苜蓿根部病害及其防治研究进展

郭玉霞， 陈博， 张苏晗， 牛艺帆， 刘晓宇， 刘超齐， 张薇

(河南农业大学动物科技学院，河南 郑州 450046)

苜蓿(Medicagosativa)是多年生的优质豆科牧草，被誉为“牧草之王”[1-4]，因其高产优质、消化率高和适口性好被草食家畜喜食[5]。苜蓿在全球各地区被大面积种植，全球苜蓿生产面积已超过3 200万hm2[6-7]，中国苜蓿播种面积已达550万hm2[8]。近年来，中国苜蓿单位面积产量提升显著，总产量也呈上升趋势，2020年苜蓿单位面积产量已达到7.32 t·hm-2[9]。苜蓿具有发达的根系，在治理水土流失、改善土质等环境保护方面中起着举足轻重的作用，具有极好的生态效益[10]。

随着中央一号文件的多次聚焦、支持苜蓿等饲草料种植的重要指示出台、“粮改饲”和“振兴奶业苜蓿行动”的持续推进及畜牧业的迅速发展，中国苜蓿良种繁育基地建设得到进一步加强，苜蓿良种生产能力有了明显提升。中国苜蓿产业步入了前所未有的高速发展阶段，种植规模逐渐扩大，集约化程度日渐增高。但是，苜蓿病害特别是苜蓿根部病害的发生也日益严重。苜蓿根部病害种类繁多，以苜蓿根腐病为代表。据统计，全世界每年由苜蓿根腐病造成的苜蓿产量损失约20%，严重时高达40%[6]。中国的苜蓿根腐病普遍发生于西北(甘肃、新疆和青海等)、华北(河北和内蒙古等)及东北地区(黑龙江和吉林等)等苜蓿主要种植区，严重地块苜蓿死亡率达60%以上[2,6]。2017—2019年，甘肃苜蓿主产区30%～80%的苜蓿植株出现根腐病，严重影响了苜蓿的产量[11-12]。国内外学者针对苜蓿根腐病开展了相关研究，主要集中在对病原的鉴定、病原的致病性以及苜蓿抗性品种等方面[13-15]。据估计，全球苜蓿每年因苜蓿根腐病损失金额更是高达数亿美元[16-17]。苜蓿根部病害的发生已经对中国苜蓿的种植和发展造成了严重影响。基于此，本文就苜蓿根部病害的危害、发生规律及综合防治进行了综述，以期为后续苜蓿根部病害研究提供基础理论依据。

1 苜蓿根部病害分类研究进展

苜蓿根部病害是由不同病原所导致的颈基部、根部病害的总称，其相关分类缺乏系统研究，目前多根据发病位置不同分为根腐病(root rot)和颈基冠腐病(crown rot)[18]。苜蓿根腐病在世界的苜蓿种植区多有发生。美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大等都是苜蓿根部病害发生频繁且危害严重的国家[18-20]。陈耀等[21]于1989年在新疆苜蓿种植区首次观察到苜蓿根腐病在中国出现，病原为镰刀菌(Fusariumspp.)和立枯丝核菌(Rhizoctoniasolani)。随后，该病害在中国东北、西南和华北等苜蓿主要种植区被接连报道[22-24]。苜蓿颈基冠腐病又称根颈腐烂病，同苜蓿根腐病一样是世界性病害，尤其在美国、加拿大和澳大利亚等国发生严重[25]。1937年，CORMACK[26]在加拿大亚伯达省最先发表了该类病害的相关报道，随后该类病害在世界范围内陆续出现。TURNER等[27]在对美国犹他州的田间苜蓿进行调查发现，感染根颈腐烂病的苜蓿随着种植年限的增长坏死程度也越发严重；种植2 a的紫花苜蓿平均坏死率约为30%，而种植11 a的紫花苜蓿平均坏死率已经增长至50%，田间根冠的数量比种植2 a的紫花苜蓿少1/7。在中国，李敏权[25]对苜蓿根和根颈腐烂病进行研究发现，该类病害一旦发生不仅降低了苜蓿当年的产量，对次年的返青也有着严重的影响，且会随着种植年限的增加越发严重[28]。目前，苜蓿根部病害分类研究较少，多以病原作为主要研究对象。

2 苜蓿根部病害病原种类及病害特征

苜蓿根部病害病原种类复杂，发生广泛[29-31]。因不同苜蓿种植区的温度、湿度和地理环境等不同，苜蓿根部病害病原种类也有较大差异[32-33]。真菌、细菌、线虫及病毒皆可引起苜蓿根部病害的发生。苜蓿根部病害最主要的病原为真菌[5]，关于细菌、线虫及病毒根部病害的相关研究整体较少。本文根据现有报道，总结归纳了紫花苜蓿根腐病的病原、病害特征及国内外分布，如表1所示。

2.1 病原真菌

真菌是导致苜蓿根部病害特别是苜蓿根腐病发生的最主要病原[5]。BERG等[49]在对美国明尼苏达州苜蓿根部病害调查中发现，尖孢镰刀菌(Fusariumoxysporum)和Fusariumincarnatum-equiseti是引起苜蓿种子腐烂和根腐病最具侵染性的菌种。杨剑锋等[50]对内蒙古呼和浩特市苜蓿根腐病的调查中分离到6种病原。其中，镰刀菌分离率为68.11%，立枯丝核菌分离率为10.14%。方香玲等[6]总结报道共有35种病原可引起苜蓿根腐病的发生，其中真菌有29种。2020年，在甘肃苜蓿主产区首次发现了由色孢腐霉(Pythiumcoloratum)所引发的苜蓿根腐病[11]。曹师[32]在内蒙古赤峰市发现了由异茎点霉(Paraphomaradicina)引起的紫花苜蓿根腐病。目前，中国已经对镰刀菌、立枯丝核菌、腐霉(Pythiumspp.)、齐整小核菌(Sclerotiumrolfsii)[44]、烟色织孢霉(Microdochiumroridum)和异茎点霉所引起的苜蓿根腐病进行报道，尚未见到对大雄疫霉(Phytophthoramegasperma)、根腐丝囊霉(Aphanomyceseuteiches)[43]、柱枝双孢霉(Cylindrocladiumcrotalariae)、露湿漆斑菌(Myrotheciumroridum)及多主瘤梗单胞霉(Phymatotrichumomnivorum)所引起苜蓿根部病害的相关报道。上述研究表明，导致苜蓿根部病害发生的病原真菌种类存在地域差异。

2.2 病原细菌

根据张振粉等[47]报道，目前全世界现已发现9种苜蓿细菌性病害，由8种细菌病原引起的，即由密执安棍状杆菌亚种(Clavibacter michiganensisssp. insidiosus)引起的苜蓿细菌性萎蔫病、由桃色欧文氏菌(Erwinia persicina)引起的细菌性芽萎蔫病、由菊基腐病菌(Erwiniachrysanthemi)引起的细菌性芽腐烂病、由根癌土壤杆菌(Agrobacteriumtumefaciens)引起的根癌土壤杆菌、由野油菜黄单胞菌苜蓿病原变种(Xanthomonascampestrispv.alfalfae)引起的细菌性叶斑病和细菌性猝倒病、由丁香假单胞菌(Pseudomonassyringaepv.syringae)引起的细菌性茎疫病、由绿黄假单胞杆菌(Pseudomonasviridiflava)引起的冠腐和根腐综合病和由苛求木杆菌(Xylellafastidiosa)引起的矮化病。中国现阶段关于苜蓿细菌性病害的研究仅有苜蓿细菌性芽萎蔫病以及危害程度较轻的细菌性茎疫病和细菌性叶斑病[47]。国外有报道的可导致苜蓿根部病害发生的病原细菌主要有2种，分别是绿黄假单胞杆菌引起的苜蓿冠腐和根腐综合病，以及密执安棍状杆菌引起的苜蓿细菌性萎蔫病。HEYDARI等[51]对伊朗苜蓿根腐病进行了研究调查，结果表明绿黄假单胞杆菌可使植株变黄，生长减缓，并对植株的根长度、苗长度、鲜质量和干质量都产生不同程度的影响。NIKNAM等[52]首次报道了密执安棍状杆菌亚种是伊朗苜蓿生产的主要限制因素，导致苜蓿植株生长缓慢，出现萎蔫症状，而后在伊朗其他地区的苜蓿病害调查中也有所发现。

表1 国内外报道的紫花苜蓿根腐病病原种类、病害特征及分布Table 1 The pathogen species, symptoms and distribution of alfalfa root rot report in China and abroad

2.3 病原线虫

除上述病原菌外，线虫也可导致苜蓿根部病害发生。HANDOO等[53]在美国犹他州米勒德县的苜蓿产地发现了一种线虫，经鉴定为苜蓿异皮线虫(Heteroderamedicaginis)，该线虫可在干旱条件下使苜蓿鲜质量降低46%。POSTNIKOVA等[54]通过对南方根结线虫(Meloidogyneincognita)感染抗性和易感苜蓿转录组的分析，筛选出了苜蓿中有助于抵抗南方根结线虫的相关基因。目前，能使苜蓿根部发病的主要有4种，分别是哥伦比亚线虫(Meloidogynechitwoodi)、北方根结线虫(Meloidogynehapla)、南方根结线虫及苜蓿异皮线虫[32, 55-56]。中国同样暂时没有苜蓿根部病害病原线虫的相关报道。

2.4 病原病毒

苜蓿病毒病害分布广泛，但大多都作用于苜蓿植株的地上部分，作用于苜蓿根部导致根部产生病害的报道较少。苜蓿花叶病毒(Alfalfa mosaic virus，AMV)是一种世界性分布的病毒，苜蓿感染该病毒后主要在叶部出现病害症状，但同时根系会随着病毒侵染的严重逐渐坏死，造成根部病害[57]。

不同种类病原导致苜蓿根部病害的发病症状多样，且各具特点，这给苜蓿的种植管理带来了严重的影响。此外，多种病原会发生复合侵染，使得苜蓿根部病害的防治更为困难。因此，加强病原的研究，明确病原种类对于苜蓿生产意义重大。

3 苜蓿根部病害症状与危害

苜蓿根部病害为多发性、土传性病害，其病原复杂且持久性强，能在土壤和植物残留物中存活数年，因此病害情况难以控制[58-60]。不同的病原所引致的根部病害症状有所差异。病原侵入根部后，随着时间的积累会导致苜蓿根部组织出现腐烂现象，影响苜蓿吸收土壤中的营养物质和水分，甚至造成苜蓿的死亡，同时导致田间地块凹陷、植株稀少等。苜蓿根部病害最为典型的症状是在苜蓿植株根颈中心出现坏死斑，并经由维管系统向根尖扩散，严重时根颈全部死亡。病原可在苜蓿生长的任何阶段侵染苜蓿植株，导致苜蓿根部发病，给苜蓿的生长及再生带来较大阻碍，造成苜蓿的抗病性能减弱，发芽迟缓等问题，进一步缩短苜蓿的使用年限。苜蓿根部病害的发生对苜蓿草的质量有着巨大的威胁，甚至使苜蓿丧失加工价值[2-3]。苜蓿根部病害的发生会致使苜蓿根部固氮能力降低，严重降低草产量和品质，草地利用年限也会因此而缩短[61]。李敏权[25]在甘肃定西市的苜蓿田间发现，发病植株比健康植株发芽延迟20 d，且生长缓慢，田间植株稀疏，在返青季节即表现出症状；而在室内的苗期接种试验发现，染病初期幼苗根颈处形成水浸状坏死斑点，之后逐渐出现缢缩、变黑和坏死，最后茎叶枯死。张静妮等[62]发现，紫花苜蓿根腐病多发生在越冬返青后的死亡植株或半死植株上，严重影响苜蓿的越冬能力，使得当地苜蓿次年产量大幅缩减，苜蓿产业损失严重。郭玉霞等[63]研究发现，病原菌会对苜蓿的病情指数、苗质量、根长度和苗长度均有显著的影响作用，严重影响着苜蓿种苗的生长。孟嫣等[64]对甘肃定西市的苜蓿根腐病研究中发现，苜蓿返青时发病植株较健康株延迟大约20 d发芽，且植株的生长能力减弱，5月下旬的田间发病率可达43%。陈雅君等[22]在苜蓿田间进行调查发现，在所调查的8个种植区中苜蓿根腐病的发病率极高，部分地块可达92%。

苜蓿根部病害的发生不仅对苜蓿的质量和产量影响较大，同时侵染苜蓿的病原菌会产生毒素，在动物采食后干扰动物正常的生理机制，导致家畜中毒[65-67]，出现流涎、腹泻和厌食等症状[2]，影响动物的生殖繁育[68]，严重威胁着畜牧业和奶业的安全[32]。因此，苜蓿根部病害已经成为限制苜蓿产业发展的主要因素。

4 苜蓿根部病害发生规律研究进展

4.1 病原真菌

由病原真菌所引起的根腐病是一种土传加种传的病害[69]，初侵染源主要是厚垣孢子、菌核和菌丝体，生命力顽强[70]，习居土壤且能在土壤中生存数年[71]。当温度在25～30 ℃时，病原真菌的生长最为迅速，可通过地下害虫或不当农耕操作等所造成的根部伤口直接或间接对苜蓿根部进行侵染[72]，染病苜蓿根部的腐烂需数月至数年。此外，真菌还可通过灌溉传播病害[73]。目前，虽已有较多关于病原真菌所引起的苜蓿根部病害的研究，但是关于其致病分子机理尚未有明确的研究成果。现有研究表明，病原真菌主要是通过产生致病毒素如脱氧雪腐镰刀菌烯醇、玉米赤霉烯酮和镰刀菌酸等胁迫植株生长；这些毒素会影响苜蓿线粒体的能量合成、影响根系吸收水分，给苜蓿生长带来极大的危害[6]。

4.2 病原细菌

病原细菌主要通过根部的损伤切口或直接侵染苜蓿根部，在苜蓿植株、种子及土壤中存活数年，还可通过灌溉和雨水等多种方式进行传播[47]。病原细菌主要通过产生一些具有多糖、蛋白及糖蛋白等结构的毒素作用于植物细胞的线粒体，破坏植物细胞超微结构，影响其能量和蛋白等合成，以此来危害植株。关于苜蓿细菌根部病害的研究较少，中国在此方面的研究更是远落后于其他苜蓿种植国家[74]。

4.3 病原线虫

病原线虫以头部刺进根尖，将食道腺的分泌物分泌到寄主植物细胞，并诱导寄主细胞形成专化性的取食位点(feeding site)，对苜蓿根部细胞造成破坏，使其失去生长分化能力，破坏根尖细胞的细胞壁使其融为大细胞，并能从根部吸取大量的营养物质为自身供能。苜蓿的根尖部位是病原线虫侵染苜蓿的首选部位[48]。

4.4 病原病毒

病原病毒主要通过汁液摩擦和蚜虫以非持久方式进行传播，还可通过种子传播。蚜虫的传毒率与蚜虫的种类、气候条件及寄主范围有密切关系[75]。病毒侵染寄主后，在寄主细胞中利用细胞器完成自我复制，之后病毒编码的蛋白与寄主蛋白识别，再从初侵染细胞移动到相邻细胞(细胞间移动)，进入维管束组织后移动侵染其他部位(长距离移动)。

苜蓿根部病害的发生有很多方面的原因，包括土壤的湿度和温度等，对根部病害的发生和流行起着决定性作用[71]。土壤中初侵染源的数量和苜蓿品种对病害的抗性也会造成苜蓿根部病害的发生。因此，加强对苜蓿根部病害发病规律的研究，有助于更好防治根部病害。

5 根部病害的防治研究进展

苜蓿根部病害的治理中应以防为重点，包括控制和消灭病原的发生与传播。围绕病害发生的植株抗病性、病原致病性和环境条件3个要素，制定经济有效、安全易行的防治方案。

5.1 使用抗病品种

目前，除了抗霜霉病、抗疫霉根腐病、抗炭疽病和抗壳多胞叶斑病的品种外[5]，其他有关苜蓿根部病害抗病品种的报道较少。在苜蓿根部病害的治理过程当中，抗病品种的使用被认为是有用且高效的对策[76-77]，在苜蓿病害的防治体系中具有重要意义且占有主导地位。美国已经在苜蓿种植的很多地区更换了抗病的品种，用来抵抗苜蓿根部病害的发生。中国对于抗病品种的使用，仍是从现有的品种中挑选出抗性相对较强的加以培育，针对多种苜蓿根部病害尚未培育出有效的品种[37]。

5.2 合理的田间管理

目前，施用化学药剂和购入抗性品种是防治苜蓿根部病害的主要手段，而田间的管理往往被人忽视。科学合理的田间管理对苜蓿根部病害的防治十分有效。添加作物残茬、轮作以及调节土壤酸碱度等都能很好抑制苜蓿根腐病的发生，提高苜蓿的产量[78-80]。合理的施肥可以使苜蓿的生长加快，既能改善土壤的理化性质，提高苜蓿植株自身的抗病能力，为植株供给营养物质，也能提供有益的微生物，提高有益微生物的活动，并减少根腐病的发生，特别是增施钾肥可降低苜蓿根病的发病率和镰刀菌的侵入率[28]。此外，种植密度会影响苜蓿的染病率，包括种植密度过大、埋土过深等都会增加苜蓿的染病概率[2, 6]。

5.3 生物防治

近年来，生物防治在苜蓿根部病害防治中逐渐受到重视。生物防治的最大优势是无污染和无药物残留，其主要的防治原理是通过提升寄主自身的健康水平和抗病能力以抵抗病害，并利用不同微生物之间的拮抗作用诱导苜蓿自身对病原产生系统抗性[81-83]。WIGGINS等[84]研究表明，利用增施绿肥和作物轮作的方法可以提升苜蓿自身的抗病能力，从而抵抗根腐病病原的威胁。WEN等[85]利用根瘤菌和枯草芽孢杆菌MB29对半裸镰刀菌(Fusariumsemitectum)的拮抗作用防治苜蓿根腐病，效果显著，防治率达43.41%。樊炳君等[86]在研究中发现，抗性菌株KC121对腐皮镰刀菌(Fusariumsolani)和拟枝孢镰孢菌(Fusariumsporotrichioide)的抑菌率效果较好，抑菌率分别可达76.91%和82.66%，且该菌株的发酵液对2种镰刀菌的抑菌率分别达60.85%和84.76%。

6 苜蓿根部病害存在的问题及展望

随着中国苜蓿种植面积的不断扩大，苜蓿根部病害的发生日益严重，因此加强苜蓿根部病害的研究十分必要。苜蓿根部病害是寄主、环境、病原和生产活动共同作用的结果，不同的生长生育阶段、土壤营养成分含量、降水量和温度、田间管理技术和种植的作物品种及种植体系等均可产生重要影响。不同的地理生态区域中，土壤微生物区系和病原菌的种类亦有差异。农艺耕作措施、土壤质地类型、植物种及其基因型都是决定土壤微生物区系组成的重要因素。此外，土壤区系中不同的碳源也会造成土壤微生物种类的差别。因此，应根据不同地理生态区域广泛开展苜蓿病害研究，明确各地导致苜蓿病害尤其是根部病害的病原种类、侵染特点、发生规律以及致病机制等，有针对性地为病害防治工作奠定理论基础。

目前，中国的苜蓿根部病害的防治存在以下问题。(1)中国在苜蓿根部病害抗性品种的培育上落后于其他国家。当前中国大部分抗性品种仍依靠从国外进口，并且这些抗性品种并不能很好应对中国不同地区的病害。(2)针对病原菌的致病性研究仍有不足。当前中国虽已有相关研究，但大多都是表观研究，缺乏对于病原菌分子层面的致病机理研究。(3)环境条件对苜蓿的生长和病害的发生有着重要的影响，目前关于环境对苜蓿根部病害的影响研究相对较少，在对苜蓿病害的防治过程中，往往会忽略这一重要因素。

因此，应加强对苜蓿抗病性机理和病原菌致病性机理分子层面的研究，通过基因组与转录组的结合研究，筛选出与苜蓿抗病性相关的基因和与病原菌致病性相关的基因，进一步研究其作用，揭露苜蓿抗病机理和病原菌致病机理，以便更好培育出适应中国不同地区的抗性品种。同时，加强环境条件对苜蓿根部病害的研究，明确不利于病原生存而有利于苜蓿生长的环境条件，有助于苜蓿根部病害防治新策略的开发和应用。