楊 珍 戴傳超 王興祥 李孝剛?

（1 南京師范大學生命科學學院，南京 210023）

（2 中國科學院南京土壤研究所，南京 210008）

近年來我國農(nóng)作物的土傳病害日趨嚴重，對農(nóng)作物產(chǎn)量和品質造成嚴重影響，已成為限制我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。土傳病害是指由生活史中一部分或大部分存在于土壤中的病原物在條件適宜時侵染植物根部或莖部而發(fā)生的病害。與空氣、水及種苗等傳播途徑的病害相比，土傳病害的致病菌棲息于土壤中，難以根治，甚至被稱為植物癌癥［1］。土傳病原體的類型包括真菌、細菌和線蟲等，引發(fā)包括紋枯、枯萎、立枯、猝倒、根腐、軟腐、根腫和叢根等類型病害［2］。近幾十年來，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的提高，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式呈現(xiàn)出高投入與高產(chǎn)出、作物類型單一化種植以及復種指數(shù)高等為特點的集約化生產(chǎn)，導致土傳病害頻發(fā)問題突出［3］。而發(fā)達國家更注重土地合理化運用，多采用輪作和休耕制度，因此大田農(nóng)作物的土傳病害發(fā)生較輕。但集約化生產(chǎn)的經(jīng)濟作物，如棉花、大豆等土傳病害發(fā)生嚴重［4-5］。

值得注意的是，近年土傳病害的加重和蔓延與作物單一連續(xù)種植密切相關，生產(chǎn)上稱為連作障礙［6］。連作條件下，作物根系分泌物持續(xù)誘導土壤病原菌增殖，導致病原菌侵染勢增加。病原真菌趨化生長附著根表面，穿過根部細胞壁并定居于根皮層，通過堵塞作物維管束組織或分泌毒素等導致植物發(fā)病。因此，病原菌的成功侵染必然經(jīng)過“根際”，Hiltner將其定義為受根系影響的土壤微域，主要指根表面1～2 cm的薄層區(qū)域。其中，根際微生物是參與根際微域活動的主要成員，其組成復雜、活性高，與植物生長和健康緊密相關，也被稱為植物的第二基因組［7-8］。對此，根際微生物與植物病害發(fā)生的關系相應地成為近年來研究熱點之一。與細菌、線蟲等類型引起的土傳病害相比，土傳真菌病害更易于流行傳播，涉及作物類型廣泛，對作物產(chǎn)量危害極大［9］，本文將著重從土傳真菌病害的發(fā)生及危害、根際微生物與病原真菌互作以及防治措施等方面探討土傳真菌性病害發(fā)生的根際微生物機制的研究進展，以期為深化土傳真菌病害研究和防治提供參考。

1 土傳真菌病害的發(fā)生及危害

據(jù)估計，植物病害引起全球主要農(nóng)作物總產(chǎn)量10%～15%的損失，每年直接經(jīng)濟損失高達數(shù)千億美元。其中，70%～80%的病害是病原真菌侵染所引起的，對作物生長及產(chǎn)量的影響破壞力強［10］。表1概況了小麥、玉米、水稻等糧食作物、以及棉花、花生、大豆等經(jīng)濟作物發(fā)生的主要土傳真菌病害及其影響。相對于大田糧食作物，經(jīng)濟作物集約化生產(chǎn)現(xiàn)象突出，土傳真菌病害的發(fā)生更為嚴重(表1)。由大麗輪枝菌引起的棉花黃萎病是種植區(qū)發(fā)生最為嚴重的土傳病害，一般減產(chǎn)10%～30%，嚴重時可達80%以上［5］。由茄腐鐮刀菌、尖孢鐮刀菌和絲核菌等多種真菌混合侵染導致大豆根腐病嚴重發(fā)生，是制約大豆產(chǎn)區(qū)的主要病害，一般減產(chǎn)5%～10%，嚴重時減產(chǎn)達到60%［22］。

此外，一些病原真菌（如 Aspergillus flavus，F(xiàn)usarium culmorum）還會產(chǎn)生霉菌毒素，對人和動物具有潛在健康危害。面對土傳病害的危害，農(nóng)民采取一系列不合理用藥措施進一步加劇了環(huán)境破壞、生態(tài)失衡、食品污染和公眾健康水平等問題。一般土傳真菌病害發(fā)生早期癥狀不易察覺，導致其防控滯后，現(xiàn)有的科技手段還不能準確預報一些重大真菌病害的發(fā)生及危害，這也是農(nóng)業(yè)防控難以進行的原因之一。

表1 常見糧食作物和經(jīng)濟作物主要土傳真菌病害及危害Table 1 Major soil-borne fungal diseases and their hazards common with grain and economic crops

續(xù)表

2 土傳真菌病害發(fā)生的根際微生物機制

2.1 土傳病原真菌的致病機理

與細菌、線蟲等病原體相比，土壤理化環(huán)境一般不利于病原真菌生長，因此病原真菌通常以一些抗性繁殖體（如菌核、厚壁分生孢子）存在于土壤中，或腐生于植物根部和作物殘余物。病原真菌侵入植物主要包括4個步驟：附著寄主表面—形成侵染結構—侵入—寄主體中定殖、擴展（圖1）。其致病因子主要包括分泌降解酶、導管堵塞或毒素作用等［23］。它分泌的細胞降解酶可以降解寄主植物細胞壁和角質層，有利于病原真菌侵入、定殖與擴展［24］。當病原真菌侵入植株維管束后，產(chǎn)生大量的菌絲和菌核會誘導植物體內(nèi)形成胼胝質、侵填體和膠質等物質抵制病原菌侵染，但妨礙了水分的運輸，引起植株萎蔫［25］。但也有研究發(fā)現(xiàn)病原菌會通過分泌毒素干擾植株代謝活動，改變細胞膜透性，進而破壞水分平衡，導致植株萎蔫。由于植物與病原真菌在相互作用的進化過程中，形成了高度專化又相互選擇、協(xié)同進化的格局［26］。因此，種類繁多的土傳病原真菌，很多具有專化型。如，鐮刀菌屬，可引發(fā)棉花、黃瓜和西瓜等作物發(fā)病。然而，有些土傳病害不是單一病原菌形成，而是多種病原菌復合侵染的結果，這也使得病原真菌的致病機理更為復雜［27］。

根際作為病原菌侵染作物根部的必經(jīng)途徑，微生物之間的互作決定著病原菌是否成功侵染植物［26］。病原菌與根際其他微生物類群的互作機制之一在于競爭有限的資源，如營養(yǎng)物質、生態(tài)位等［8］。根際微生物對根表面定殖位點的競爭也是控制病原菌增殖的機制之一［28］。不可否認的是，目前研究發(fā)現(xiàn)病原真菌并沒有固定且準確的致病機理，但作為根際微生物的一員，了解病原菌與其他根際微生物的互作機制有助于進一步深化土傳病害發(fā)生機理研究，進而揭示一些未被大家所認識或重 視的病原菌致病機理（圖1）。

圖1 土傳病原真菌侵染植物根際致病機理Fig. 1 Pathogensis of soil-borne pathogenic fungi infecting plants in rhizosphere

2.2 真菌病害對根際拮抗微生物的影響

拮抗微生物在其生命活動中，會產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物或改變周圍環(huán)境條件，從而抑制病原菌的生長繁殖，其與病原菌的互作方式分為直接和間作作用（表2）。單一的拮抗性細菌種群通常需要達到一定的數(shù)量，才能有效地拮抗病原菌侵染［8］。但在根際微域中，由于多樣的微生物類群相互作用，一種拮抗性細菌種群很難任意增殖。研究發(fā)現(xiàn)一些拮抗性微生物只能抑制特定的土傳病原菌［34］。同時，在營養(yǎng)豐富條件下（如根際區(qū)域），土傳病原真菌容易獲取營養(yǎng)物質和能量，有利于對抗一些拮抗性根際微生物，以致侵染作物根部［35］。因此，這些因素均在一定程度上限制了拮抗性微生物的生防效果和廣譜性。

2.3 真菌病害對根際微生物多樣性的影響

很多學者從生態(tài)學角度研究了根際微生物多樣性與土傳病害發(fā)生的關系，通過離體培養(yǎng)對峙實驗發(fā)現(xiàn)根際細菌種群多樣性越高，其抑制病原菌生長的能力就越強［38］，說明抑病土壤微生物多樣性是控制土傳病害發(fā)生的重要機制之一（表2）。有意思的是，不同菌群混合培養(yǎng)時呈現(xiàn)出強烈的抑菌特性高于單個菌群，說明不同細菌種群互作有助于抑菌物質的產(chǎn)生，進而提升對病原菌的抑制作用［39］。因此，根際微生物通過群體或多樣性控制土傳病害發(fā)生要優(yōu)于單個特定微生物種群的拮抗功能，是維持作物根部健康的普遍機制［8］。

根際微生物種群多樣性將強化物種間相互作用的網(wǎng)狀構型，形成更為穩(wěn)定的生態(tài)，同時也有助于產(chǎn)生更多抑菌物質。例如，近年來揮發(fā)性抑菌物質（volatile organic compounds）成為研究的熱點，其主要通過水和空氣近距離傳遞抑制病原菌增殖［36］。據(jù)估計，土壤中30%～60%的細菌種群可產(chǎn)生抑菌揮發(fā)性物質。并且，研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物產(chǎn)生的揮發(fā)性物質與抑菌（土傳病原菌）性能顯著相關；抑菌性能較高的土壤產(chǎn)生的揮發(fā)性物質更為多樣，其中一些物質（如三甲胺、安息香醛）對病原菌生長具有很強的抑制作用［37］。

2.4 真菌病害對根際促生菌的影響

植物根際棲息著許多具有潛力的微生物資源，在促進植物生長、參與營養(yǎng)轉化及抑制病害的發(fā)生等方面發(fā)揮重要作用。根際有益性微生物種類眾多、功能多樣，如細菌中固氮螺菌屬（Azospirillum)、根瘤菌屬（Rhizobium)、芽孢桿菌屬（B a c i l l u s），真菌中木霉菌屬（Trichoderma)、菌根真菌等，被證實對植物生長具有明顯的促進作用［9］。表3歸類了根際促生菌對植物生長影響的作用方式［44］。這些根際有益菌對植物健康而言是一個巨大的寶藏，目前其開發(fā)潛力只是冰山一角。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，充分利用這些有益菌的價值將有助于減少化肥和農(nóng)藥投入，促進作物增產(chǎn)和控制病害發(fā)生（圖2）。

表2 根際微生物對抗土傳病原菌侵染植物根部的作用方式Table 2 Ways of rhizosphere microorganisms suppressing soil-borne pathogen infection of plant roots

2.5 真菌病害對根際有害菌的影響

除了病原菌外，根際還存在一些對植物生長具有抑制作用，但又不會導致植物發(fā)病的一類微生物，統(tǒng)稱為根際有害菌。Agrios［45］認為，根際細菌作為有害菌和促生菌的分類并不明確，應根據(jù)其對植物凈生長而定。近年來關于有害真菌研究較多，而對有害細菌研究偏少。這些有害菌對植物的危害一般是隱蔽的，通常只抑制根和莖的生長，導致根部和葉的變形等，可見癥狀不明顯，因而不易發(fā)覺其危害［46］。

根際有害菌可通過產(chǎn)生植物毒素、競爭營養(yǎng)物質、降低菌根形成等方式抑制植物生長，間接促進病原菌增殖（表3）。也有研究發(fā)現(xiàn)根際有害細菌可以利用或分解植物鐵載體，造成植物缺鐵現(xiàn)象，進而影響植物生長。根際有害菌的存在也常與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式密切相關［51］。當然不同農(nóng)作物連作引起的有害菌的種類不同，危害程度也各不相同。因此，有害菌在根際發(fā)揮的作用不容忽視，明確根際有害菌種類和致害機理對作物生長尤為重要(圖2)。

表3 根際微生物種類對植物生長影響的作用方式Table 3 Effects of rhizosphere microorganisms on plant growth and their pathways

3 土傳病害的防控技術

由于土傳病害具有很強的隱蔽性和危害性，一般難以根治，因此應以“預防為主，防治為輔”的原則對其進行防控。常見的防控土傳病害技術主要包括農(nóng)業(yè)、物理、化學、生物等方法［3］（圖2）。

3.1 植物抗病育種

利用植物育種來開發(fā)作物的抗病性是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的方法。目前，科學界的明星基因編輯技術對作物內(nèi)源基因的定向改造為作物的抗性遺傳改良提供了新的途徑［52］。然而，要培育抵抗多種病原甚至多種病害的品種實非易事。研究發(fā)現(xiàn)通過育種方式會招募作物特定的微生物類群，來提升自身根際微生態(tài)抗性，克服單一抗性遺傳改良的缺點，成為未來防治土傳病害的潛在手段之一［53］。因此，結合最新發(fā)展的生物技術手段，開展植物耐病和避病品種的選育及應用，應予重視。

3.2 種植模式防治

近年來，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向集約化方向發(fā)展，忽視了傳統(tǒng)耕作措施如輪作、間作或混作等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中防控病害發(fā)生的作用。輪作模式主要通過改善土壤微生物群落結構，提升土壤自身抑病性能。但是，其對一些專一性不強的土傳病原菌，并不能達到有效防控土效果［54］。實行間作、套作或混作，既有利于提高光能和土地利用效率，又能避免病、蟲、草對單一栽培的危害［55］。與此同時，常見的嫁接和伴生栽培方法也常用于防治瓜果蔬菜土傳病害。但這些方法大都來自經(jīng)驗，為使其在現(xiàn)代綜合治理病害中發(fā)揮更大作用，必須充分運用現(xiàn)代科學技術，深入研究其機理［56］。

3.3 化學防治

目前集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較多使用土壤熏蒸消毒技術防治土傳病害。主要利用熏蒸劑揮發(fā)產(chǎn)生的蒸氣毒殺土壤有害生物。常用熏蒸劑有氯化苦、棉隆、二甲基二硫、威百畝等［57］。其優(yōu)點是高效、易操作，但其毒性和環(huán)保問題限制其廣泛應用。因此，許多學者正致力于研發(fā)高效、低毒以及化學熏蒸替代方法，如強還原土壤消毒等。它是通過創(chuàng)造厭氧環(huán)境使土壤好氧病原菌無法生存，進而利用有機物料發(fā)酵產(chǎn)生有害物質消滅土傳病原菌［58］。然而，費用、可操作性和處理效果仍然是制約強還原土壤消毒廣泛應用的限制因素，因此未來生產(chǎn)實踐中趨向選擇低毒、高效、綠色環(huán)保的消毒劑，來控制土傳病害發(fā)生。

3.4 微生物菌劑防治

近些年來，微生物防治作為防控植物土傳病害的方法一直是研究熱點。多數(shù)生防菌主要是通過大量觀察和實驗獲得，以接種或澆灌的方式引入到植物根際，使其定向發(fā)揮抑菌作用［26］。但相比于單個優(yōu)勢菌，混合菌群的優(yōu)勢更大，因而目前部分學者認為采用類型多樣的組合菌群一方面可以提高微生物的根際定殖能力，還會擴大抑制病原菌的范圍，對防控土傳病害發(fā)生的效果可能更佳［28,59］。另外，采用拮抗微生物發(fā)酵而制成的生物有機肥也成為近年來研究熱點，通過調節(jié)土壤微生態(tài)環(huán)境、抑制病原菌的生長或提高植物自身抗性，達到防控土傳病害的目的［60］。但是，目前多數(shù)生防菌劑和生物有機肥都存在穩(wěn)定性差、針對性不強及見效慢等問題，未來不僅要尋找簡潔、高效的微生物，還要結合作物類型共同防治土傳病害。

4 結論與展望

種類多樣的土傳病害一直困擾著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，尋找解決土傳病害的方法迫在眉睫。土傳病害成因復雜，但土傳病原菌與根際微生物之間相互作用是決定著作物能否在農(nóng)田持續(xù)健康生長的關鍵因素。本綜述以此為切入點，總結了根際微生物與土傳病害發(fā)生關系的研究進展，并進一步討論了土傳病害的防控措施。

目前，通過篩選單一的拮抗菌群防治土傳病害受到生態(tài)適應性、土著微生物競爭及病原菌免疫等因素的影響。然而，根際微生物通過群體或多樣性控制土傳病害發(fā)生要優(yōu)于特定微生物的拮抗功能，不同類型的根際細菌種群互作將產(chǎn)生多樣的抑菌物質，強化根際微生態(tài)穩(wěn)定性，有助于抵御土傳病原菌的侵害。宿主植物健康與否是由根際有益菌與有害菌共同互作的結果，相比于根際促生菌，忽視了根際有害細菌對病害發(fā)生和作物生長的關系。土傳病害治理在努力采用新技術的同時，也要注意各單項技術有機配合，取長補短，并盡可能與現(xiàn)有的栽培措施相結合。

綜上所述，為了有效地控制土傳病害的發(fā)生及危害，相關研究還需繼續(xù)從以下方面開展：一是系統(tǒng)評估土傳病害的危害及其病原菌類型，探究其田間流行性規(guī)律；二是揭示土傳病原菌侵染植物的根際微生態(tài)機理，并加大土傳病害的自然衰退和抑病土壤等現(xiàn)象與土壤微生物群落關系的研究；三是土傳病害治理的綜合技術體系研發(fā)，尤其是連作病土的快速生態(tài)轉換技術研究［61］。