作物重茬连作障碍中自毒物质的研究进展

陈福慧，申乃坤，姜明国，王一兵

（广西民族大学海洋与生物技术学院，广西多糖材料与改性重点实验室，南宁 530008）

连作障碍是制约我国种植业发展的关键问题。研究表明，导致连作障碍的原因主要有3 个：土壤理化性质的改变、土壤微生物群落结构失衡和自毒物质的积累，其中，自毒物质被视为连作障碍的主要诱因[1]。自毒作用与化感物质和化感作用紧密相关。化感作用是指植物向周围环境中释放一些次生代谢产物，这些代谢产物直接或间接产生抑制或促进植物生长的现象[2]，参与化感作用的各种次生代谢产物被称为化感物质。而当释放化感物质的植物与受到抑制的植物属于同一种时，这种化感作用被称为自毒作用[3]，参与自毒作用的化感物质即为自毒物质[4-5]。

田间长期耕种同一种植物容易导致自毒物质在土壤中的积累，尤其是在作物根系附近的土壤中会形成自毒物质含量过高的微环境[6]。环境中的自毒物质累积到一定量时可对植物产生毒害作用[7]，即使采取了正常的栽培管理措施，植物也会受自毒物质的影响导致生长、发育、繁殖等方面受到影响。自毒物质也会影响土壤微生物的生态环境[8]，使土壤酸化，并改变土壤中微生物的种类和数量，导致土壤中酶活性发生变化，微生物结构失衡[9]。如果植物长期处于高含量自毒物质的环境中，植物的抗病能力会显著下降，极易引发病虫害，最为常见的是线虫的侵染[10]。

作为重茬连作障碍的主要影响因素，自毒作用不仅影响了植物的生长发育，还降低了产量与品质。由此可见，自毒作用的研究对揭示连作障碍形成机理，实现自毒物质的消减，构建合理的轮作、连作模式，实现大规模、规范化种植过程尤为重要。因此，本文在文献调研和初步试验研究的基础上，从自毒物质的来源及种类、自毒物质的作用特点及机理、自毒物质的研究方法及消减措施3 个方面对自毒物质研究进行综述，以期为自毒作用的研究提供新的思路，为解决作物重茬连作障碍提供参考。

1 自毒物质的来源及种类

1.1 自毒物质来源

自毒物质来源十分广泛。连作障碍普遍存在于粮食作物、经济作物、蔬菜、林木及中药材等各种植物中。龚静等[11]对马铃薯连作后土壤中酚酸类自毒物质研究发现，由于根系分泌自毒物质，导致连作后根际土壤中自毒物质的积累。黄玉茜等[12]以花生为研究对象，确认了花生的茎、叶水浸液对花生种子萌发具有抑制作用，说明花生茎、叶中含有化感物质。尹玉玲等[13]对芦笋连作后的自毒物质研究发现，芦笋的自毒物质主要来源于根系分泌及残枝残根分解。颜仕龙等[14]对苦瓜不同部位化感作用研究发现，相较于根部，苦瓜的地上部分对绿豆和水稻2 种受体植物的化感抑制作用更显著，即苦瓜的化感物质主要存在于茎、叶中。马祥庆等[15]研究杉木人工林的自毒作用，结果表明，杉木各器官的浸提液对杉木种子的萌发均有抑制作用，其中杉木叶的抑制作用最为显著。向维[16]应用水培活性炭吸附的方法，发现传统中药材三七的根系会分泌自毒物质。杨广超等[17]利用西瓜植株残体的水浸液进行种子发芽和幼苗生长试验，发现水浸液中含有抑制西瓜种子萌发、影响西瓜幼苗体内相关酶活的自毒物质。综上所述，自毒物质主要包括植株根系自身分泌物，植株茎和叶的淋溶物、挥发物及植株残体分解所产生的物质。

1.2 自毒物质的种类

李敏等[18]研究了22 种常见的酚酸对枸杞种子萌发的影响，发现酚酸类自毒物质抑制了枸杞种子的萌发，是导致枸杞连作障碍的主要诱因。王倩等[19]研究了苯甲酸和肉桂酸对西瓜幼苗生长状况的影响，发现西瓜根系分泌的化感物质主要是酚酸类物质及其衍生物。Penuelas 等[20]对迷迭香在胁迫条件下单萜类物质的释放量进行研究，发现在环境胁迫条件下，迷迭香叶片中的挥发性萜类化合物含量大幅上升，进而抑制迷迭香的生长。李丹等[21]研究西瓜根系分泌物氨基酸对西瓜枯萎病的影响，发现了6 种能促进西瓜枯萎病菌孢子生成的氨基酸，且非蛋白氨基酸可以促进病原菌的生长，进而对西瓜产生自毒作用。杨航等[22]对异龄老芒麦根际土壤中化感物质进行研究，证明醛类及醌类也是自毒化感物质的重要组成成分。综合已有的研究发现，自毒物质种类繁多，主要包括酚酸类及其衍生物、生物碱、氰醇、甾族化合物、酶类、非蛋白氨基酸和多肽、醛类、醌类、醇类、酮类等。其中，酚酸类物质是导致连作障碍的主要诱因，常见的酚酸类物质有丁香酸、水杨酸、香草酸、香豆酸、肉桂酸、阿魏酸、对羟基苯甲酸、苯甲酸、棕榈酸等。

2 自毒物质的作用特点及作用机理

2.1 自毒物质的作用特点

2.1.1 选择性和专一性 自毒物质可以对某些植物产生抑制作用，而对其他植物产生促进作用或者无作用，甚至对相同植物的不同部位也会产生不同的影响。喻景权等[23]对黄瓜和西瓜的自毒作用研究发现，黄瓜和西瓜的根系分泌物对黄瓜与西瓜本身产生明显的自毒作用，而对黑籽南瓜的生长有促进作用。蒋红云等[24]研究了石蒜对萝卜、黄瓜、番茄和油菜的化感效应，发现石蒜的水浸提物对番茄作用效果最为明显。上述研究证实了自毒化感物质作用的选择性与专一性。

2.1.2 剂量效应 自毒物质的作用具有低促高抑的特点，即自毒物质含量较低时可能对作物生长起促进作用，当自毒物质含量较高时才会发生抑制现象。王倩等[19]使用自毒化感物质肉桂酸、苯甲酸处理西瓜幼苗发现，这2 种物质的作用强度与其含量密切相关，表现出低促高抑现象。王芳[25]通过盆栽试验发现，随着自毒化感物质含量的增加，茄子胚根和胚芽生长所受到的抑制作用随之增强，即表现出剂量依赖性。章黎黎等[26]以七叶绞股蓝种子为受体，研究玉米根系、秸秆、果穗不同剂量水浸液对受体种子及幼苗生理活性指标的影响，发现不同水平的水浸液对绞股蓝种子的萌发均有抑制作用，且表现出剂量依赖性。郭凯等[27]研究了不同水平肉桂酸和咖啡酸对莴苣幼苗生长的自毒作用，发现不同化感物质具有不同的剂量效应，其中肉桂酸对莴苣生长表现出明显的剂量依赖性，咖啡酸则对莴苣幼苗产生了低促高抑的特点。上述研究证实，自毒物质的作用具有低促高抑及剂量依赖性的效应。

2.1.3 共同作用效应 任何植物都合成不止1 种自毒物质，植物的自毒作用是多种自毒物质共同作用的结果。自毒物质的复合效应具体表现为协同、加和、拮抗3 种形式。王璞等[28]将羟基苯甲酸、阿魏酸、香草酸3 种化感物质进行随机等量组合处理，发现3 种化感物质间存在明显的协同作用。Blum 等[29]以苯丙氨酸、对羟基苯甲酸、香豆酸为碳源培养牵牛花，发现植株的化感作用可能是植物生长过程中不同自毒物质共同作用的结果。

2.2 自毒物质的作用机理

2.2.1 对细胞膜透性的影响 植物细胞内不饱和脂肪酸易被抗氧化酶分解，导致细胞膜破裂。某些自毒物质会影响植物体内超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）和过氧化氢酶（catalase，CAT）的活性，从而破坏细胞膜的稳定性，引起自毒效应。自毒物质对细胞膜结构的破坏主要表现为使植物的细胞膜透性增强，选择透过性降低，电解质外渗，促进离子渗出等。Baziramakenga 等[30]研究发现，苯甲酸和肉桂酸处理大豆幼苗，其根系细胞膜的完整性会受到损伤，导致电解质外渗。刘苹等[31]研究发现，花生根系分泌物不仅抑制花生种子胚根的伸长和生长，还导致花生体内活性氧含量增加，膜损伤加剧。李冠喜等[32]研究证实，不同水平的自毒物质均可抑制杨树水培幼苗根系中SOD和POD 活性，导致根系细胞膜透性增加，细胞内丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量下降，最终导致根系活力下降。

2.2.2 对细胞亚显微结构和细胞分裂的影响 自毒物质可以导致细胞分裂减少，进而使植物细胞的横径增加、长度减小，细胞核出现异常，最终影响植物生长发育。Liu 等[33]研究大麦化感物质的毒性发现，大麦生长过程中释放的生物碱导致禾本科植物胚根长度减少、胚根尖端活力下降，使胚根出现细胞壁受损、液泡增大、细胞器发生解体等现象，证实自毒物质影响细胞亚显微结构及细胞分裂。Cruz-Ortega 等[34]研究了葫芦产生的化感物质对菜豆和南瓜属植物Cucurbita ficifolia苗期根系亚显微结构的影响，发现该化感物质导致菜豆根尖细胞组织出现紊乱，使细胞分化现象减少；而南瓜属植物Cucurbita ficifolia根冠细胞中产生了不定形和无活性的细胞核、线粒体和内质网，且液泡出现内陷现象。

2.2.3 对矿质离子和水分吸收的影响 自毒物质影响根系对矿质元素的吸收，阻碍植物体内养分的积累；还影响根系对水分的吸收，干扰植物体内的水平衡造成水分胁迫，最终影响植物生长发育。Barkosky 等[35]使用从小叶蝶须中分离到的自毒物质对苯二酚处理绿叶大戟，研究发现对苯二酚不仅抑制了绿叶大戟种子的萌发、根的伸长、愈伤组织培养物的生长，还导致绿叶大戟叶片的气孔功能受到持续的干扰，影响植物水分的吸收，破坏植株的水分平衡。Alsaadawi 等[36]研究认为，丁香酸、咖啡酸和原儿茶酸均影响幼苗对N、P、K、Fe和Mo的吸收，从而影响豇豆幼苗的生长。

2.2.4 对植物激素的影响 酚酸类自毒物质可通过抑制吲哚乙酸的降解和促进吲哚乙酸氧化酶的活性来改变吲哚乙酸的水平。Holappa 等[37]通过外源施用阿魏酸处理番茄、黄瓜、豌豆，发现阿魏酸抑制了脱落酸野生型番茄、脱落酸缺陷型番茄及黄瓜的叶片生长和水分利用，诱导脱落酸的生物合成，导致内源性脱落酸含量剧增，最终抑制植物生长。李振方等[38]测定了地黄茬后土壤中甲醇提取物的生物指标，发现该提取物导致地黄植株体内生长素类植物激素含量下降，脱落酸含量上升。

2.2.5 对植物呼吸作用以及光合作用的影响 自毒物质可以对植物线粒体新陈代谢产生影响。自毒物质可以通过减少氧气的摄入，阻止还原型辅酶Ⅰ（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）的氧化，抑制ATP 酶的活性和电子传递过程来抑制呼吸作用，也可以通过刺激CO2的释放促进呼吸作用。自毒物质对植物光合作用的影响主要表现在叶绿素含量和净光合速率的降低，同时也可以通过增加气孔的扩散阻力、气孔关闭、减少叶绿素含量、降低叶片水势、ATP酶活性抑制、光能和电子传递受阻等方式来影响光合作用。比如香豆素可以通过阻断CO2的进入通道来降低光合作用效率。Heji 等[39]研究发现，胡桃苷能够抑制浮萍生长，影响叶绿素的含量和净光合速率；还可以抑制豌豆叶绿体释放氧气，影响植物呼吸作用。周凯等[40]研究发现，菊花不同部位和根际土壤水浸液对叶片叶绿素含量、净光合速率和气孔导度均表现出抑制作用，且促进了暗呼吸速率，导致菊花光合作用受到抑制。Yang 等[41]研究了3 种酚酸类自毒物质对水稻幼苗叶绿素酶活性和叶绿素累积的影响，发现随着酚酸类自毒物质的增加幼苗叶片内叶绿素含量下降，叶绿素酶含量与活性均有所增加，即酚酸类自毒物质全面影响了叶绿素的生物合成和降解途径。上述研究表明，自毒物质影响植物的呼吸作用及光合作用，进而抑制植物生长。

2.2.6 对植物蛋白质合成和基因表达的影响 自毒物质可抑制氨基酸运输以及蛋白质和核酸的生物合成，进而影响植物生长发育。大多数生物碱均可与脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）紧密结合，进而改变DNA的裂解温度，阻止DNA的转录和翻译，影响蛋白质的生物合成，同时抑制植物体内蛋白类酶的含量及活性。林茂兹等[42]通过差异蛋白质组学方法研究了连作与轮作的太子参叶片蛋白质的差异表达，结果发现，连作可导致太子参叶片中与植物衰老、病害及抗性相关的蛋白表达量上调，而与光合作用、能量代谢及细胞分裂相关的蛋白表达量显著下调。Baziramakenga等[43]研究酚酸对大豆幼苗中核酸和蛋白质水平的化感作用发现，大多数酚酸类化合物如苯甲酸、肉桂酸、香草酸、阿魏酸等均可降低大豆根系32P 和甲硫氨酸的吸收，而对羟基苯甲酸和香豆酸则呈相反趋势，即酚酸类化合物可降低32P 向DNA 和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）的整合。上述研究证实，酚酸类化感物质对核酸和蛋白质代谢的干扰是它们影响植物生长的主要机制之一。

3 自毒物质的研究方法及消减措施

3.1 自毒物质的研究方法

3.1.1 自毒物质的提取以及生物活性分析陈长宝等[44]以蒸馏水为提取溶剂，对重茬人参床土进行化感物质的提取，经大孔树脂除杂后进行发芽试验测定其生物活性。李勇等[45]等采用甲醇直接对土壤进行浸泡的方法来提取化感物质，研究其对人参种子胚根和胚轴生长的影响来测定其生物活性。Asaduzzaman 等[46]采用水培、活性炭吸附的方法进行化感物质的提取，通过豌豆根的伸长及芽的鲜质量、干质量来进行其生物活性的测定。

3.1.2 自毒物质的分离鉴定 周家明等[47]使用D101 大孔吸附树脂柱层析和硅胶柱层析进行自毒物质粗提物的分离和纯化，将所得化合物通过光谱分析进行结构鉴定。曾任森等[48]采用真空液相色谱和快速层析法分离粗提化感物质，采用质谱核磁共振等方法进行结构鉴定。

3.1.3 自毒物质降解功能菌的筛选 吴锦兰等[49]采用平板对峙法、紫外分光光度法和24 孔培养法进行自毒化感物质降解菌的筛选，得到了同时具有拮抗功能和自毒化感物质降解、杀线虫功能的新萨托菌株SRF5。石瑞等[50]、王罗涛等[51]和唐爽爽等[52]采用添加外源自毒化感物质为单一碳源的筛选培养基，进行自毒物质降解细菌的筛选。

3.2 自毒物质的消减措施

自毒物质的消减措施主要包括土壤改良法、耕作模式改良法和生物防治法。张晓玲等[53]提出营养元素的合理搭配可以减轻部分自毒作用，即采取合理施肥等方法对连作土壤进行改善。王宁等[54]认为，可以采用溴甲烷、氯化苦和棉隆等化学试剂进行土壤消毒。Chen等[55]和欧小宏等[56]建议向重茬土壤中添加活性炭、生石灰、沸石等作为土壤改良剂，以物理吸附原理进行土壤消毒。除土壤改良法外，吴红淼等[57]提出现代农业的单一化耕作模式容易导致土壤恶化，存在连作障碍隐患，建议采用轮作、非寄主作物轮作、间作、混作等耕作模式缓解土壤环境的恶化。在众多自毒物质消减的方法中，生物防治法因具有防治效果好、安全性高、对环境不会造成二次污染等优点成为自毒物质防治的研究热点之一，而生防菌的筛选成为重要的研究课题。喻国辉等[58]研究证实，添加外源微生物制剂可缓解自毒物质对作物的抑制作用。但生物防治中可能存在一些不确定性，李敏等[59]在酚酸类自毒物质的微生物降解转化研究中提出，三氯乙烯经微生物代谢降解后生成了毒性更强的一氯乙烯。

4 展望

综上所述，虽然自毒物质的研究已经取得了一定成果，为解决重茬连作障碍提供了科学依据，但是在实际生产中仍存在许多问题，有待进一步解决。研究证实自毒物质由酚酸类及其衍生物、生物碱等几大类有毒化合物组成，但随着耕作方式的不断发展更新，自毒物质的种类是否会发生变化仍有待研究；现有关于自毒物质对土壤生态环境影响的研究仅局限于已产生连作障碍的研究对象，而对于易发生连作障碍的植物在其生长过程中，因环境及人为施肥等因素对自毒物质的产生和降解，以及由此导致的土壤生态条件变化的研究甚少；目前有关自毒物质降解菌筛选的研究大多是基于以1 种自毒物质为单一碳源的方法进行，但自然条件下连作障碍是土壤中多种自毒物质共同作用的结果，而对于混合型自毒物质降解菌的研究尚未见报道。因此，自毒物质的研究目前仍处于探索阶段，有关自毒物质的研究需进一步深入探索，随着科技进步和生产实际需求，应进一步推动自毒物质的创新研究，为解决种植业连作障碍、推动农业可持续发展提供理论基础和技术支撑。