根系分泌物介导的间作防控土传病害作用机制研究进展*

周远锋，冯 瑞，汤 利

(1.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201；2.农业农村部云南耕地保育科学观测实验站，云南 昆明 650201)

土传病害是指生活史中一部分或大部分存在于土壤中的植物病原性真菌、细菌、病毒和线虫在条件适宜时侵染植物根系而导致的病害，其发生极其普遍[1-5]。土壤中引起土传病害发生的重要病原菌主要有细菌类的链霉菌属(Streptomyces)和欧文氏菌属(Erwinia)，真菌类的镰刀菌属(Fusarium)、轮枝菌属(Verticillium)和丝核菌属(Rhizoctonia)，卵菌中的腐霉属(Pythium)和疫霉属(Phytophthora)等[6]。近年来，随着集约化农业的高速发展，单一作物长期连作及氮肥和农药等农用化学品不合理使用等因素，土传病害日益突出，成为影响作物优质高产、土壤健康和限制农业绿色可持续发展的重要瓶颈之一[1]。

间作是中国传统的、普遍的并在现代农业中发挥重要作用的种植模式。现有研究证明：合理间作可以利用不同生态位改善田间小气候和土壤微生态环境[7-8]，具有增加作物产量[8-11]、提高资源利用效率[12-13]、有效防控病害[12,14-17]、减少温室气体排放[10,18]和提高农田生态稳定性[8,19]等作用。间作防控土传病害的可能机制为：合理间作通过改变根系分泌物的含量和组分[15,20-22]、提高根际微生物群落结构多样性[23-24]、提高作物的物理抗病性和系统抗性[21,25-26]等方式抑制土传病原菌对寄主作物的侵染。合理间作有效防控土传病害已在西瓜||旱作水稻[20]、西瓜||小麦[21,27]、番茄||分蘖洋葱[22]、烟草||万寿菊[13]、玉米||大豆[16]、玉米||辣椒[28]和小麦||蚕豆[15,23,29-34]等体系中得到证实，可有效防控西瓜枯萎病、番茄黄萎病、烟草青枯病、大豆疫霉病、辣椒疫霉病和蚕豆枯萎病等土传病害。Meta 分析表明：间作能平均降低45%的病害发病率，在小麦||蚕豆体系中，对蚕豆枯萎病尖孢镰刀菌的防控效果能够达到51%[14]。

根系分泌物是指植物在生长过程中根系不同部位通过分泌或溢泌作用释放到根际环境中，具有一定溶解性有机物质的总称，可以通过化感自毒作用[35-37]、招募根际微生物[38-42]和改变根际微生态环境[43-44]等影响土传病害的发生。现有研究认为：间作作物根系分泌物在土传病害的防控中也发挥着重要作用。因此，本研究在总结不同间作模式防控土传病害效应、间作影响根系分泌物组分和分泌量等研究的基础上，从土传病原菌非寄主作物根系分泌物对寄主作物根系分泌物的化感作用、土传病原菌非寄主作物根系分泌物的抑菌作用、间作根系分泌物诱导根际微生物变化等方面，综述根系分泌物介导的合理间作防控土传病害的作用机理，以期为利用合理间作有效防控土传病害、促进土壤健康和农业绿色发展提供科学依据。

1 间作对根系分泌物含量和组分的影响

植物根系分泌物的分泌量和组分变化受许多因素影响。现有研究表明：在田间试验、盆栽试验及不同施肥水平下，间作可改变根系分泌物的组分和含量。低分子量根系分泌物(分子量＜1 000 ku)主要包括糖类、氨基酸、有机酸和酚酸等[6]。间作较单作能够提高间作作物根系分泌可溶性糖和氨基酸的能力，这为间作提高根际微生物数量提供了营养物质保障[45-46]；根际有机酸含量的提高是间作活化根际养分、降低铝毒和螯合重金属等的机制之一，间作较单作也促进了间作作物根系有机酸的分泌[47-49]；酚酸类物质是根系分泌物中非常重要的化感物质，对植物的自毒作用也是导致连作障碍的重要原因，研究发现间作较单作减少了酚酸在土壤中的积累[50]。然而，在进行盆栽接种病原菌试验中，根系分泌物的含量和组分发生了明显变化。在寄主作物单作条件下，接种病原菌后能够刺激寄主作物根系糖类、氨基酸、有机酸和酚酸的分泌量增加，而当非寄主作物与寄主作物间作时，接种病原菌后寄主作物根系分泌糖类、氨基酸、有机酸和酚酸的含量显著降低。间作降低了寄主作物根系可溶性糖和氨基酸的分泌量，减少了病原菌生长所需的营养物质，从而抑制了病原菌增殖[15,20,51]。此外，间作还降低了寄主作物根系有机酸和酚酸的分泌量，减少了根际酚酸分泌和土壤积累，减轻了寄主植物的根际自毒效应，减轻了土传病害的发生[15,20,33,52-53]。不同间作模式对低分子量根系分泌物的影响见表1和表2。

表1 未接种病原菌条件下间作改变的根系分泌物含量和组分变化(盆栽试验)Tab.1 Changes of root exudate contents and components in different intercropping patterns without inoculation of pathogenic bacteria (pot experiment)

表2 接种病原菌后间作改变的根系分泌物含量和组分变化(盆栽试验)Tab.2 Changes of root exudate contents and components in different intercropping patterns with inoculation of pathogenic bacteria (pot experiment)

2 根系分泌物介导的间作防控土传病害作用机制

根系分泌物是间作体系中土传病原菌寄主植物—非寄主植物、非寄主植物—病原菌以及病原菌—根际微生物互作关系的重要调控者。间作作物根系分泌物的变化对土传病害的防控具有重要作用。

2.1 间作体系非寄主作物根系分泌物对寄主作物根系分泌物的化感作用

连作障碍是一种典型的植物—土壤负反馈现象，化感自毒作用是连作障碍发生的机制之一，植物根系分泌物和残茬腐解物是化感自毒物质的主要来源[55]。有机酸和酚酸类化感自毒物质对植物种子萌发、幼苗生长、病原菌孢子萌发和菌丝生长都会产生影响，其作用效果主要受不同有机酸和酚酸种类和浓度的影响。有机酸和酚酸类化感自毒物质对植物种子萌发、幼苗生长、病原菌孢子萌发和菌丝生长主要表现为低浓度促进、高浓度抑制的作用[33,51,56-57]。

当寄主作物受到病原菌侵染时，其根系会分泌大量有机酸和酚酸以响应病原菌胁迫，这与植物的抗病性有关[15]，然而大量有机酸和酚酸的累积有助于破坏植物根系细胞结构，使细胞更脆弱，病原菌更容易侵入细胞，促进病害发生[34]。在间作体系中，当寄主作物受到病原菌侵染时，寄主作物与非寄主作物间作后能显著降低寄主作物根系有机酸和酚酸的分泌量，寄主作物能够从自毒作用中得以缓解。这在小麦||西瓜、玉米||大豆和小麦||蚕豆等间作体系中得以证实[15-16,21]。

LYU 等[21]研究发现：在尖孢镰刀菌侵染后，西瓜单作显著促进了西瓜根系有机酸和酚酸的分泌，增加了西瓜根系的化感自毒作用，而小麦||西瓜显著降低了西瓜根系分泌有机酸和酚酸类物质，西瓜根系从自毒作用中得到缓解，同时小麦根系分泌的高浓度香豆酸对西瓜尖孢镰刀菌孢子萌发、产孢量和菌丝生长均有显著的抑制作用，从而减轻了西瓜枯萎病的发生。LYU 等[15]研究表明：外源添加蚕豆专化型尖孢镰刀菌后，随着病原菌的侵染，单作蚕豆显著增加了根系酚酸含量，化感自毒作用明显，而与小麦间作后的蚕豆根系分泌物中酚酸含量显著降低，酚酸类自毒物质(苯甲酸、阿魏酸和肉桂酸)的含量显著降低，这可能是由于小麦||蚕豆根系分泌物含量的增加减轻了蚕豆根系化感自毒作用，从而缓解病害发生。

目前也有研究发现：2 种作物间作后根系分泌物中有机酸和酚酸的种类和浓度差异是间作根系分泌物干扰寄主病原菌侵染的重要因素。ZHANG等[16]研究发现：与大豆单作相比，玉米||大豆的间作根系酚酸分泌种类增加，大豆根系中3 种酚酸(对羟基苯甲酸、低浓度香草酸和阿魏酸)和玉米根系中5 种酚酸(对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸、对香豆酸和肉桂酸)共存，增加了它们在根际土壤中的浓度，能显著抑制大豆疫霉菌对大豆根系的侵染，对大豆疫霉菌具有很强的协同抑制作用。LYU 等[33]通过水培试验研究发现：小麦||蚕豆可调节蚕豆根系分泌有机酸的组成和含量，促进更多“有益”有机酸如(酒石酸和苹果酸)从蚕豆根系中释放，减少了促进尖孢镰刀菌生长、繁殖和活性的“有害”有机酸如(富马酸)分泌；后续试验也证实了酒石酸和苹果酸对尖孢镰刀菌菌丝生长、产孢和孢子萌发具有显著的抑制作用，且随着浓度增加，抑制作用增强。但目前尚不清楚小麦||蚕豆根系分泌物中具体是哪一类化感物质的变化缓解了蚕豆自毒作用，在防控蚕豆枯萎病中起主要作用。

2.2 间作体系非寄主作物根系分泌物对寄主病原菌的直接抑制作用

作物根系分泌物中部分代谢产物具备广谱抑菌活性，常见的玉米、水稻、辣椒、韭菜、麦类和番茄中均含有抑菌活性的黄酮类、酚类和苯并噁嗪类等化合物。这些广谱抑菌活性物质可能是通过诱导病原菌活性氧迸发、抑制病原菌孢子游动和萌发来抑制病原菌的生长[58-60]。在间作体系中，非寄主作物根系分泌物中的关键抑菌物质对寄主作物土传病害病原菌具有显著的抑制作用[28,58-59,61-62]，这可能是间作根系分泌物防控土传病害的机制之一，但不同间作体系的根系化感抑菌物质大不相同。

研究表明：在玉米||大豆体系中，玉米根系分泌的2 种抑菌物质-苯并噁嗪类物质门布(6-甲氧基-2-苯并唑啉酮，MBOA)和苯并噻唑类物质苯并噻唑(BZO)均可显著抑制大豆疫霉游动孢子的游动和其休止孢的萌发能力，显著降低大豆疫霉根腐病的发生，且浓度越高，抑制效果越好[58]。在玉米||辣椒体系中，玉米根系形成“根墙”限制辣椒疫霉菌的跨行扩散，玉米根系产生并分泌的抑菌物质-2,4-二羟基-7-甲氧基-2H-1,4-苯并噁嗪-3(4H)-酮(丁博亚)、MBOA、BZO 和2-(甲硫基)-苯并噻唑(MBZO)对辣椒疫霉菌具有显著的抗菌活性[28]。王菲等[61]研究发现：桔梗||大葱根系分泌物中BZO 和MBZO 的相对含量显著高于桔梗单作，能够抑制土壤中致病菌生长，有效缓解桔梗连作障碍。

在体外抑菌试验中，吴晓婷等[62]证明了大蒜根系分泌物中化感抑菌物质-2,6-二异丙基苯酚和邻苯二甲酸二丁酯对烟草根腐病病原菌菌丝生长和孢子萌发具有较强的抑菌作用；谢一琪等[63]验证了韭菜根系分泌物中化感抑菌物质——邻苯二甲酸二丁酯、2,4-二叔丁基苯酚和2,2＇-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)对苦瓜枯萎病菌菌丝生长和孢子萌发具有显著的化感抑制作用。在小麦||蚕豆体系中，葛狄[64]和GUO 等[4]通过抑菌试验证明了小麦根提取物和根系分泌物对病原菌孢子萌发和菌丝生长具有显著抑制作用，且随着提取物和分泌物浓度的增加，抑制作用增强，表明在小麦||蚕豆体系中，间作小麦可通过根系分泌物来抑制尖孢镰刀菌的促生能力，从而减轻蚕豆枯萎病的危害，但其关键抑菌物质目前尚不清楚。

2.3 间作根系分泌物诱导根际微生物进而影响病原菌对寄主植物的侵染

土壤是一个有机的、动态的生态环境，土壤微生物群落结构失衡和多样性降低会导致根际土壤病原菌数量激增并入侵作物根系[25,65-66]。根系分泌物作为植物—根际微生物—土壤的调节媒介，在根际生物互作中发挥着重要作用，但不同作物根系分泌的代谢产物存在差异，对根际微生物群落结构具有选择塑造性[67-68]。大量研究表明：2 种作物间作时的根系分泌物种类和含量远高于单作水平，作物通过合理间作改变间作根系分泌物的种类和含量，可为微生物在植物根际存活提供更多的营养物质保障，拓宽根际生态位，使更多菌群能够共存，从而调控寄主植物根际微生物的群落结构和多样性，增加拮抗微生物种类和数量，减少病原微生物对寄主植物的侵染[24,69]。根系分泌物引起土壤微生物群落结构变化是间作减缓土传病害的原因之一[46,52,70-72]。

研究表明：与番茄单作处理相比，番茄||分蘖洋葱后的番茄根系分泌物更能吸引假单胞菌和芽孢杆菌在番茄根际定殖，显著提高了番茄土壤假单胞菌属和芽孢杆菌属等有益微生物以及链霉菌属等潜在植物促生微生物和潜在拮抗微生物的丰度，进而提高番茄诱导抗性，抑制番茄黄萎病的发生[46]。在小麦||西瓜体系中，田晴等[73]研究发现：外源添加小麦根系分泌物可降低西瓜根际土壤中总真菌、尖孢镰刀菌和西瓜专化型尖孢镰刀菌的菌群丰度，增加对病原菌有拮抗作用的毛壳菌属和顶孢霉属的相对丰度。小麦根系分泌物引起的西瓜连作土壤真菌群落的变化是小麦||西瓜缓解西瓜枯萎病的原因之一。

在小麦||蚕豆体系中，田间试验和盆栽试验也证明间作根系分泌物和根际微生物的变化是间作防控蚕豆枯萎病的重要因素之一[23,71-72]。研究发现：小麦||蚕豆改善了单一的蚕豆根系分泌物组分，降低了蚕豆根系分泌物对病原菌的促生作用。在盆栽接种病原菌的试验中，小麦||蚕豆较单作显著降低了蚕豆根系糖类、氨基酸、有机酸和酚酸的分泌量，改变了有机酸和酚酸的种类，使根系分泌物对蚕豆根系的组织结构和生理生化抗性都有显著影响[15,34,36]。杨智仙等[72]、董艳等[74]和王宇蕴等[23]的研究也证实：与蚕豆单作相比，小麦||蚕豆能显著改变蚕豆根际微生物群落结构，提高蚕豆根际微生物总量和多样性，显著增加短芽孢杆菌、多黏类芽孢杆菌和荧光假单胞菌的丰度，降低蚕豆根际土壤尖孢镰刀菌数量和丰度，揭示了小麦||蚕豆减轻蚕豆枯萎病的微生物学机制。但小麦||蚕豆根系分泌物差异代谢产物与根际微生物的互作关系及贡献率仍需进一步研究。

3 结论与展望

综上所述，间作对根系分泌物的含量和组分变化都产生了较大影响。合理间作通过改变间作根系分泌物的种类和含量，使非寄主作物根系分泌物对寄主作物根系分泌物产生化感促进作用，降低了寄主作物根系自毒物质的相对含量，减轻了寄主作物根系化感自毒作用。合理间作后，作物根系分泌物种类和含量的增加为微生物在作物根际存活提供了更多的碳源，降低了微生物生态位重叠度，为微生物生长提供更多生态位，更多菌群能够在寄主作物根际共存。微生物群落结构多样性的提高以及拮抗微生物种类和数量的增加，抑制了土传病原菌在土壤中的增殖和对寄主作物根际的侵染。同时，非寄主作物根系分泌的抑菌物质具备广谱抑菌活性，对土传病原菌具有显著的抑制作用也是根系分泌物介导的间作防控土传病害的作用机制之一。

现有研究和生产实践已证明，合理间作是有效防控土传病害、缓解连作障碍、促进农业绿色增产的重要途径，具有重要的科学意义和应用价值。间作作物根系—根系分泌物—土壤微生物的互作是涉及土壤学、植物营养学、农业微生物学、植物病理学和农业生态学等多学科交叉的复杂工程。有关不同间作体系土传病原菌寄主作物与非寄主作物根系分泌物种类和含量的变化及其对寄主作物生理生化特征、病原菌菌丝生长、产孢和孢子萌发产生的化感作用，与土传病害相关的间作根系分泌物差异代谢产物与病原菌、拮抗菌之间的互作关系以及可能发现的更多化感抑菌物质等均有待于进一步研究。因此，今后对根系分泌物介导的间作防控土传病害研究应加强以下方面：(1)目前仍有很多未知组分物质未被鉴定，需进一步完善根系分泌物的收集、提取、分离和鉴定等研究；(2)通过结合代谢组学、转录组学、蛋白组学和基因组学等多组学技术，深入探讨研究间作根系分泌物与根际微生物互作及其防控土传病害的作用机制。