湿度监控系统配合热交换除湿系统进行自动化控制[62]。

2）光照调节：不暴露营养液面，增设遮阳网，适时调节光照时间和强度。

3）营养管理：施肥时，应控制磷肥的含量，栽培过程中要注意育苗盘与育苗池的吻合，避免出现孔隙，出现孔隙透光时应使用遮光材料将其遮盖[16]。

3.3 有害藻类的应急防治—药剂除藻

三氯化铁、代森锰锌、高锰酸钾溶液可抑制颤藻和舟形藻，其中三氯化铁对于颤藻的抑制作用不如代森锰锌和高锰酸钾效果好。代森锰锌和高锰酸钾施用浓度在1000 mg/L时，可抑制95%以上的颤藻；高锰酸钾施用浓度在100 mg/L时，可抑制94%的舟形藻[63]。高浓度（＞250 mg/L）的硫酸铜溶液能够完全抑制蓝绿藻的滋生，但为了防止幼苗的铜离子中毒，出苗期（播后20 d左右）可用含有硫酸铜（50 mg/L～100 mg/L）溶液进行漂浮或盘面喷洒[6,17,64]。有报道指出竹醋液与硫酸铜混用后的复合制剂（竹醋铜）同样可抑制绿藻的生长，较为合适的喷施浓度为200倍液[65]。在烟草漂浮育苗系统外，汉康·卫士消毒剂（有效成分次氯酸钙）对于硅藻、蓝藻、绿藻的消杀比较有效[66]。2-甲基乙酰乙酸乙酯（EMA），大麦秸萃取液（BSE）和异噻唑啉酮这三种药剂对于普通小球藻有抑制作用，施用浓度不同，抑制作用也不相同[67]，但是以上四种药剂对于烟苗的影响还需要进一步探究。

3.4 有害藻类的生物防治—生防抑藻

目前，国内外主要的除藻方法为化学法、物理法和生物法。自然水体中微生物多样性相当丰富，生物法就是充分利用自然生态系统中各生物的自身的竞争、调节等来控制藻类。在生物除藻法中，溶藻菌除藻具有环境友好，污染较低的特点，初步确定自然水体中主要存在的溶藻细菌，包括假单胞菌属（Pseudomonas）和芽孢杆菌属（Bacillus）[68]。细菌可以通过直接或间接的攻击，有效抑制藻类的生长，如粘杆菌属、嗜胞菌属和腐螺旋菌属可直接侵入藻类细胞；一些细菌如某些假单胞菌属，弧菌属和波美罗氏乳杆菌通过产生杀藻物质（吩嗪色素和1-甲基-β-卡波林、β-氰基-l-丙氨酸）发挥杀灭作用[69]。通过改进溶藻细菌的使用技术，可以显著提高溶藻细菌的除藻效率，如使用海藻酸钠固定溶藻菌和藻毒素降解菌，可同时实现控藻降毒，利用活性炭聚乙烯醇海绵固定溶藻细菌既可以除藻也可以使水体中营养盐浓度维持在较低水平，破坏藻类再暴发的条件[70]。此外，植物化感物质也可以通过多种方式抑制藻细胞的分裂，从而抑制藻类繁殖[71]，但是其实用技术还有待提高。

4 问题与建议

当前，烟叶的工厂化育苗和集约化生产已成大势所趋，但有关漂浮育苗有害藻类的科学研究及防治技术却相当薄弱。因此，作者建议：

4.1 加强有害藻类的基础研究

目前国内外对烟草漂浮育苗有害藻类的相关报道较少，建议国内烟草相关科研工作者，进行育苗期藻类发生调查，普查摸清优势藻种类、流行学机制，深入研究藻毒素的理化性质和对烟草萌芽、幼苗、根系等相关的分子致病机制，为研发针对性的防控措施提供科学理论依据。

4.2 加强有害藻类知识的科普工作，不断提高防藻意识

长期以来，人们对烟草漂浮育苗系统中的有害藻类的危害性和防治的重要性认识不足，在问题已经突显甚至愈发严重的当今，必须加强漂浮育苗有害藻类的知识科普，不断强化、提高烟叶生产育苗中藻类的防控意识和防控力度。

4.3 加强有害藻类的绿色防控技术研发和应用

除了加强育苗大棚的硬件建设和环境控制之外，有害藻类多发烟区还应不断优化工厂化集约化育苗技术，因化学除藻剂易对烟苗产生毒害作用、残留大、污染水源甚至威胁人畜健康，还需不断有针对性地探索藻类绿色防控技术。如新型的UV射线除藻技术；采用基质与菌根菌剂混用技术；或向营养液中投放光合细菌来控制水体富营养化；抑制藻类的生态防治技术；探索利用溶藻细菌、作物化感效应和藻类病毒的生物防治技术。