間作防控作物土傳病害的機(jī)理研究進(jìn)展

付學(xué)鵬　吳鳳芝　周新剛

摘要：在對(duì)國(guó)內(nèi)外不同作物間作防控土傳病害的主要成果進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上，深入闡述并分析根系分泌物的抑菌作用、根系分泌物介導(dǎo)的土壤微生物多樣性及誘導(dǎo)作物抗性等對(duì)土傳病害的防控作用，提出未來(lái)需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：間作；土傳病害；根系分泌物；誘導(dǎo)抗性；土壤反饋

中圖分類號(hào)：S435 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002—1302（2016）01—0016—05

土傳病害是指生活史中有一部分或大部分存在于土壤中的病原體侵染作物而導(dǎo)致的病害。土壤病原體有真菌、細(xì)菌、線蟲和病毒等生物體，能夠引發(fā)枯萎病、黃萎病、立枯病、猝倒病、根腐病、青枯病、軟腐病、根結(jié)線蟲病、孢囊線蟲病、根腫病和叢根病等多種作物病害，如大豆菌核病、水稻白葉枯病、小麥禾谷孢囊線蟲病、棉花黃萎病、番茄和黃瓜枯萎病等，嚴(yán)重危害糧食和蔬菜作物，造成糧食、蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)大幅下降。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，由于追求高產(chǎn)，高水肥投入及大面積連續(xù)單一種植等栽培措施的應(yīng)用，造成土壤生態(tài)失衡、病原體大量積累和病害暴發(fā)。土傳病害由于病原體藏身于土壤并可長(zhǎng)期存活，耐逆性強(qiáng)，寄主植物較多，防控相對(duì)較難，如輪枝菌（Verticillium spp.）能夠引起植物的黃萎病，其寄主植物達(dá)200多種，棉花、茄子、番茄等都是該病菌的寄主；尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）也是眾所周知非常普遍的土傳病原體，能夠引起多種植物枯萎病和根腐病。目前，控制土傳病害主要是通過(guò)土壤改良、栽培制度改進(jìn)、抗病品種選用、化學(xué)藥劑施用和生物防治等方式。

作物合理問(wèn)作是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華，在防控土傳病害、促進(jìn)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)有效利用、提高產(chǎn)量和品質(zhì)等方面發(fā)揮著重要的作用。早期研究多集中于間作對(duì)土傳病害防控效應(yīng)的研究，1977年，澳大利亞的Burdon等觀察到大麥/小麥混作能夠有效控制大麥的霉?。煌环N植物不同基因型或品種也可以控制病害，如易感病水稻/抗病水稻間作，能夠抑制易感病水稻稻瘟病的發(fā)生；不同香蕉品種混植，能夠顯著降低危害香蕉最嚴(yán)重的線蟲數(shù)量；馬鈴薯/玉米間作能夠控制馬鈴薯的細(xì)菌性枯萎病。隨著科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，以生物多樣性為基礎(chǔ)的生態(tài)學(xué)思想在植物病理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用豐富了作物病害防控的理論和實(shí)踐，特別是近20年，分子生物學(xué)的發(fā)展為病蟲害防治機(jī)理的研究提供了強(qiáng)有力的手段，如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)廖紅課題組研究大豆/玉米間作發(fā)現(xiàn)，玉米的根系分泌物能夠抑制引起大豆紅冠根腐病寄生帚梗柱孢菌（Cylindrocladium parasiticum）的生長(zhǎng)，并誘導(dǎo)大豆病程蛋白基因的表達(dá)；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)左元梅課題組研究番茄/茼蒿間作發(fā)現(xiàn)，茼蒿根系分泌物中的月桂酸能夠調(diào)節(jié)番茄根結(jié)線蟲的趨藥性，干擾Mi-flp-18基因的表達(dá)，從而控制根結(jié)線蟲的侵染。

近年來(lái)，世界各國(guó)都在廣泛應(yīng)用間作方式以達(dá)到作物防病增產(chǎn)的目的，并摸索出很多能夠有效控制土傳病害的問(wèn)作作物組合，研究的重點(diǎn)也逐漸從現(xiàn)象轉(zhuǎn)向機(jī)理。加快其機(jī)理研究，可有助于對(duì)間作防控土傳病害更加深入的理解和應(yīng)用。本研究在歸納20世紀(jì)70年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于間作防控土傳病害主要成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院課題組的工作，論述問(wèn)作防控土傳病害的可能機(jī)制，探討這一領(lǐng)域研究的不足和發(fā)展趨勢(shì)，旨在為間作控病的應(yīng)用提供一個(gè)基礎(chǔ)的理論依據(jù)和啟示。

1根系分泌物對(duì)病原體的抑制作用

根系分泌物（root exudate）是指在特定環(huán)境下，活的植物通過(guò)根系不同部位釋放到根際環(huán)境中有機(jī)物質(zhì)的總稱，包括糖類、氨基酸類、有機(jī)酸、酚酸類、脂肪酸、甾醇類、蛋白質(zhì)、生長(zhǎng)因子等。根系分泌物中的有機(jī)物質(zhì)不僅能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁┨荚?、氮源，也具有促進(jìn)植物營(yíng)養(yǎng)吸收、種問(wèn)識(shí)別、信號(hào)傳導(dǎo)及對(duì)病原微生物的抑制作用。植物根系分泌物中含有某些對(duì)自身、鄰近其他植物或土壤微生物產(chǎn)生抑制作用的生物活性物質(zhì)即為化感物質(zhì)（allelochemicals），這種抑制作用稱為化感作用（allelopathy）。目前，普遍認(rèn)為根系分泌物中肉桂酸、月桂酸等酚酸物質(zhì)及苯醌、氫化奎寧、皂角苷、幾丁質(zhì)酶等抗毒素類物質(zhì)是抑制病原微生物的化感物質(zhì)。不同植物根系分泌物的組成是不同的，當(dāng)2種或者多種作物間作時(shí)，一種作物根系分泌物的化感物質(zhì)可能會(huì)對(duì)與其問(wèn)作作物的某種致病微生物產(chǎn)生化感作用，從而降低其發(fā)病率和病情指數(shù)。Kcny等發(fā)現(xiàn)，柑橘園中間作藿香可顯著抑制土壤中的真菌性病原菌如疫霉菌、瓜果腐霉和腐皮鐮刀菌，并認(rèn)為這種抑制作用和藿香向土壤中釋放化感物質(zhì)黃酮、勝紅薊素等有顯著關(guān)聯(lián)；西瓜/水稻間作，水稻根系分泌物中的對(duì)香豆酸對(duì)引起西瓜枯萎病的尖孢鐮刀菌孢子萌發(fā)和孢子形成有顯著抑制作用；大豆/玉米間作，根際土壤中的肉桂酸能夠顯著抑制寄生帚梗柱孢菌；番茄/茼蒿間作，茼蒿根系分泌出月桂酸調(diào)節(jié)了根結(jié)線蟲的趨藥性，擾亂線蟲Mi-flp-18基因的表達(dá)以阻止其感染番茄。筆者所在課題組研究發(fā)現(xiàn)，小麥的根系分泌物能夠抑制尖孢鐮刀菌的生長(zhǎng)；分蘗洋蔥根系分泌物能夠抑制引起番茄、黃瓜枯萎病尖孢鐮刀菌的生長(zhǎng)。由此可見，根系分泌物中的化感物質(zhì)對(duì)土傳病原微生物的化感抑制作用，是間作防控土傳病害的重要途徑。

2間作提高作物根際土壤微生物的多樣性

很多學(xué)者認(rèn)為，對(duì)植物土傳病害的抑制在一定程度上是對(duì)土壤微生物群體的作用。根際的非致病菌和致病菌相互作用，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)抑制病原體孢子生成、競(jìng)爭(zhēng)感染位點(diǎn)減少病原體在植物根上的定植等方式以減少病原體的侵染，并且能夠引發(fā)植物的防御反應(yīng)和誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性。微生物群落結(jié)構(gòu)越豐富，多樣性越高，對(duì)抗病原菌的綜合能力就越強(qiáng)。

間作能夠增加土壤生物的多樣性，增加有益微生物的種類和數(shù)量，并減輕土傳病害?；ㄉ?蒼術(shù)間作，顯著改變了土壤無(wú)脊椎動(dòng)物的組成和多樣性，降低了花生幼苗期猝倒病和成熟期根腐??；西瓜/水稻間作，改變了西瓜根際土壤中的微生物區(qū)系，放線菌和細(xì)菌尤其是革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的數(shù)量顯著增加，而真菌數(shù)量減少，尖孢鐮刀菌受到抑制。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院課題組多年研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜和小麥、毛苕子、三葉草、洋蔥、大蒜間作，均顯著提高了黃瓜根際土壤微生物群落的多樣性，降低了黃瓜角斑病、白粉病、霜霉病和枯萎病的發(fā)生。另外，小麥/蠶豆、豌豆/燕麥、紅三葉草/蘋果等相互間作均觀察到這種現(xiàn)象。

叢枝菌根是最普遍的一種菌根真菌，能和大多數(shù)維管植物形成菌根共生關(guān)系，拮抗多種土傳病原菌如絲囊霉屬（Aph-anomyces）、帚梗柱孢屬（Cylindrocladium）、鐮刀菌屬（Fusari-um）、殼球孢屬（Macrophomina）、疫霉菌屬（Phytophthora）、腐霉屬（Pythium）、絲核菌屬（Rhizoctonia）、輪枝菌屬（Verticilli-um）、根串珠霉屬（Thielaviopsis）及線蟲，控制植物病害，特別是土傳病害的發(fā)生。叢枝菌根共生植物對(duì)土傳病害的良好抗性，主要表現(xiàn)在對(duì)病原菌的排斥、植物細(xì)胞壁的木質(zhì)化、根系分泌物的改變、抑制性低分子量化合物的分泌及誘導(dǎo)植物系統(tǒng)產(chǎn)生抗性等。寄主植物會(huì)影響叢枝菌根的群落結(jié)構(gòu)，因此作物間作由于作物的多樣性會(huì)影響叢枝菌根的群落結(jié)構(gòu)，從而對(duì)病害產(chǎn)生影響。研究表明，番茄/韭菜間作，番茄根中的叢枝菌根真菌定植率比單作高20%，并降低番茄枯萎病的發(fā)生；多作物混植可以增加落花生叢枝菌根的定植率；農(nóng)林間作可以提高根際土壤菌根真菌的定植率和多樣性；玉米/田菁間作，菌根真菌也表現(xiàn)出多樣性。

菌根真菌的多樣性變化和其他土壤微生物一樣，可能和植物的根系分泌物有關(guān)。間作中，由于根系分泌物的成分和數(shù)量較單作不同，影響了菌根真菌的多樣性，而菌根的多樣性對(duì)植物病害發(fā)生產(chǎn)生一個(gè)積極的負(fù)反饋，減輕或控制了作物病情的發(fā)生和發(fā)展。問(wèn)作系統(tǒng)中根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化也可能和根系分泌物有關(guān)，一方面，根系分泌物中某些成分對(duì)微生物具有吸引作用，這類具有趨化性的細(xì)菌或真菌能夠在根際中大量聚集和繁殖，從而對(duì)病原菌產(chǎn)生抑制和拮抗作用，抑制與其毗鄰作物病害的發(fā)生。Bacilio-Jimonez等研究發(fā)現(xiàn)，水稻的根系分泌物能夠誘導(dǎo)內(nèi)生菌的趨藥性；Mendes等發(fā)現(xiàn)，種植于抑病型土壤的甜菜，其根際優(yōu)勢(shì)群落普遍為拮抗病原菌的微生物，尤其是假單胞菌在抑病型土壤中的數(shù)量極顯著高于利病型土壤，并認(rèn)為這是由根系分泌物介導(dǎo)下植物與根際特異微生物共同作用的結(jié)果；玉米根系分泌物中的丁布能吸引有益菌熒光假單胞菌向玉米根際富集；西瓜根系分泌的蘋果酸、檸檬酸能夠富集多黏類芽孢桿菌SQR-21。另一方面，植物能夠不斷地調(diào)整自身根系分泌物的組成和數(shù)量來(lái)積極響應(yīng)周圍環(huán)境的變化，間作條件下，間作作物可以誘導(dǎo)毗鄰作物根系分泌物組分、分泌量的改變，吸引有益菌，抑制病原菌。楊智仙等研究表明，蠶豆和小麥問(wèn)作增加微生物多樣性的原因可能與根系分泌物有機(jī)酸含量的增加及可溶性糖、游離氨基酸含量降低有關(guān)，并認(rèn)為問(wèn)作中根系分泌物一根際微生物的互作是影響蠶豆枯萎病抗性的重要原因；小麥/蠶豆間作，根系分泌物中的有機(jī)酸分泌量和種類都較單作時(shí)顯著提高；西瓜/旱作水稻間作，西瓜根系分泌物中的蘋果酸、草酸和延胡索酸有顯著降低；馬唐、反枝莧、野燕麥對(duì)小麥根系分泌物丁布含量的增加有明顯的誘導(dǎo)作用。

因此，合理問(wèn)作改變了作物根際土壤微生物的多樣性，反過(guò)來(lái)微生物的多樣性變化抑制了病原菌，促進(jìn)了作物生長(zhǎng)，這種“反饋”作用可能是問(wèn)作防控土傳病害的又一重要途徑。

3提高作物的抗病性

植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中受到病原物的侵?jǐn)_，在與病原物相互作用、相互適應(yīng)、相互選擇乃至協(xié)同進(jìn)化過(guò)程中，植物獲得一系列復(fù)雜的防御機(jī)制保護(hù)自身，來(lái)減輕病害的危害。一方面，植物自身的某些物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分如細(xì)胞壁的角質(zhì)、蠟質(zhì)、木質(zhì)素等，以及產(chǎn)生抑制病原物的有機(jī)物如植保素、毒性酚類小分子化合物等具有抗病效果，這些物質(zhì)通過(guò)根系分泌物的形式分泌到根際對(duì)病原物產(chǎn)生化感作用；另一方面，在某些因子刺激下可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性，從而在病原物侵染下，啟動(dòng)抗性相關(guān)的分子和生理生化過(guò)程，防御病原物的侵襲。

3.1間作改善作物根際營(yíng)養(yǎng)，提高作物的物理抗病性

礦質(zhì)養(yǎng)分是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的，一方面可以作為植物組織的構(gòu)成成分或直接參與新陳代謝而起作用；另一方面也可通過(guò)改變植物的生長(zhǎng)方式、形態(tài)和解剖特征，如使表皮細(xì)胞加厚、高度木質(zhì)化或硅質(zhì)化，形成機(jī)械屏障增強(qiáng)其抗病能力。Zhang等在間作改善作物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的研究中作出巨大貢獻(xiàn)，在國(guó)內(nèi)外同行的研究中處于領(lǐng)先地位，其研究表明，間作可以顯著改善作物的氮、磷、鉀及微量元素含量等，而作物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的改變影響著作物的物理抗病性；肖靖秀等在間作改善作物營(yíng)養(yǎng)與控制病害關(guān)系方面的研究較多，如小麥/蠶豆間作，蠶豆改善了小麥的氮、鉀營(yíng)養(yǎng)狀況，從而抑制了小麥銹病及白粉病的發(fā)生，小麥/蠶豆間作，改善了蠶豆的錳營(yíng)養(yǎng)，降低了蠶豆葉赤斑病的發(fā)生，間作水稻的氮含量下降，降低了水稻稻瘟病的發(fā)生。但是，關(guān)于間作改善作物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)與病蟲害減輕之間相互關(guān)系的研究相對(duì)比較少，值得更深入的研究。

3.2間作提高作物的系統(tǒng)抗性

間作能提高作物抗性基因的表達(dá)和防御酶活性，從而使植株的系統(tǒng)抗性提高。玉米/大豆間作，根的相互作用改變了大豆病程蛋白PR基因的表達(dá)及相應(yīng)酶的活性，從而表現(xiàn)出對(duì)病原體較大的抗性。盧國(guó)理等研究主栽雜交稻合系-41和易感稻瘟病的優(yōu)質(zhì)糯稻黃殼糯間作發(fā)現(xiàn)，間作黃殼糯葉片中總酚、類黃酮含量提高，稻瘟病發(fā)生降低；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院課題組對(duì)問(wèn)作（伴生）提高作物抗性方面做了較多探索，發(fā)現(xiàn)伴生小麥提高了西瓜POD、PAL、SOD等防御酶的活性和幾丁質(zhì)酶、β-1，3-葡聚糖酶等病程蛋白基因的表達(dá)，提高了西瓜的抗性，西瓜枯萎病、白粉病的發(fā)病率降低。間作中作物系統(tǒng)抗性的提高可能和根系分泌物及土壤微生物有關(guān)。作為根系分泌物中的重要組分，水楊酸可以誘導(dǎo)西瓜、番茄提高對(duì)尖孢鐮刀菌的抗性；土壤中綠膿假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）分泌的水楊酸能夠使大豆獲得抗性；土壤中的有益微生物如熒光假單胞菌和菌根真菌也可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性。

植物誘導(dǎo)抗性是通過(guò)植物后天免疫實(shí)現(xiàn)的具有廣譜性、持久性和選擇性的病害防御措施，是提高植物抗病性的有效途徑。目前，對(duì)間作提高作物系統(tǒng)抗性的現(xiàn)象及機(jī)理研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，值得關(guān)注。

4展望

間作對(duì)作物土傳病害的防控往往是根系分泌物、土壤微生物及土壤礦質(zhì)養(yǎng)分等多種因素的綜合作用，其中根系分泌物在土傳病害的防控中發(fā)揮著重要作用，可以直接抑制病原菌、吸引有益菌、改變土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)，而微生物群落的多樣性又可以抑制病原菌，還可以促進(jìn)作物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收，提高物理抗性及誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性。

間作防控土傳病害的機(jī)理研究雖然取得一定進(jìn)展，但還存在一些不足。近年來(lái)，間作防控作物病害多集中于根系分泌物的化感作用，對(duì)誘導(dǎo)作物抗性的研究鮮有報(bào)道，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院課題組已經(jīng)注意到這個(gè)問(wèn)題，并且加大了相關(guān)研究的力度和深度。另外，間作提高了土壤微生物的多樣性，而生物多樣性對(duì)間作防控病害的貢獻(xiàn)也鮮有直接的證據(jù)，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)相關(guān)課題組目前已經(jīng)開展一些相關(guān)研究。

間作存在著“植物-植物-土壤-土壤生物”的復(fù)雜關(guān)系，雖然根系分泌物、土壤營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、土壤生物多樣性都可能對(duì)抑制土傳病害發(fā)揮一定作用，但總的來(lái)說(shuō)是間作造成土壤環(huán)境的改變，進(jìn)而影響了作物病害的發(fā)生。目前，各種因素對(duì)土壤的影響、土壤的反饋?zhàn)饔眉捌錂C(jī)制研究正逐漸成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。每種植物都具有影響土壤有機(jī)質(zhì)、土壤營(yíng)養(yǎng)可用性、土壤微生物群落組成的能力，且能力大小不同，而每種植物對(duì)土壤性質(zhì)的影響反過(guò)來(lái)會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)環(huán)境產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)，對(duì)土壤反饋的認(rèn)識(shí)和了解將會(huì)進(jìn)一步闡明間作系統(tǒng)防控土傳病害的機(jī)理。