基于微生态平衡消减西洋参连作障碍策略

蒋丽，郭瑞齐，管仁伟，林慧彬，闫雪生

（1.山东中医药大学药学院，山东 济南 250355；2山东省中医药研究院，山东 济南 250014）

西洋参（Panax quinque folium L.）为五加科多年生宿根草本植物，具有补气养阴、清热生津等多种功效［1］。现代药理学研究表明，西洋参及其制品在抗肿瘤、抗癌、抗疲劳、抗氧化、降血压、降血脂等方面有独特功效，应用广泛，需求量不断增加［2］。

目前，西洋参主要依靠人工栽培。但西洋参属于宿根性植物，忌地性极强，连续种植会出现明显的连作障碍，需要数年的轮作，因此，土地成为困扰西洋参产业发展的难题。连作障碍主要原因为随着种植年限的增加，根际土壤微生物群落不足以消化逐年增加的根系分泌物，累积分泌物根据各自性质推动根际微生物群落结构发生改变，经过一系列过程最终造成根际微生物群落失衡，致病菌数量上升，有益菌数量下降；土壤酸化、盐渍化严重，根系活力下降，同时也为真菌的入侵提供条件，进而出现自毒、土传病害等问题，并出现明显的土壤微生态系统退化。

近年来研究者将关注点逐渐向生物防治方向转移，以维持根际微生态系统平衡为导向，针对性采取相应措施，缓解效果理想。本文综述了近年来西洋参栽培过程中微生态系统平衡的重要性、微生态系统失衡所面临的问题以及以微生态系统平衡为基准的防治途径，试图以微生态系统为基准消减西洋参连作障碍，以期为缓解西洋参连作障碍等问题奠定基础。

1 维持微生态系统平衡的重要性

根际微生态系统主要包括植物、土壤、微生物及其环境相互作用等内容，是一个以植物为核心的微生态系统［3］。其宏观功能主要体现在维持土壤-植株-微生物之间内外部物质和能量的转换及信息的交换，维持生物与非生物在分布、数量等方面的平衡，营养物质的循环与高效利用等方面。其微观功能主要体现在根际土壤是构成植株外在生存环境的重要组分，提供植株所需营养物质；而微生物群落是构成植株内环境的重要组分，对西洋参的生长、次生代谢产物形成与积累等具有较大影响［4］。

根际微生物群落是平衡微生态系统研究的重点，其与植株、根际土壤相互作用：植株为定殖菌落提供良好的生存环境，土壤为微生物群落及植株提供优越的生存环境和必需养分，微生物群落消化植株根际分泌物，降低植株发生自毒作用机率，缓解连作障碍。根际微生物群落不仅是衡量土壤健康及质量的指标，还在生物化学循环中发挥重要作用。全方位了解根际土壤微生物群落有助于更加深入地了解根际微生态的变化，对药用植物的栽培及产业可持续发展具有参考利用价值，同时维持根际微生物群落结构平衡对老参地的改良及次生代谢产品的开发具有重要作用。

2 微生态系统失衡所面临的主要问题

2.1 根际微生物群落结构失衡

文献报道显示，随种植年限增加，土壤微生物群落组成及多样性发生质的变化［5］。李丽等［6］研究发现4年生参地根际土壤中嗜盐粘细菌属、假单胞菌属、鞘脂菌属、芽孢杆菌属、厌氧粘细菌属、红游动菌属、芽单胞菌属、硝化螺旋菌属、根瘤菌属、鞘氨醇单胞菌属等菌株丰富度与未种土地相比均发生明显变化，其中优势属假单胞菌属和鞘脂菌属与西洋参致病性显著相关。Dong等［7］采用高通量测序技术与聚合酶链反应相结合的研究方法对老参地根际土壤进行分析，发现与新土地相比，土壤中细菌和真菌种类相对丰富度发生显著变化，功能性细菌多样性下降，致病性真菌多样性增加，与李丽等的报道基本一致。田苗等［8］通过对全生长期根际土壤微生物研究发现，随种植年限增加，优势细菌及放线菌种类和数量均有不同程度减少，霉菌种类显著增加，且土壤中具有解氮、解磷、固氮等作用的细菌比例严重失调，菌群失调恶化土壤生态环境，进而影响西洋参的连续种植。

通过对根际土壤微生物群落分析，随种植年限的增加，土壤中细菌与真菌表现出显著的动态变化，逐渐从“细菌型”向“真菌型”转化，根际土壤微生物群落多样性及组成主要是受生物与非生物因素的影响，认为根际分泌物与植株残体驱动根际微生物群落发生变化［9-11］。因此细菌与真菌的比例能够体现土壤功能的重要特征，可作为评价生态系统的指标，其比例的高低可用于判断植株是否存在连作障碍。

2.2 根际土壤理化性质恶化

根际土壤的理化性质与微生态平衡息息相关。微生态系统通过微生物群落动态变化调控土壤理化性质，故微生态系统的失衡势必会导致土壤生态环境恶化［12］。栾泰龙等［13］研究发现，随着种植年限的增加，根际土壤逐渐呈现酸性化的趋势，pH值下降约0.5个单位；氮磷钾含量呈现先增加后下降趋势；含水量及有机质含量均随种植年限增加逐渐下降。刘芳等［14］探究了西洋参连续种植根际土壤氮磷钾含量的变化规律，结果与栾泰龙等的基本一致。

理化性质分析表明，老参地土壤盐渍化及酸化严重，土壤含水量降低，营养物质供求不平衡，有机质含量下降。土壤盐渍化很大程度上降低根系活力，进而影响根部营养物质的吸收；土壤酸化为致病菌提供了优越的生存环境，并降低了功能性菌落分解营养物质的能力；磷、钾、氮及微量元素的缺乏也会影响植株生长。综上，土壤理化性质恶化从降低根系活力、阻断营养物质吸收、增加病害侵染几率、营养物质供不应求、抗性下降等方面抑制西洋参植株生长，进而体现为连作障碍。

此外，在西洋参种植过程中，酶活性同样发生显著变化，其中蔗糖酶、脲酶及碱性磷酸酶活性呈现先降低后增加趋势，过氧化氢酶、过氧化物酶、抗坏血酸过氧化物酶活性呈现先增加后降低趋势，琥珀酸脱氢酶活性呈逐渐升高趋势［15］。其原因可能与根际土壤理化性质改变及自毒物质积累有关。

2.3 根际土传病害加重

随种植年限增加，根际土壤微生物群落结构及土壤理化性质均发生质的变化，植株对营养物质的吸收受到严重影响，对致病菌抵抗力下降，进而增加感染土传病害的几率。研究表明，根际微生物群落不足以消化土壤中酚酸类化合物是引起微生态系统失衡的主要原因［16］，而微生态系统失衡进一步引起或加重土传病虫害的发生。土传病害主要为根腐病、锈腐病、立枯病等侵染性病害（表1）；虫害以地下为害为主，以金针虫、地老虎等为代表（表2）。化学农药过量使用使致病菌抗药性增强、根际土壤微生态环境破坏及有毒化合物残留过高等问题日趋严重。

表1 西洋参主要土传病害及防治措施

表2 西洋参主要地下虫害及防治措施

3 基于微生态平衡的防治措施

3.1 接种微生物拮抗剂

根际微生物群落结构随种植年限而发生变化，老参地根际微生物群落结构发生了质的变化，微生物拮抗剂的加入可有效改善根际土壤微生态环境，通过形成根际微生物屏障抑制致病菌生长、减少土传病害侵染几率、抵抗根际分泌物等方式缓解连作障碍。相关研究发现对致病菌具有拮抗作用的菌株均有可能发展为微生物拮抗剂，但微生物拮抗剂的筛选是一个艰难繁琐的过程。首先需通过高通量检测技术检测细菌及真菌的丰富度，将功能性细菌及真菌进行定量PCR分析；再使用双重培养测定法筛选拮抗致病真菌的微生物拮抗剂，分离与鉴定拮抗细菌；最后评价拮抗剂的防治效果。微生物拮抗剂拮抗机理主要包括与病原菌争夺营养成分，作为诱导剂诱导植株产生抗逆性，其代谢产物抑制病原菌的生长与繁殖或促进植株生长［30］。

目前在加入拮抗剂缓解连作障碍方面已取得良好效果，可降低植株发病率，并未对药材质量产生不良影响。林红梅等［31］从西洋参根际土壤中筛选出7株对致病菌具有显著拮抗作用的细菌，并表现出较强的广谱性及专一性。Dong等［9］利用双培养技术筛选出的枯草芽孢杆菌50-1，对抗尖孢镰刀菌抑制率达到67.8%，具有潜在的预防和抑制作用。

此外，研究表明重茬地根据需要添加相应的微生物菌剂，也可达到缓解连作障碍的作用［32，33］。

3.2 菌根定植

菌根是由土壤中真菌与高等植株根系形成伙伴关系的一种共生体，菌根可视为植株根部的延伸，增强根部相关功能［34］。相关研究表明，菌根共生体不仅可提高植株对土壤中营养元素的吸收与积累［35］，而且还可提高植株在干旱、涝害、病害、高盐等胁迫条件下的抗逆性，根据需求影响植株次生代谢产物的形成，对保持生态平衡、保护生物多样性、开发次生代谢产品等具有重要意义。

丛枝菌根真菌为土壤中非常重要的一类微生物，西洋参及大多数草本植物均与丛枝菌根真菌建立合作关系。丛枝根真菌的侵染率、侵染强度与根中人参皂苷类成分（Re、Rg1、Rb1）含量呈现显著正相关，并影响植物体内的次生代谢过程，对次生代谢产物开发具有指导意义［36］。目前国内外学者针对菌根定植是否影响植株生长、营养物质竞争、土壤微生物群落等一系列问题展开相关研究并已获得良好结果，但对于如何影响宿主相关性状表达、抗逆机制等方面还需加强［35］。强抗逆性土壤中残留的菌根真菌一般有较强的适应性，应加大力度探索其微生物群落结构相关变化，挖掘并充分利用优良菌根真菌资源，针对性开发菌根制剂，进一步发挥共生菌根真菌在提高西洋参产量、质量及维持微生态系统等方面的潜力。

3.3 轮作与施肥

轮作主要通过降低土壤中病原菌密度、淡化土壤盐渍化及酸化等方式缓解连作障碍。西洋参与紫苏、薏苡等轮作均可达到缓解连作障碍效果，以紫苏子为肥料缓解效果更佳［37］。Sung等［38］以23种绿肥植物为研究对象，将开花期绿肥植物混入老参地土壤，结果显示以菊科根茎栽培品种作绿肥可有效改善土壤理化性质，防治根腐病效果良好。此外，生物炭肥料在恢复老参地土壤理化性质、提升微生物群落质量、抑制土传病害等方面具有不可忽视的作用［44］。

施用绿肥及轮作均可恢复地力，增加土壤有机质含量，改善理化性质，慢速度恢复根际土壤微生态系统，但一般时间较长，短时间内无法达到参地连续种植的标准。此外老参地部分致病菌如尖孢镰刀菌存活时间较长，轮作效果有限，根际分泌物仍会为致病菌生存提供优越的生存环境，连作仍有侵染病害的机会。故轮作应有相应的评价标准，实时监控轮作土壤微生态系统变化，采取相应措施尽可能在短时间内恢复土壤微生物生态系统，减少轮作时间，增强西洋参产业供应，提高参根质量、产量。

3.4 选育强抗逆性品种

丁艳芬等［39］选育的同科植株三七新品种，在不施农药及化肥情况下可连作十余年，且连作障碍不明显，药材质量不受威胁，为西洋参优选抗逆性品种提供了良好的理论基础。筛选优良的抗逆新品种是消减西洋参连作障碍最基本、有效的手段，种质资源研究及建立种质库是选育强抗逆性品种的前提。目前分子生物学是品种选育最有潜力的手段，主要依靠高通量测序技术、转录组测序技术快速获得功能性基因，经转基因或其他技术优选品种［40］。Chen等［41］采用此技术获得数百个与高皂苷相关的潜在基因，为西洋参优选强抗逆品种提供了参考依据，也为西洋参产业可持续发展提供了基础保障。

3.5 无土栽培

无土栽培以人工创造植株生长环境代替根际土壤环境，不仅满足植株所需养分、水分、氧气等，还可调控植株二次代谢产物的形成与积累，其最突出优点在于克服了连作障碍等问题［42］。近年来，越来越多作物因各种原因选择无土栽培，经质量及安全性评价，其产品符合相应标准。无土栽培可实时监控根际微生态系统的变化及植株生长状况，根据实际情况采取相应措施，以保证植株始终在最优环境生长。除此之外，无土栽培可有效免除耕地、除草等劳动力的使用，符合机械化、自动化的需求。

3.6 建立作物自动配对系统

作物轮作可有效缓解连作障碍，但轮作作物的选择是研究难点，需长时间探索。相关研究者可建立一个作物自动配对系统，分别上传作物种植前及整个生命时期土壤中微生物群落、理化性质、自毒物质种类、有机质、所需营养物质等一系列相关信息，根据种植前及种植过程中土壤中一系列变化实现作物与作物之间的自动配对，为作物轮作提供有利信息，提高轮作效率。此外，还可通过此系统实时监控土壤变化，寻找土壤变化规律并挖掘其与病害之间关系。因此建立作物自动配对系统不仅增加解决连作障碍等问题机会，而且通过该系统指导添加所需营养物质，保证了西洋参产量和质量［43］。

4 展望

连作障碍严重制约西洋参产业的发展，要彻底缓解西洋参连作障碍需预防与防治相结合。连作障碍是植株根际土壤微生态系统中多因素相互作用的结果，形成原因较为复杂，根际土壤微生态失衡是其主要原因之一。基于微生态系统平衡的防治措施逐渐成为研究热点。研究发现木霉菌株对多种致病菌有较强的拮抗作用，并且在促进植株生长及诱导植株产生抗逆性等方面具有巨大潜力［18］，期待筛选出以木霉菌株为基础的高效、广谱菌株，通过接种微生物拮抗剂及菌株定殖防治西洋参土传病害。此外基因组序列分析、高通量测序等生物技术的广泛应用也成为推动微生物拮抗剂开发的另一因素，但前期必须有大量探索性工作，如老参地根际土壤微生物群落结构变化、影响微生物菌落的自毒物质类型、土壤理化性质分析、土传病害种类及形成原因等，是一项艰难且复杂的工作，但对于缓解连作障碍促进西洋参产业持续发展、提高土壤资源循环利用效率具有重要意义。