地黄连作障碍研究进展

罗梦香, 张森, 周旺, 王毅博, 史明子, 郝尚华, 王明道

(河南农业大学生命科学学院,河南 郑州 450002)

地黄Rehmanniaglutinosa属于玄参科Scrophulariaceae 地黄属Rehmannia,多年生草本植物。一般在4月种植,10月采收[1]。其块根可入药,具有很高的药用价值。在《神农本草经》中首次记载,被列为上品药材[2]。地黄属于道地药材,据《本草纲目》记载:“今人以怀庆地黄为上”;《本草从新》中写道:“以怀庆肥大而短,糯体细皮,菊花心者佳”[3],故称之为怀地黄,怀地黄与怀菊花、怀山药、怀牛膝并称为中国的“四大怀药”[4]。在今河南的温县、武陟、博爱、沁阳等地区是地黄的道地产区[5]。地黄喜温耐旱,适宜生长在光照充足的环境中,温县、武陟等地区地势平坦,土壤多为黄河冲积形成的沙壤土,土质疏松,光照充足,气候温和,天然的气候条件正适合地黄的生长[6-7]。地黄在种植的过程中存在着一个严峻的问题—连作障碍[8]。连作障碍严重制约着地黄的产量和品质,对地黄产业发展造成相当大的损失。

1 地黄连作障碍

1.1 连作障碍

连作障碍是指在同一块土地上,以相同的栽培条件管理,连续种植同一种或亲缘作物,导致作物生长状况不良、产量较低、病虫害发生加重、品质下降[9]。近年来中医药学发展前景越来越好,中国对中药材的需求量也随之越来越大。在药用植物栽培的过程中普遍存在连作障的现象,据统计,约有70%的根茎类药用植物在种植时会受到连作障碍的影响,如地黄、白术、三七、人参、半夏、西洋参、当归等。连作障碍这一问题已经成为制约中国药用植物发展的关键性因素[10-11]。

1.2 连作障碍的危害

地黄连作通常表现为:植株地上部分冠幅、叶片较小,叶片数减少;地下部分块根无法正常膨大,须根增多,不能形成可入药的商品药材;病虫害侵染植株比较严重,植株在生长的过程中多病易死[12]。试验结果表明,种植后大约50 d,地黄的生长就开始显现出连作效应。随着地黄的生长,头茬地黄和重茬地黄的差异愈来愈明显。在地黄生长苗期,其体内的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性开始下降,且丙二醛(MDA)含量显著高于头茬地黄。这表明地黄在受到连作胁迫时,活性氧和自由基在细胞内积累,机体的抗氧化系统受到破坏,脂质过氧化程度显著增高,从而使细胞膜的结构和功能受到了不同程度的损伤[12]。此外,重茬地黄体内的叶绿素含量、气孔导度和根系活力均低于同期的头茬地黄,使得重茬地黄的光合能力减弱,生长发育受阻,块根的膨大受到了抑制[13-14]。

2 连作障碍的形成机制

地黄是受到连作障碍影响最严重的药用植物之一,其连作障碍的形成机制比较复杂,是多种因素共同作用的结果,这些因素相互作用,又相互制约。研究表明,可将连作障碍机制概括为土壤理化性质劣化、土传病虫害加剧和植物的化感自毒作用[15]。现在认为化感自毒是造成连作障碍的主要原因之一。

2.1 土壤理化性质劣化

2.1.1 土壤养分失调 药用植物在生长的过程中对土壤中矿质元素和微量元素的吸收具有选择性,在同一块土壤上长期连续种植地黄往往会导致特定营养元素的缺失,如果不及时补充所亏缺的元素,地黄的生长将会受到胁迫,病虫害也会随之加剧[16]。连作通常会使土壤的黏粒粒径增加,团粒结构被破坏,孔隙度降低,透气性变差,板结变硬,最终导致土壤的物理性状劣化,使地黄的抗逆性下降,生长受到抑制[16-17]。

2.1.2 土壤盐渍化 由于缺乏对连作障碍的科学认知,农户在种植的过程中通常会加大农药和化肥的施用量,结果却收效甚微。这不仅增加了种植的成本,而且未被利用的化肥会残留在浅层耕作的土壤中,会导致农残指数超标,土壤环境被污染和农田生态系统遭到破坏,从而影响地黄的生长。

在重茬土壤中种植地黄,根系分泌的化学物质会在土壤中过量积累,使土壤的酸碱平衡被破坏,土壤pH降低。土壤pH改变会影响土壤中矿物质养分的有效性,进而影响地黄根系对养分的吸收利用。滥用化肥会造成土壤盐渍化,土壤溶液浓度增加,渗透势变高,影响作物吸收水分和营养,造成植株生长发育不良,导致地黄品质受到影响[18]。

2.2 土传病虫害加剧

一般情况下,作物与土壤微生物之间会形成一个良好的平衡关系,互利共生。作物长期连作时,土壤中会滋生大量的害虫和有害微生物,导致病原体增多,土传病虫害加剧[19]。通过对黄瓜连作障碍的研究证实,大量的病原微生物引起的病虫害增多与黄瓜连作密切相关[20]。有研究表明,地黄连作时土壤中病原微生物及线虫数量增多,会引发地黄的根腐病、茎腐病[21]。

2.3 植物的化感自毒作用

植物在生长发育的过程中,会向环境释放一系列的代谢产物,如通过根系分泌有机酸、香豆素等物质,去活化矿质元素、缓解离子毒害、招募益生菌群等,这些有机物也会影响周围其他植物的生长,引起植物间相互排斥或促进的现象。

2.3.1 植物的化感作用 化感作用是指植物或者微生物向周围的环境中释放出某些化学物质,这些物质可能会影响邻近的植物或者微生物的生长发育。化感作用是在根系分泌物介导下的植物-土壤-微生物3者相互作用的结果,包括自毒作用、自促作用、化感偏害作用和互惠作用[22]。植物分泌的化感物质能够影响植株的呼吸作用、光合作用、体内的氧化还原反应、激素水平、改变细胞膜的功能和渗透性及根系对矿物质营养元素的吸收[23]。

2.3.2 化感自毒物质 化感物质都是次生代谢产物,包括萜类、酚类、生物碱、炔类等,主要是萜类和酚类[24]。地黄中常见的酚酸类物质有香豆酸、香草酸、丁香酸、阿魏酸和对羟基苯甲酸[25-26],这些酚酸类物质被认为是潜在的化感自毒物质[27]。研究表明,与对照土样相比,种植过1 a地黄的根际土样,土壤中酸性化感物质含量增加,如阿魏酸、香草酸、香草醛等[28]。通过高效液相色谱法对地黄不同生长发育阶段根际分泌酚酸的含量进行测定,结果表明,丁香酸在化感自毒物质中起着主导作用[29]。

2.3.3 化感自毒物质作用机制 地黄连作障碍是在土壤这个“暗箱”中形成的,以地黄根际为中心,由地黄自身、微生物群落、化感自毒物质和土壤生态环境等多种因素共同作用导致的。如多米诺骨牌效应一样,化感自毒物质在土壤中过度积累,有害微生物种群数量会随之增多,有益微生物数量减少,影响植株的生长代谢,继而引发一系列的连锁反应,最终导致连作障碍的发生[30]。

通过变性梯度凝胶电泳对头茬和重茬地黄在不同生长时期的微生物种群进行分析,结果表明,地黄生长导致细菌数量减少,连作后真菌多样性和数量都有所增加[31]。重茬地黄根际土壤中微生物总量和多样性低于头茬地黄,且细菌/真菌比例下降,根际土壤微生物逐渐由“细菌型”向“真菌型”进行转变[32]。在化感物质的介导下,炭疽菌等病原微生物在重茬根际土壤中大量聚集,肆意生长,使得重茬根际土壤中有益微生物减少,有害微生物数量增加,尖孢镰刀菌和黄曲霉这两种病原真菌的数量均随连作年限的增加而显著增加[33-36]。

在头茬地黄根际土壤中,富集大量的有益微生物,如芽孢杆菌属、假单孢菌属和类芽孢杆菌属等,产生的芽孢能够抵抗外界的不利条件,还可以降解地黄根系分泌的化感物质,提高了土壤肥力,加快了地黄对营养物质的吸收利用,促进地黄的生长。此外,假单孢菌和芽孢杆菌作为有生防潜力的微生物,可以抑制病原菌的生长,对土壤中的病原真菌有较强的拮抗活性,具有很好的生防效果[37-38]。重茬土壤中群落结构单一化,有益微生物丰度降低,导致地黄连作时土壤抵抗病原菌侵染的能力下降。同时,重茬土壤中致病菌含量激增,打破了微生物菌群功能的协调性,对块根的膨大造成负面的影响[39-40]。

3 地黄连作障碍的缓解措施

近年来,越来越多的专家学者们注意到了药用植物连作障碍这一亟待解决的问题,地黄作为连作最严重的药用植物之一,成了广大学者研究的热点。目前对于连作障碍的研究不够系统和深入,其中的内在机制还未被揭示。因此,无法从根本上解决这一问题,然而通过选用抗连作的优质品种、强还原土壤灭菌、土壤淹水处理、添加食用菌菌渣、施加修复微生物菌剂等方法,对地黄连作障碍有一定的缓解效果。

3.1 优质地黄品种的选用

地黄栽培品种多样,现已育成的有60多个,如金状元、温85-5、红薯王、北京3号、沁怀1号等。不同的品种在植株形态、地黄品质、平均产量以及抗逆性等方面有着较大的差异。以北京3号,硬三块和温85-5为试验材料进行连作,结果发现,北京3号出苗较早,有块根膨大,另外2个品种没有形成块根,说明北京3号有一定的抗连作性[41-42]。以18个不同的地黄品种进行试验,研究表明,金状元块根抗连作指数最大,受到连作障碍的影响最小,但是地上部分受到的影响较大[43]。因此,可以对地黄的优质品种进行筛选鉴定,通过单交,双交或者杂交的方式,培育出道地性较好,耐连作较强的新品种。

3.2 强还原土壤灭菌对地黄连作障碍的缓解

强还原土壤灭菌是指向土壤中添加易降解的有机质(苜蓿、麦麸、秸秆、甘蔗渣等),然后淹水覆膜,发酵结束后撤膜排水把土壤晾干[44-45]。强还原土壤灭菌处理可以有效的控制土壤中土传病原菌的生长。同时,淹水处理后土壤中的有机质,速效磷,速效钾和碱解氮的含量都有所提升,有效的改良了土壤的理化性质,改善地黄的连作障碍问题。对连作后的地黄土壤进行强还原处理,处理后的地黄梓醇含量是对照组的4.45倍,多糖含量是对照组的3.00倍[46]。

3.3 淹水处理对地黄连作障碍的缓解

将处理组土壤灌溉至最大储水量,上面覆膜以隔绝空气,30 d后拆膜晒干。淹水处理的地黄单株鲜质量提高了46.7%,土壤的细菌群落多样性和丰度显著提高。其中有益细菌属,如假单孢菌属等为处理组的优势菌群,在连作土壤中占据有利的生态位[46]。

3.4 菌渣处理对地黄连作障碍的缓解

菌渣是指食用菌栽培后剩余的营养基质,在农业生产中属于废弃物。地黄种植后阿魏酸、香草醛、香草酸和对羟基苯甲酸会在土壤中积累。有研究表明,菌渣提取液可以降解这些酚酸类化合物。食用菌渣发酵后施加到土壤中,可以改良土壤的理化性质,调节土壤的温度和湿度[47]。通过杏鲍菇菌渣处理重茬地黄,结果表明,处理组地黄地上部位的农艺指标与头茬地黄的水平相近,与重茬组相比,处理组块根的鲜质量和干质量分别提高了2.70%和3.66倍,梓醇的质量提高了2.25倍[48]。

3.5 微生物菌剂对地黄连作障碍的缓解

向重茬土壤中施加不同的微生物菌剂,对地黄块根的膨大均有一定的促进作用,但是并没有减轻地黄连作时严重的病虫害问题[49]。用微生物菌剂处理重茬土壤,随着种植时间的延长,处理组的叶片叶绿素含量高于对照组,叶片中膜脂质过氧化的程度下降,地黄的抗逆性有了提高[50-52]。不同的微生物菌剂使地黄块根中梓醇和毛蕊花糖苷的含量有不同程度的提高。施加芽孢杆菌菌剂后土壤中有机质含量先上升后下降,提高了地黄块根膨大期土壤中有机质的含量;土壤中全氮的含量升高;土壤酶活性也有了显著提升。

4 展望

在中国地黄栽培历史悠久,具有很高的经济价值和药用价值。在实际生产过程中,对栽培技术的要求比较严苛,不仅要注重产量,更要关注品质问题。地黄的品质往往取决于其药用成分的含量,在临床用药中发挥着举足轻重的作用。地黄加工炮制方式多样,分为生地黄、熟地黄和鲜地黄。不同的炮制方式会使地黄的化学成分发生变化,药理作用也会随之改变。从地黄中分离得到了200多种化学成分,包括多种可入药的药用成分,梓醇和毛蕊花糖苷是衡量地黄品质的重要指标。地黄作为大宗药材,对机体的免疫系统,血液循环系统和心脑血管系统等具有一定的调节作用,在临床试验中应用十分广泛。随着中医药学的发展,在医学领域对地黄的需求量越来越大,解决连作障碍这一问题迫在眉睫。

地黄连作障碍机制错综复杂,是以根际为中心,植物、土壤和微生物相互作用的结果。地黄残茬及生长过程中地上部分的凋零物在土壤中腐蚀发酵,分泌的化感物质在土壤中积累,会招募大量的有害微生物在根际聚集,同时有益微生物数量减少,这对地黄块根的膨大有抑制作用。在根际土壤中,分泌物和微生物时刻在相互作用,这个复杂的微生态世界又何尝不是一个“浩瀚宇宙”,其复杂性难以想象。

针对于地黄连作障碍的研究,虽然在机制探究和消减策略方面取得了一定的成果,但是还有很多问题需要深入探究去解决。

1)现阶段的研究只是触及到了这个复杂地黄根际世界的边角,还处在比较片面的过程或阶段,这些方法的有效性和实用性均需要进一步的验证。

2)连作障碍的形成涉及植物、根系分泌物、土壤、根际微生物等多元系统,在未来的研究中可以深入研究这些系统之间的互作关系,通过这些系统间的促进、互益、抑制、拮抗、对峙、消长等多重互作机制关系,来补充和延展涉及作物栽培学、根际生态学等学科的问题。

3)通过多组学和高通量测序技术对连作障碍进行探究,可以从基因水平和蛋白水平入手,对连作土壤中的化感物质积累及微生物群落变化进行解析,为揭示地黄连作原理,阐明其抑制块根膨大的分子机制提供依据,为连作障碍的研究提供新思路。

4)连作障碍成为制约地黄生产发展的主要问题,目前,学者们尝试了多种方法试图解决这一棘手的问题,对重茬土壤进行灭菌、选用优质品种、水淹处理、菌渣处理等,这些技术方法对连作障碍均有一定的缓解作用,但是无法从根本上解决问题。想要解决连作障碍这一问题,必须从连作机制入手,各个学科协同,才能从根本上消除连作障碍。