丁婷婷，王曉瑜，段廷玉

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州，730020）

豆科(Leguminosae)牧草是栽培草地中最主要的物種，2015年我國(guó)僅紫花苜蓿(Medicago sativa)播種面積在 6 000萬(wàn)畝(約合 400 hm2)以上，是我國(guó)種植面積最大的牧草品種[1]。病害是豆科牧草生產(chǎn)的主要限制因素之一，不僅降低了牧草產(chǎn)量和質(zhì)量、縮短了草地利用年限[2]，一些牧草病害亦會(huì)導(dǎo)致家畜中毒，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)共發(fā)現(xiàn)豆科牧草真菌病害764種，占我國(guó)牧草病害的27%[4]，其中主要包括銹病[5]、白粉病[6]、根腐病[7]、霜霉病[8]等。常見(jiàn)牧草病害一般可致栽培草地牧草年產(chǎn)量降低15%～50%，平均損失率為26%[3]，若按病害使栽培草地牧草產(chǎn)量年均降低10%計(jì)算，我國(guó)栽培草地每年由于病害造成的經(jīng)濟(jì)損失約為130億元，相當(dāng)于國(guó)家每年對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)目偼度搿?/p>

根瘤菌(Rhizobium)普遍存在于土壤中，可與絕大多數(shù)豆科植物共生形成根瘤，其可通過(guò)固氮酶將大氣中的游離態(tài)氮轉(zhuǎn)化為可供植物吸收利用的化合態(tài)氮，促進(jìn)植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收、改良植物根際的生長(zhǎng)環(huán)境，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[9-10]。此外，根瘤菌可通過(guò)分泌次生代謝產(chǎn)物、激活寄主的防御機(jī)制等途徑，減少病害發(fā)病率并提高植物抗病性[11]。一些植物病害則會(huì)影響植物根瘤的形成，降低根瘤質(zhì)量和根瘤菌固氮酶活性等。

隨著國(guó)家推行“糧改飼”試點(diǎn)，全面推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，大力發(fā)展草牧業(yè)、綠肥產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)2020年化肥、農(nóng)藥零增長(zhǎng)目標(biāo)等一系列政策的推行，豆科牧草種植面積日益增加，豆科作物作為牧草、綠肥病害防控需求日益突出。國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系2007年和2017年分別設(shè)立了國(guó)家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，專門(mén)研究牧草和綠肥病害防控。研究病害防控首先要明確病害對(duì)牧草生產(chǎn)的影響，尤其是對(duì)牧草光合生理、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及根瘤的影響，在此基礎(chǔ)上研究適宜的防控措施，將病害控制在經(jīng)濟(jì)閾值之下。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)豆科牧草病害研究多為基礎(chǔ)性工作，關(guān)于病害對(duì)豆科牧草光合作用、生理生化及根瘤形成等影響的報(bào)道尚不多，與傳統(tǒng)糧食作物相比，有關(guān)豆科牧草病害的研究無(wú)論是在研究的廣度還是深度方面，均存在巨大差距，尤其是病原菌-植物互作機(jī)理方面的研究，少有報(bào)道，同時(shí)，鑒于國(guó)家綠色發(fā)展理念、振興鄉(xiāng)村戰(zhàn)略的需求，很有必要對(duì)現(xiàn)有工作做一整理和歸納，以期為深入開(kāi)展豆科牧草/綠肥作物病害研究和防控提供儲(chǔ)備。

1 病害對(duì)豆科牧草光合作用的影響

豆科植物病害可降低植物的光合速率(表1)，影響植物的正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致牧草產(chǎn)量降低。病害能改變?nèi)~片形狀，減少葉片面積，銹病、霜霉病、白粉病等葉片病害，其病原物還可形成霉層，通過(guò)覆蓋植物葉片減少植物光照面積，影響光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換、電子傳遞及光合磷酸化，從而影響植物的光合速率。如，李彥忠[12]在田間和溫室條件下，研究由埃里磚格孢(Embellisa astragali)引起的沙打旺(Astragalus adsurgens)黃矮根腐病，發(fā)現(xiàn)該病害不僅引起植株葉片脫落、新葉變小、皺縮、黃化，直接減少光合面積，同時(shí)導(dǎo)致植株的株形收縮而不能自然舒展，間接減少其有效光合面積。條紋單孢銹(Uromyces striatus)引起的紫花苜蓿銹病，銹菌孢子堆破裂破壞植物表皮，可引致紫花苜蓿光合作用下降，呼吸強(qiáng)度上升；苜蓿霜霉病菌(Peronospora aestivalis)導(dǎo)致紫花苜蓿葉綠素含量下降28.4%～68.6%，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降[13]。病害除通過(guò)影響植物葉面積降低其光合作用外，還可降低植物體葉綠素含量，抑制光系統(tǒng)的正常作用。Hwang等[14]通過(guò)溫室盆栽試驗(yàn)，研究葉斑病對(duì)紫花苜蓿光合作用、蛋白質(zhì)含量和種子產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，染病后嚴(yán)重褪綠的葉片葉綠素a在光系統(tǒng)中的含量略有下降，兩個(gè)重要的熒光誘導(dǎo)參數(shù)(t1/2和Fv/Fm)值減小，對(duì)光系統(tǒng)Ⅱ有抑制作用。

根系作為植物整株的重要組成部分，在植物水分、養(yǎng)分吸收等生理生化反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，因此植物根系的健康也關(guān)系到其地上、地下部分整體的物質(zhì)、信息循環(huán)。由鐮刀菌(Fusarium spp.)和立枯絲核菌(Rhizoctonia solani)引起的苜蓿根腐病亦會(huì)影響植物光合作用，植物葉片產(chǎn)生病斑或葉片枯黃，枝條萎蔫或部分組織死亡[15]。樊秦和李彥忠[16]發(fā)現(xiàn)苜蓿莖點(diǎn)霉(Phoma medicaginis)通過(guò)降低葉片中光合電子傳遞效率、羧化效率等產(chǎn)生光抑制，從而降低植物的光合效率。

病害也可影響植物吸收同化CO2，破壞其葉肉細(xì)胞氣孔，從而直接降低植物凈光合速率。李楊等[17]通過(guò)田間采取苜蓿褐斑病的葉片，測(cè)定發(fā)現(xiàn)，植物凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度等與病斑嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并認(rèn)為是葉肉細(xì)胞壞死，葉綠體被破壞所致。研究發(fā)現(xiàn)，病原菌產(chǎn)生細(xì)胞壁降解酶加速葉片組織降解[18]。在田間自然發(fā)病條件下，感染褐斑病的苜蓿葉片的光合速率隨病害嚴(yán)重度的增加而急劇下降，且病害對(duì)苜蓿光合速率的影響不僅限于存留在莖稈上的葉片，同時(shí)使整株植物同化CO2的能力下降[19-21]。

表1 病害對(duì)豆科牧草光合作用的影響Table 1 Effect of diseases on leguminous forage plants and photosynthesis

2 病害改變豆科牧草營(yíng)養(yǎng)成分

植物病害可導(dǎo)致豆科牧草營(yíng)養(yǎng)成分的改變，進(jìn)而影響到牧草品質(zhì)(表2)[22-25]。葉片是牧草蛋白質(zhì)、灰分等養(yǎng)分的重要來(lái)源，葉片病害對(duì)牧草中營(yíng)養(yǎng)成分的影響較大。病害導(dǎo)致牧草中粗蛋白、粗脂肪等含量下降，粗纖維、粗灰分、鈣、磷等含量升高，降低了牧草的適口性，從而影響對(duì)家畜的飼喂性能[19,21]。如在大田試驗(yàn)條件下對(duì)由苜蓿假盤(pán)孢菌引致的苜蓿褐斑病研究發(fā)現(xiàn)，感病葉片的鈣、磷、粗灰分含量均有增加，且嚴(yán)重度越高增加的比例越大，粗脂肪、粗蛋白、無(wú)氮浸出物的含量則隨嚴(yán)重度的增加而下降[22]。對(duì)甘肅省紅豆草(Onobrychis viciaefolia)病害的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，紅豆草感染莖點(diǎn)霉(Phoma spp.)后，粗蛋白和粗灰分含量降低，酸洗纖維、粗脂肪、鈣磷含量升高[23]。在田間試驗(yàn)條件下發(fā)現(xiàn)，苜蓿褐斑病除引起粗蛋白、粗脂肪、鉀含量下降外，還會(huì)使中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、粗灰分、鈣、總酚、單寧含量增加，降低牧草適口性[24]。單寧、多酚等天然多酚活性物質(zhì)的增加，可能是由于病原菌使寄主體內(nèi)次生代謝增強(qiáng)以保護(hù)自身免受病原菌的侵襲。作為重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，患病植株中粗蛋白、粗灰分、粗脂肪等的變化除降低牧草的適口性、影響家畜采食外，粗蛋白含量下降還可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物對(duì)牧草的消化率下降。Godfrey等[26]通過(guò)大田試驗(yàn)對(duì)苜蓿有害生物對(duì)牧草消化率、蛋白質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分的研究發(fā)現(xiàn)，象鼻蟲(chóng)(Sitona hispidulus)幼蟲(chóng)使其降低粗蛋白含量 ≤ 1.07%，苜蓿象甲(Hypera postica)幼蟲(chóng)使體外消化率從63.74%降至61.39%，影響效果極顯著(P＜0.001)，并認(rèn)為是由于干物質(zhì)減少和營(yíng)養(yǎng)成分損失造成。Loper等[27]認(rèn)為粗蛋白的減少是因?yàn)椴『κ怪仓臧贝x與氮運(yùn)輸失調(diào)，或病害引起葉片早熟，也有可能是病原菌利用苜蓿葉片中的蛋白質(zhì)合成和更新自身物質(zhì)，從而使牧草中蛋白質(zhì)含量下降，但具體原因未深入探究。

表2 病害對(duì)豆科牧草營(yíng)養(yǎng)成分的影響Table 2 Effect of disease on nutrients of leguminous forage plants

3 病害減少豆科牧草根瘤形成

病害影響豆科植物的根瘤形成主要包括影響根瘤的數(shù)量、重量、大小等(表3)，還會(huì)導(dǎo)致病株上出現(xiàn)無(wú)效根瘤[28-32]，并影響根瘤的正常結(jié)構(gòu)。如，紫花苜蓿的霜霉病[28]、由疫霉屬(Phytopbtbora megasperma)和鐮刀屬引起的紫花苜蓿根腐病[29]、苜?；ㄈ~病毒AMV引起的苜?；ㄈ~病[30]、褐斑病菌引起的大果沙棗(Elaeagnus moorcroftii)褐斑病[31]，以及對(duì)扁豆(Lablab purpureus)、菜豆(Phaseolus vulgaris)、綠豆(Vigna radiata)接種鐮刀菌、菜豆殼球孢(Macrophomina)和核盤(pán)菌(Sclerotinia)[32]，牧草鮮重、粗蛋白質(zhì)、越冬率、牧草結(jié)瘤量均有不同程度的減少 (表3)。且在接種一定濃度的根瘤菌液時(shí)，根瘤數(shù)隨接種病原菌液的濃度增加而減少[29]。病害感染的結(jié)節(jié)和無(wú)效結(jié)節(jié)還會(huì)限制根系發(fā)展[33]，影響植物生長(zhǎng)。Orellana和Mandava[34]在盆栽試驗(yàn)條件下探究立枯絲核菌的主要致病代謝產(chǎn)物甲氧基乙酰乙酸(m-OMePAA)對(duì)大豆(Glycine max)的影響，發(fā)現(xiàn)是否用 m-OMePAA(0、大于 1.5 × 10-4mol·L-1)處理對(duì)植物的結(jié)瘤有顯著影響。分別用1.5 × 10-4mol·L-1和 3.0 × 10-4mol·L-1m-OMePAA 處 理 的 材料，光學(xué)顯微鏡檢查結(jié)節(jié)薄切片發(fā)現(xiàn)細(xì)胞腫脹變色，核膜破裂或溶解以及核仁被擠壓。1.2 × 10-3mol·L-1濃度下，細(xì)胞核收縮、顆粒化、分解，認(rèn)為是根瘤中細(xì)胞變性和細(xì)胞結(jié)構(gòu)病理性紊亂所致。

有關(guān)病害影響豆科植物根瘤形成機(jī)理的探究較少，現(xiàn)有研究?jī)H發(fā)現(xiàn)病原微生物與根瘤菌互作以及病害使感病植株生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)等變化會(huì)對(duì)根瘤形成有一定影響。豆科植物凝集素在豆科植物和根瘤菌相互識(shí)別和共生關(guān)系的建立上起著重要作用[35]，病害可能影響凝集素的產(chǎn)生和移位，從而對(duì)結(jié)節(jié)的產(chǎn)生和發(fā)育產(chǎn)生影響[36]。Guy等[36]通過(guò)溫室試驗(yàn)研究白三葉(Trifolium repens)花葉病毒W(wǎng)CMV對(duì)白三葉結(jié)瘤的影響，發(fā)現(xiàn)病毒感染植株上結(jié)瘤數(shù)與未感病植株相比有極顯著差異(P＜0.01)，單株結(jié)瘤數(shù)減少71%。并認(rèn)為與兩個(gè)因素有關(guān)：病毒感染對(duì)宿主新陳代謝的影響，宿主與有效或無(wú)效根瘤菌作用的差異。Khadhair等[37]認(rèn)為病毒的存在阻礙根瘤菌的增加以及其在類菌體中的轉(zhuǎn)移，或病毒感染植株中生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)活性下降，從而導(dǎo)致其根瘤數(shù)少于健康植株，Corriveau和Carroll[38]認(rèn)為可能是病害導(dǎo)致維管系統(tǒng)堵塞，木質(zhì)部的壓力增加維管系統(tǒng)液壓阻力，減少光合作用率，從而減少向根部的光合產(chǎn)物供應(yīng)，限制結(jié)節(jié)形成。但對(duì)于在感病植株中，是否是一些化學(xué)物質(zhì)對(duì)根瘤菌造成抑制，尚沒(méi)有明確結(jié)論。Sealbert[39]發(fā)現(xiàn)植物單寧對(duì)細(xì)菌的最低抑制質(zhì)量濃度一般為0.012～1.000 g·L-1，感病植物中單寧含量增加，可能對(duì)植物結(jié)瘤有一定影響。但張洪娟[40]以刺槐(Robinia pseudoacacia)根瘤菌菌種87-1-1為材料，發(fā)現(xiàn)在含有高達(dá)8%單寧的濾紙片周圍，并沒(méi)有出現(xiàn)抑菌圈，是否是試驗(yàn)材料單一造成，具體原因有待探究。

表3 病害對(duì)豆科牧草根瘤形成的影響Table 3 Effects of disease on nodulation of leguminous forage plants

4 植物病害對(duì)豆科植物固氮的影響及原因

病害導(dǎo)致植物固氮能力下降，使固氮有關(guān)的酶活性下降。如，接種褐斑病菌的大果沙棗[31]、感染白三葉草花葉病毒W(wǎng)CMV的紅三葉[37]、感染花生斑駁病毒PMV的花生[33]，固氮量或與固氮有關(guān)的酶活性均有所下降。Mujeebur等[41]發(fā)現(xiàn)，線蟲(chóng)感染導(dǎo)致幾種食用豆類根結(jié)瘤后，植物中根瘤血紅蛋白含量下降21%～62%，Taha和Kassab[42]也有相同的發(fā)現(xiàn)。有研究者認(rèn)為，感病植株根瘤中的固氮效率較低并不是因?yàn)楦鲋泄痰富钚韵陆?，而是因?yàn)榻Y(jié)節(jié)發(fā)育延遲以及根瘤的數(shù)量和質(zhì)量較少，在初花期，感病植株的結(jié)節(jié)明顯小于健康植株。還有學(xué)者認(rèn)為與病害影響植物的根瘤和固氮系統(tǒng)有關(guān)[43]。有研究表明，結(jié)瘤與側(cè)根根毛有較大關(guān)系[40]，并有學(xué)者認(rèn)為線蟲(chóng)的繁殖使根毛受到損害抑制結(jié)節(jié)形成，導(dǎo)致結(jié)瘤減少或使根瘤過(guò)早轉(zhuǎn)化為無(wú)效根瘤，使其正常功能喪失，從而影響固氮能力[44-46]。Ohki等[47]也有相同觀點(diǎn)，但同時(shí)認(rèn)為，植物固氮能力下降不是因?yàn)榈趸富钚缘慕档?，而是因?yàn)樯L(zhǎng)素不平衡可能會(huì)影響結(jié)節(jié)的大小和數(shù)量，但可能不會(huì)影響氮酶的效率。還有學(xué)者認(rèn)為，病害導(dǎo)致結(jié)瘤數(shù)減少是降低植物固氮和有關(guān)蛋白質(zhì)合成能力的原因[29]。

病害影響根瘤的正常形態(tài)、植物與根瘤的共生關(guān)系、植物體內(nèi)的活性氧含量、植株生理代謝過(guò)程，從而影響固氮和根系生長(zhǎng)。在形態(tài)結(jié)構(gòu)和共生關(guān)系方面：Orellana和Mandava[34]在盆栽試驗(yàn)條件下探究立枯絲核菌的主要致病代謝產(chǎn)物甲氧基乙酰乙酸(m-OMePAA)對(duì)大豆的影響發(fā)現(xiàn)，用不同濃度 m-OMePAA(0、1.5 × 10-4、3.0 × 10-4、6.0 × 10-4、1.2 × 10-3mol·L-1)處理，對(duì)大豆固氮速率有顯著影響 (P＜0.05)。當(dāng) m-OMePAA 水平升高至 6.0 × 10-4mol·L-1時(shí)，豆血紅蛋白含量與乙炔減少率之間顯著關(guān)聯(lián)，其中豆血紅蛋白含量急劇降低，明顯影響N2固定效率，主要原因可能是，低濃度時(shí)減少葉和根瘤重量并導(dǎo)致根的畸形，根瘤中細(xì)胞變性和病理性紊亂以及對(duì)共生相互作用的干擾，從而影響N2固定。

病害對(duì)植物生理生化的影響，也是降低植物固氮能力的重要原因。與植物抗病相關(guān)研究較多的酶，如苯丙氨酸解氨酶(PAL)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)等可以提高植株抗氧化能力，增強(qiáng)植株抵抗力[48-49]，同時(shí)也均與固氮有關(guān)[50]。曾翠云[51]和黃海燕等[52]發(fā)現(xiàn)，感病沙打旺、苜蓿中相關(guān)酶活性均有不同程度的變化。國(guó)外學(xué)者之前就有更明確的結(jié)論，Maria等[53]在鹽脅迫條件下通過(guò)對(duì)兩個(gè)栽培性大豆品種評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，411品種CAT、SOD、GR、APOX活性分別下降20%、25%、30%、35%，而377則分別上升30%、80%、15%、20%。411品種的膜脂過(guò)氧化程度增加達(dá)50%，而377則較輕，并認(rèn)為鹽脅迫下敏感大豆品種固氮能力下降還與其誘導(dǎo)的活性氧增加有關(guān)。此外，病害影響植物根系生長(zhǎng)及水分吸收可能也是降低植株固氮的一個(gè)原因。Bani等[54]研究尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporium)的致病機(jī)理發(fā)現(xiàn)，病原菌損傷植物根系細(xì)胞膜，降低細(xì)胞活性，阻礙根系生長(zhǎng)和吸收水分。由振國(guó)[55]通過(guò)研究稗草通過(guò)水分干擾影響大豆根瘤固氮發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤水分從80%下降到35%時(shí)，根瘤固氮酶活性抑制從18.3%上升到19.6%。因此，病原菌可能干擾植物水分吸收影響固氮酶活性，降低植物固氮。

5 結(jié)語(yǔ)

十九大報(bào)告提出，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)。堅(jiān)持人與自然和諧共生，必須樹(shù)立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，像對(duì)待生命一樣對(duì)待生態(tài)環(huán)境。草地農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)這一國(guó)家戰(zhàn)略的重要途徑，牧草作為草地農(nóng)業(yè)的重要組分，貫穿草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)前植物生產(chǎn)、植物生產(chǎn)、動(dòng)物生產(chǎn)和后生物生產(chǎn)共4個(gè)生產(chǎn)層。而由病原菌引致的牧草病害與草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)4個(gè)生產(chǎn)層密切相關(guān)，病害不僅降低草地觀賞和生態(tài)價(jià)值，降低牧草產(chǎn)量和品質(zhì)，而且可以影響家畜生產(chǎn)性能，縮短牧草、家畜產(chǎn)品貨架壽命。與之相對(duì)應(yīng)的是牧草病害的研究嚴(yán)重滯后，目前僅有少量研究采用常規(guī)方法，探討了病害對(duì)牧草光合生理過(guò)程及品質(zhì)的影響及對(duì)根瘤及固氮的影響。鑒于病害在草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的作用，應(yīng)加強(qiáng)分子生物學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)研究方法的結(jié)合，從共生微生物-病原菌-植物-家畜系統(tǒng)水平研究牧草病害對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響、其生理生化和基因調(diào)控的機(jī)制及相互之間的聯(lián)系，為充分利用牧草以及探索減輕病害對(duì)植物和動(dòng)物生產(chǎn)的方法提供理論參考。