瞿瑜婷，張前前，俞葉飛，沙衣哈力·對(duì)先阿力，蔡琳琳，張?zhí)K炯，李永夫，李永春*

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院/亞熱帶森林培育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311300；2.浙江省大盤山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，浙江 金華 322300；3.磐安縣中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心，浙江 金華 322300）

近年來(lái)，隨著引種和種植技術(shù)的成熟、市場(chǎng)需求量增大以及國(guó)家政策的大力扶持，我國(guó)藥用植物規(guī)模化栽培面積不斷擴(kuò)大，目前擁有規(guī)模最大、品種最多以及最完整的生產(chǎn)體系[1]。保證入藥部位的有效成分含量對(duì)于藥用植物產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重大意義，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中藥材多以根及根莖類入藥，而其中多數(shù)以塊根類入藥的藥用植物存在連作障礙[1]。發(fā)生連作障礙的藥用植物土壤中往往發(fā)生極為嚴(yán)重的土傳病害，且伴隨著植物正常生理活動(dòng)受抑、化感自毒物質(zhì)積累、土壤酸化、養(yǎng)分失衡、微生物群落結(jié)構(gòu)失衡等現(xiàn)象，最終造成植物生長(zhǎng)發(fā)育不良。同時(shí)，入藥部位的有效成分含量減少極大地降低了藥用植物的品質(zhì)，嚴(yán)重制約著藥用植物產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展[1]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)連作障礙主要導(dǎo)致根際微生態(tài)失衡[2]。根際是植物-土壤-微生物組頻繁進(jìn)行物質(zhì)交換和信號(hào)傳遞的界面，如圖1所示，根際中的微生物活動(dòng)直接影響著植物生長(zhǎng)發(fā)育和藥用有效成分含量[3]。連作后，根際微生態(tài)系統(tǒng)中抵御土傳病害入侵和維持植物健康的特定微生物群落發(fā)生改變，目前研究認(rèn)為微生物群落結(jié)構(gòu)的惡化所引起的土傳病害是藥用植物連作障礙的直接原因[1]。在目前廣為接受的理論中，植物免疫是抵抗病原體的主要防御過(guò)程，在該理論中植物抗性基因響應(yīng)病原體所分泌的毒性生物分子與細(xì)胞壁降解分子，誘導(dǎo)觸發(fā)免疫系統(tǒng)分泌不同類型的酶、植物激素或轉(zhuǎn)錄因子等化合物來(lái)抑制病原體生存的效果[4]。WEI等[5]提出在根際中，植物、微生物、土壤形成的緊密網(wǎng)絡(luò)對(duì)防御病原體攻擊具有重要作用，即該網(wǎng)絡(luò)形成了根際免疫。而連作障礙發(fā)生后，病原體能克服甚至接管植物免疫系統(tǒng)，并刺激誘導(dǎo)根系分泌一定數(shù)量與類型的代謝產(chǎn)物，進(jìn)一步擴(kuò)大生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，加劇根際微生態(tài)系統(tǒng)的惡化[5-6]。本研究從根際微生態(tài)系統(tǒng)角度綜述了藥用植物發(fā)生連作障礙的成因與緩解措施，為確定和量化免疫形成的重要因素與相互作用提供依據(jù)，為未來(lái)藥用植物的連作障礙治理和健康發(fā)展提出建議。

圖1 根際微生物對(duì)藥用植物健康的影響Fig.1 Effects of rhizosphere microorganisms on medicinal plant health

1 藥用植物連作障礙的成因

1.1 根系分泌物與微生物的相互作用改變

1.1.1 根系分泌物及化感自毒作用

根系分泌物是植物與土壤及微生物進(jìn)行交流的重要媒介，其在土壤結(jié)構(gòu)組成、土壤養(yǎng)分活化、植物養(yǎng)分吸收、環(huán)境脅迫緩解和連作障礙發(fā)生等方面都具有重要作用[7]。有5%～21%的光合作用碳產(chǎn)物通過(guò)根系分泌物輸入至根際環(huán)境，以調(diào)控根際信號(hào)傳遞、物質(zhì)能量遷移、土壤理化性質(zhì)、微生物環(huán)境以及植物-微生物-土壤系統(tǒng)中的相互作用[8-9]。根系分泌物的含量和種類由植物基因型主導(dǎo)，受到生理狀態(tài)及所處生境的影響[9]。大量研究表明，連作狀態(tài)下藥用植物的健康狀態(tài)和根系分泌物的含量密切關(guān)聯(lián)，特別是有機(jī)酸類物質(zhì)常常在藥用植物連作土壤中大量積累[10]。

根系分泌物的化感作用被認(rèn)為是連作植物生理代謝狀態(tài)改變的重要原因之一，有機(jī)酸、酚酸、萜類、香豆素和黃酮類等化合物已被鑒定為化感物質(zhì)[10]。如蘭州百合（Lilium davidiivar.unicolorSalisb）連作土壤水提液在低濃度下能促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)，而在高濃度時(shí)表現(xiàn)為化感抑制作用[10]。白術(shù)（Atractylodes macrocephalaKoidz）根系分泌物中的2，4-二叔丁基苯酚在高濃度時(shí)具有抑制種子發(fā)芽率并破壞免疫系統(tǒng)的能力[11]。目前，已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)部分根系分泌物能通過(guò)誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧破壞根尖細(xì)胞、影響葉綠素與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，進(jìn)而抑制根系與莖葉的生長(zhǎng)，且根系所表現(xiàn)出的化感抑制反饋比莖葉更為強(qiáng)烈，這或許是化感物質(zhì)影響藥用植物尤其是地下部有效成分含量的主要機(jī)制之一[10,12]。除此之外，在連作地黃（Rehmannia glutinosa）與太子參（Pseudostellaria heterophylla）土壤中，酚類介導(dǎo)了土壤微生物區(qū)系的遷移和結(jié)構(gòu)紊亂，導(dǎo)致病害發(fā)生率增大[13]。目前可以確定根系分泌物中的化感物質(zhì)與植物的健康狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)，但產(chǎn)生化感作用的化感物質(zhì)（種類與濃度），化感物質(zhì)與植物、微生物之間的相互作用機(jī)制及其自毒活性的分子機(jī)制仍有待深入研究。

1.1.2 根際微生物種群變化

藥用植物連作后，原有根際土壤微生物群落動(dòng)態(tài)平衡被打破[14-15]。在三七（Panax notoginseng）連作土壤中，放線菌、細(xì)菌總數(shù)和微生物總數(shù)隨時(shí)間的變化存在顯著差異，而真菌總數(shù)沒(méi)有明顯差異[14]。連作3 年后的西洋參（Panax quinquefoliusL.）土壤中細(xì)菌群落數(shù)量依舊占優(yōu)勢(shì)，但細(xì)菌群落的多樣性指數(shù)降低，而真菌群落的多樣性則顯著增加[16]；然而在白術(shù)連作土壤中，真菌群落多樣性呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)[15]。

研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生連作障礙的藥用植物土壤中典型的致病菌如鐮刀菌屬（Fusarium）等菌落的數(shù)量及相對(duì)豐度顯著增加，且在微生物群落中占據(jù)更多的生態(tài)位[17]。連作年限的延長(zhǎng)抑制了促進(jìn)藥用植物生長(zhǎng)和拮抗病原菌的有益微生物[如木霉屬（Trichoderma）、被孢霉菌（Mortierellasp.）、青霉菌（Penicilliumsp.）]的生長(zhǎng)，與此同時(shí)，具有生態(tài)位優(yōu)勢(shì)的假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）等也呈現(xiàn)抑制效應(yīng)[18-20]。這些非病原菌數(shù)量與相對(duì)豐度的下降不僅導(dǎo)致藥用植物對(duì)病原菌生防能力的降低，而且造成更多的生態(tài)位空缺，最終導(dǎo)致藥用植物連作土壤微生物群落區(qū)系惡化，從而降低根際微生態(tài)系統(tǒng)對(duì)病害的抵抗力。除此之外，參與養(yǎng)分元素循環(huán)、分解有害化感物質(zhì)的功能性微生物數(shù)量與相對(duì)豐度也隨著連作年限的延長(zhǎng)表現(xiàn)出負(fù)反饋[17]。連作對(duì)土壤微生物群落造成的影響是長(zhǎng)遠(yuǎn)的，或許需要數(shù)十年才能恢復(fù)原有的微生物群落系統(tǒng)[21]。

1.1.3 根系分泌物與根際微生物間的相互影響

植物與微生物間的相互作用是其生命活動(dòng)中不可或缺的一部分，藥用植物與根際微生物的分子交換作用十分復(fù)雜[1]。根系分泌物介導(dǎo)了藥用植物根際微生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)能量流和微生物趨化過(guò)程[6,22-23]。部分根系分泌物如黃酮類化合物，能夠改變植物-微生物之間的相互作用，并最終改變根際微生態(tài)間的互作關(guān)系[7]。根系分泌物組分的動(dòng)態(tài)變化和微生物底物偏好影響根際微生物群落組裝模式，與此同時(shí)，微生物活動(dòng)的增強(qiáng)也反過(guò)來(lái)刺激根系分泌物的滲出、擴(kuò)散、代謝與積累，進(jìn)而擴(kuò)大根系分泌物在土壤環(huán)境中存在的空間范圍[6,22-23]。

持續(xù)積累的根系分泌物改變了根際環(huán)境對(duì)特定真菌群落的定向選擇力及病原真菌的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，如三七根系通過(guò)分泌人參皂苷富集潛在致病鐮刀菌屬菌，從而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[24]。部分根系分泌物對(duì)土壤潛在有益菌具有抑制作用，如在地黃（Rehmannia glutinosa）的再植過(guò)程中假單胞菌數(shù)量受到土壤中梓醇持續(xù)積累的影響而減少，抑制對(duì)鐮刀菌屬菌生防作用，從而加強(qiáng)了病原菌的優(yōu)勢(shì)地位[25]。土壤中積累的有機(jī)酸加劇了連作土壤化感負(fù)反饋，并抑制了植物的生防能力，導(dǎo)致根際促生菌拮抗病原真菌菌絲體生長(zhǎng)的能力減弱，進(jìn)而使病原菌數(shù)量增加[13]。以根系分泌物為主要能量來(lái)源的病原菌與非病原菌間的生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)差異，最終使連作藥用植物土壤微生物類群相對(duì)豐度發(fā)生相應(yīng)改變[14]。土壤微生物反作用于根系時(shí)刺激根部滲出特定根系分泌物并調(diào)節(jié)植物的新陳代謝，同時(shí)，微生物對(duì)根系分泌物的分解、轉(zhuǎn)化及擴(kuò)散也增加了植物基因性調(diào)控根際微生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性[7,9]。

1.2 土壤環(huán)境與土壤微生態(tài)變化的綜合作用

1.2.1 土壤環(huán)境變化與根系分泌物的相互影響

藥用植物連作障礙往往伴隨著土壤環(huán)境的退化。不同藥用植物根據(jù)其生理需求對(duì)土壤質(zhì)地和理化性質(zhì)有所選擇，具有極強(qiáng)的道地性，在規(guī)?；兴幉脑耘嘀羞m宜的土壤環(huán)境對(duì)藥用作物栽培的意義極為重大[26]。土壤作為承載植物根系與微生物相互作用的平臺(tái)，在植物根系形態(tài)擴(kuò)張與分泌行為、微生物活動(dòng)的相互作用下，產(chǎn)生pH 值變化、養(yǎng)分供應(yīng)改變等一系列反饋，并對(duì)微生物生存環(huán)境產(chǎn)生潛移默化的影響[27]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性被當(dāng)作土壤健康的重要物理指標(biāo)，連作可能改變土壤團(tuán)聚體性狀、穩(wěn)定性和粒徑級(jí)組成等，最終影響根系呼吸與滲透、根系分泌物的積累轉(zhuǎn)移以及根際養(yǎng)分的釋放[2]。連作土壤的pH值變化顯著，如連作后的西洋參土壤pH 值可下降至不適合成株成活的范圍[17]。土壤pH 值下降影響土壤的電導(dǎo)率與氧化還原狀態(tài)，同時(shí)影響土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率，這是部分藥用植物連作后土壤有機(jī)質(zhì)含量不降反升的主要原因[15,18,27]。在不同連作土壤中不同形態(tài)氮、磷、鉀養(yǎng)分含量存在不同的變化趨勢(shì)，在ZHU 等[15]的研究中，土壤氮、磷、鉀全量與有效態(tài)氮、磷、鉀含量均隨連作時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，而在其他的研究中部分有效態(tài)養(yǎng)分如有效磷、速效鉀含量卻隨連作時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)[20]。作為供應(yīng)植物與微生物養(yǎng)分的土壤，其養(yǎng)分結(jié)構(gòu)的失衡、部分微量元素的缺失及有害金屬離子的積累所導(dǎo)致的植物、微生物物質(zhì)能量供應(yīng)失衡問(wèn)題，可能會(huì)影響植物-微生物的相互作用，并影響根際微生態(tài)系統(tǒng)。

藥用植物連作后根系分泌物會(huì)改變土壤機(jī)械組成與養(yǎng)分有效性，反之，土壤質(zhì)地和養(yǎng)分也影響了根系的生長(zhǎng)，藥用植物根冠細(xì)胞分泌的黏液也很可能與根系生長(zhǎng)所產(chǎn)生的壓力一起影響根際土壤的機(jī)械組成，進(jìn)而影響根際液相空間構(gòu)型和連通性[27]。比如藥用植物分泌的草酸、葡萄糖與兒茶酚等化合物，在其他植物中已被證明能通過(guò)直接溶解礦物質(zhì)或介導(dǎo)微生物活化土壤礦物質(zhì)與有機(jī)物來(lái)直接影響土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分釋放[28]。藥用植物的部分根系分泌物如蘋(píng)果酸、檸檬酸和草酸，已在其他植物研究中被證明能改變土壤的氧化還原狀態(tài)、pH值和養(yǎng)分有效性，如有機(jī)酸能促進(jìn)磷缺乏土壤中無(wú)機(jī)磷的活化，直接影響了植物根系的生長(zhǎng)和發(fā)育[27,29]。

1.2.2 根際微生態(tài)變化的綜合作用與連作障礙

藥用植物根際微環(huán)境的調(diào)控被認(rèn)為是緩解連作障礙的關(guān)鍵。根際是植物、土壤、微生物物質(zhì)能量交換的重要結(jié)點(diǎn)，活躍的植物、土壤、微生物活動(dòng)及其環(huán)境相互作用形成了整體的土壤微生態(tài)系統(tǒng)，各因素既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)。根際作為承載根系生物生命活動(dòng)的平臺(tái)，其基本性狀及健康狀態(tài)與微生態(tài)系統(tǒng)中各因子息息相關(guān)（圖2）。

圖2 根際微生態(tài)對(duì)藥用植物連作障礙的綜合作用Fig.2 Comprehensive effects of rhizosphere microecology on continuous cropping obstacles of medicinal plants

根際土壤環(huán)境受到微生物與植物生命活動(dòng)的影響，也影響著植物-微生物間的相互作用。如藥用植物連作后根際土壤pH 值、養(yǎng)分結(jié)構(gòu)的變化也與微生物區(qū)系之間存在相關(guān)性[1]。而土壤孔隙驅(qū)動(dòng)根際部分碳交換與固定，影響微生物群落的組成，最終影響微生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)與能量交換[7,24,27]。

微生物在藥用植物根際十分活躍，其影響根際微生態(tài)系統(tǒng)的主要途徑有：1）作為病原體影響植物生長(zhǎng)與根系分泌，如引起幼苗枯萎和增強(qiáng)化感自毒物質(zhì)形成的尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）和各類植物病毒[25]；2）作為促生菌存在，維持土壤菌群平衡、提高根際生物活性，如提高土壤酶活性與土壤微生物群落多樣性的芽孢桿菌[30]，分泌還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH oxidase,NOX）促進(jìn)根系生長(zhǎng)的木霉菌[31]，能夠提高植物抗性或直接抑制土壤致病菌的假單胞菌[25]等；3）其他參與生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)與根際物質(zhì)能量循環(huán)的菌群，如參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的功能性菌群和以根系分泌物為主要物質(zhì)能量來(lái)源的菌群。連作狀態(tài)下這些菌群的變化加速了土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu)的失衡，導(dǎo)致根際抵抗病原體的能力發(fā)生變化。

目前研究認(rèn)為藥用植物連作障礙的產(chǎn)生與土壤的綜合性變化有關(guān)[32]。連作狀態(tài)下藥用植物根系分泌物與土壤環(huán)境、根際微生物區(qū)系的相互作用及其中的物質(zhì)能量循環(huán)等因素的存在使連作障礙的形成原因十分復(fù)雜，其是植物-土壤-微生物根際微生態(tài)系統(tǒng)中多因素綜合作用的結(jié)果[32]。如圖3所示，推測(cè)根際免疫系統(tǒng)作為抵抗病原體入侵的植物-土壤-微生物有機(jī)共同體，是植物免疫系統(tǒng)的外延防線，當(dāng)連作后根際微生態(tài)系統(tǒng)中植物、土壤、微生物的相互作用發(fā)生改變時(shí)，根際有機(jī)體抵抗土壤病原微生物入侵的能力也發(fā)生改變[4-5,33]。當(dāng)連作發(fā)生后，由于土壤病原體數(shù)量增加、生態(tài)位擴(kuò)大，有害化感物質(zhì)積累，土壤環(huán)境惡化引起的病原體入侵能力強(qiáng)于根際有機(jī)體的防御能力，導(dǎo)致根際免疫防線到植物體免疫防線崩壞、土傳病害發(fā)生，從而導(dǎo)致連作障礙不可遏制。當(dāng)以植物免疫為核心的根際有機(jī)免疫系統(tǒng)的抗病能力遠(yuǎn)大于病原體的感染能力時(shí)，連作土壤可能表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑病作用，即產(chǎn)生抑病土[33]。然而目前鮮有系統(tǒng)化構(gòu)建的連作障礙根際免疫體系，因此尚不確定其關(guān)鍵因子及作用強(qiáng)度。目前，在根際微生態(tài)視角下研究連作障礙的成因依舊十分困難，因此，建議在未來(lái)，應(yīng)對(duì)不同環(huán)境因素作用于根際微生態(tài)系統(tǒng)抑病能力、土壤病原微生物侵染能力的強(qiáng)度進(jìn)行量化，并建立根際連作障礙模型。筆者預(yù)測(cè)在以量化的根際免疫能力與病原體入侵能力為坐標(biāo)系建立的連作障礙模型中，可能存在著障礙發(fā)生的閾值公式。

圖3 植物-微生物免疫防御系統(tǒng)Fig.3 Plant-microbial immunity defense system

2 消減連作障礙的調(diào)控措施

藥用植物連作后，根際系統(tǒng)中的物質(zhì)能量循環(huán)失衡，根系與微生物、根際生物與環(huán)境的相互制約和相互作用也不可避免地發(fā)生紊亂，導(dǎo)致植物對(duì)病原體的免疫能力下降，并最終引起連作障礙。因此，注重植物與根際環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，穩(wěn)定土壤養(yǎng)分與物質(zhì)能量的多渠道交換，通過(guò)各種措施綜合改善藥用植物的根際微生態(tài)環(huán)境（圖4），確保植物-土壤-微生物的綜合性、生態(tài)性調(diào)控，建立根際免疫以達(dá)到連作根際微生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展，才是防控和修復(fù)藥用植物連作障礙的關(guān)鍵[33-34]。

圖4 連作障礙緩解措施Fig.4 Control measures to alleviate continuous cropping obstacles

2.1 根際系統(tǒng)多樣性的建立

優(yōu)化種植栽培技術(shù)有助于調(diào)節(jié)根際系統(tǒng)。傳統(tǒng)種植模式如輪作、間作等依舊是提高系統(tǒng)生物多樣性、平衡根際土壤微生物競(jìng)爭(zhēng)的較好措施[1]。蒙古黃芪[Astragalus membranaceus(Fisch) Bge. var.mongholicus(Bge.) Hsiao]與三七間作后土壤養(yǎng)分含量提高，微生物群落結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向細(xì)菌主導(dǎo)[35-36]。蘭州百合與玉米（Zea maysL.）間作后土壤中病原菌與益生菌的相對(duì)豐度也發(fā)生變化，如有害菌鐮刀菌屬相對(duì)豐度下降，有益菌鞘氨醇單胞菌（Sphingomonassp.）和硝化螺旋菌（Nitrospirasp.）的相對(duì)豐度上升[37]。目前，盆栽栽培、無(wú)土栽培、仿生栽培等優(yōu)化栽培模式正逐漸應(yīng)用于藥用植物的生產(chǎn)中。通過(guò)模擬野生環(huán)境下藥用植物生存環(huán)境的生態(tài)學(xué)原理，使仿生栽培下三七土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出健康平衡的狀態(tài)，從而使土壤生態(tài)系統(tǒng)更為穩(wěn)定[38]。種植栽培技術(shù)的優(yōu)化有助于調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)、減少化感物質(zhì)積累、增加生物多樣性等，緩解連作障礙導(dǎo)致的植物-土壤-微生物系統(tǒng)失衡，從而有助于建立根際免疫。

2.2 根際養(yǎng)分輸入及土壤結(jié)構(gòu)改良

作為外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)添加措施，施肥能調(diào)節(jié)土壤中植物、微生物所需有效態(tài)養(yǎng)分的含量，從而通過(guò)食物募集根際微生物[39]。合理調(diào)整施肥模式，平衡氮磷鉀肥料、微量元素肥以及有機(jī)肥的施用結(jié)構(gòu)，在改善土壤養(yǎng)分組成的同時(shí)也能有助于構(gòu)建根際微生物健康群落，如增加土壤放線菌、細(xì)菌的相對(duì)豐度與多樣性以拮抗病原微生物，并促進(jìn)植物所需有效態(tài)養(yǎng)分的釋放[39]。土壤物理性質(zhì)的改變會(huì)影響根際養(yǎng)分、根系與根際微生物的空間分布，進(jìn)而促進(jìn)根際益生菌群的富集[40]。外源性土壤添加劑在改變根際土壤環(huán)境的同時(shí)也能降低根際病害率，提高根際免疫力[41-42]。高分子聚合物改良劑如聚丙烯酸鈉和天然改良劑腐殖酸能有效凝結(jié)土壤團(tuán)粒、降低土壤容重、提高土壤含水率，從而改善連作帶來(lái)的土壤板結(jié)問(wèn)題，并提高連作土壤中有益微生物的相對(duì)豐度及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性，促進(jìn)植物與微生物釋放可吸收養(yǎng)分，對(duì)原有根際土壤環(huán)境的恢復(fù)與根際免疫的建立有一定的促進(jìn)作用[41-42]。有機(jī)物料及其加工產(chǎn)物如生物質(zhì)炭應(yīng)用于連作修復(fù)也是近幾年的研究熱點(diǎn)。在白及（Bletilla striata）連作土壤中，添加生物質(zhì)炭可直接吸附微生物，或通過(guò)改良土壤保水透氣性能和養(yǎng)分利用率間接富集微生物，使根際微生物類群具有多樣性，增加根際系統(tǒng)的復(fù)雜性與穩(wěn)定性[43]。然而，長(zhǎng)期外源性施入肥料等措施也增加了重金屬元素積累等導(dǎo)致根際系統(tǒng)健康功能下降的風(fēng)險(xiǎn)，因此在注意平衡施肥的情況下，需要同時(shí)配合一定的灌溉和耕作措施以降低土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，改善土壤微生物與植物的生存環(huán)境，抑制病害的發(fā)生。

2.3 植物基因型選育

選育抗病抗逆作物品種是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵措施。由于受到環(huán)境脅迫的藥用植物有效成分含量不穩(wěn)定，結(jié)合產(chǎn)量、藥用部位和生長(zhǎng)周期等因素，使得藥用植物育種工作推進(jìn)緩慢[44]。采用傳統(tǒng)育種方法的藥用植物由于育種種類少、育種效率低，目前尚未被引入規(guī)模化栽培[44]。突變育種和組織培養(yǎng)技術(shù)的結(jié)合使用能提高育種效率，但很難預(yù)測(cè)與檢驗(yàn)基因組中的隨機(jī)突變[44]。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的生物安全問(wèn)題依舊存在爭(zhēng)議，目前國(guó)際上引入新的基因改造技術(shù)——基因組編輯技術(shù)，即通過(guò)特定gRNA 的引導(dǎo)在目標(biāo)位點(diǎn)上靶向破壞或重組某段功能性基因染色體，從而改進(jìn)植物性狀[45]。例如CRISPR/Cas 技術(shù)已應(yīng)用于增強(qiáng)菊花（Chrysanthemum morifolium）等少數(shù)藥用植物中生物堿、萜類、黃酮類、酚類、皂苷等化合物的次生代謝途徑，通過(guò)敲除、敲入、點(diǎn)突變、基因表達(dá)的微調(diào)和靶向誘變編輯進(jìn)行工程設(shè)計(jì)可改變植物代謝物的分泌與藥用植物基因調(diào)控根際微生態(tài)系統(tǒng)的能力[45]。通過(guò)編輯植物的易感基因來(lái)抵抗病原微生物的技術(shù)已在水稻（Oryza sativaL.）、大麥（Hordeum vulgareL.）、玉米等農(nóng)作物上進(jìn)行試驗(yàn)，如通過(guò)CRISPR/Cas9 技術(shù)敲除水稻OsERF922基因后提高了其對(duì)稻瘟病病原體的抵抗力[46]。而這些技術(shù)都需要建立在完善的基因組背景分析以及全面的細(xì)胞生理過(guò)程認(rèn)知的基礎(chǔ)上，在未來(lái)把CRISPR/Cas9 與其他組學(xué)技術(shù)相結(jié)合，將有希望生產(chǎn)出能夠應(yīng)對(duì)連作環(huán)境惡化與病害脅迫的藥用植物抗性品種。

2.4 土壤微生物群落組裝

2.4.1 土壤消毒滅菌

土壤消毒能快速殺滅病原菌并遏制其在土壤中的積累。通過(guò)熏蒸將化學(xué)消毒劑施用到連作土壤進(jìn)行滅菌的方法已經(jīng)運(yùn)用到藥用植物連作地中，如三七連作土壤經(jīng)過(guò)氯化苦熏蒸后植株死亡率降低，土壤病原菌數(shù)量顯著減少，這可能與微生物免疫機(jī)制的激發(fā)以及根際微生物群落結(jié)構(gòu)的重新塑造有關(guān)[47]。設(shè)施栽培中常采用高溫悶棚消毒法，其原理是在夏季利用太陽(yáng)能以及有機(jī)物料的分解使土壤溫度升高進(jìn)行高溫悶棚以殺滅土壤病原菌[48]。土壤還原消毒法為通過(guò)有機(jī)物料翻壓、淹水灌溉、地膜覆蓋等操作使土壤與空氣隔絕，創(chuàng)造出強(qiáng)還原狀態(tài)，快速殺滅病原菌和線蟲(chóng)。而病原菌豐度的下降并非土壤還原殺毒法對(duì)連作障礙及土傳病害防控的唯一原因，強(qiáng)還原處理引起的土壤環(huán)境、微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)改變也是抑制連作障礙的重要原因[49]。然而土壤消毒措施對(duì)土壤微生物無(wú)差別的殺滅雖然可使病原菌的數(shù)量降低至致病閾值內(nèi)，但也對(duì)非病原菌造成了一定影響。未來(lái)應(yīng)開(kāi)發(fā)選擇性、生物安全性更高的消毒方式，或是消毒后配合耕作措施，利用有益微生物對(duì)土壤進(jìn)行活化，從而在有效減少土傳病原菌的前提下保障土壤的綠色健康修復(fù)。

2.4.2 微生物菌劑接種

通過(guò)施用功能性微生物菌劑、菌肥調(diào)控植物與微生物間的相互作用，將病原菌數(shù)量調(diào)控在致病閾值內(nèi)，有利于緩解土壤連作障礙。植物促生菌能通過(guò)置換、生產(chǎn)鐵載體以及合成抗生素、細(xì)菌素和水解酶來(lái)抑制病原體的生長(zhǎng)，或是通過(guò)激活植物免疫系統(tǒng)抗性以應(yīng)對(duì)病原體的侵害[50]。芽孢桿菌屬和假單胞菌屬中的一些根際促生菌能誘導(dǎo)具有加強(qiáng)細(xì)胞壁和免疫病原體感染能力的胼胝的積累，建立根際防御，其在番茄（Lycopersicon esculentum）、水稻的抗病系統(tǒng)中起到重要作用[51]。接種單一菌劑如促生菌解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）GB03 能降低土壤鹽脅迫條件下黨參（Codonopsis pilosula）的活性氧水平與葉滲透勢(shì)，提高黨參免疫能力[30]。叢枝菌根可與植物共生，能通過(guò)介入植物、根際微生物與土壤養(yǎng)分間復(fù)雜的相互作用，提高植物抗病性及促使“土壤困難元素”磷的活化，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，提高植物抗病能力[52]。叢枝菌根生物肥料由于富含養(yǎng)分，可使菌根定植率上升，施用到西洋參連作土壤后，土壤芽孢桿菌、假節(jié)桿菌屬（Pseudarthrobacter）等有益微生物豐度上升，而尖孢鐮刀菌和茄病鐮刀菌（Fusarium solani）等病原微生物受到抑制[20]?；凶远疚镔|(zhì)如對(duì)羥基苯甲酸在連作土壤中的富集能引起土傳病害及連作障礙的發(fā)生，而接種綠針假單胞菌（Pseudomonas chlororaphis）能將其降解，從而降低化感自毒作用[53]。然而單一菌劑的接種效果往往有限，目前通常采用復(fù)合菌劑，或是引入健康土壤浸提液移植健康菌群，調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而恢復(fù)根際微生態(tài)系統(tǒng)的整體平衡。

2.5 根際免疫的建立

連作土壤改良的核心是維持根際微生態(tài)系統(tǒng)健康，提高抵御病原體入侵的能力[33]。根際免疫的重點(diǎn)是健康微生物組的搭建與定植，在根際構(gòu)建一組多樣性與互補(bǔ)的有益微生物種群，需要改善土壤養(yǎng)分與土壤環(huán)境以利于其定植。通過(guò)增加根際系統(tǒng)多樣性提高根際生態(tài)系統(tǒng)緩沖病原體入侵的能力，改變藥用植物的代謝途徑并提高其抗病能力、增強(qiáng)植物免疫力，將綜合提高根際有機(jī)整體的抗病能力[33-34]。根據(jù)不同基因型的藥用植物需要采取不同的調(diào)控措施，目前連作狀態(tài)下提高藥用植物根際免疫能力的措施研究有以下幾個(gè)重點(diǎn)：提取與篩選抑病土壤中的有益微生物，明確其基因組學(xué)，根據(jù)不同病原體對(duì)不同基因型藥用植物的感染途徑以接種不同的菌劑；研制微生物菌劑配合有機(jī)物料的特種生物肥，以提供根際微生物養(yǎng)分與土壤緩沖環(huán)境；改良田間管理措施與栽培模式使根際具有生態(tài)多樣性；加強(qiáng)植物基因型選育以增強(qiáng)植物免疫系統(tǒng)對(duì)根際免疫防線的建立等。采用多種措施構(gòu)建從植物免疫到根際免疫的全面病原體防御機(jī)制，是消減藥用植物連作障礙的關(guān)鍵。

3 現(xiàn)存問(wèn)題和展望

3.1 藥用植物連作障礙現(xiàn)存問(wèn)題

有關(guān)藥用植物連作障礙及其機(jī)制的研究在近幾年逐漸成為熱點(diǎn)。連作后植物、微生物、土壤環(huán)境及其相互作用的改變存在動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，如根系分泌物的積累使植物抗病與感病基因調(diào)控表達(dá)放大，對(duì)根際特定真菌群落的選擇能力增強(qiáng)，微生物群落結(jié)構(gòu)的改變也導(dǎo)致了根際微生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與物質(zhì)能量循環(huán)的失衡[15,19,29]。然而目前連作障礙研究多側(cè)重于主糧作物（如小麥、水稻、玉米等）和常見(jiàn)經(jīng)濟(jì)作物（如棉花、番茄、辣椒、香蕉、甘藍(lán)、甜菜等），較少研究關(guān)注到品類豐富的中草藥領(lǐng)域。這也導(dǎo)致了目前藥用植物研究存在較多障礙，可謂任重而道遠(yuǎn)。

1）目前對(duì)藥用植物連作障礙機(jī)制的研究還停留在作物表現(xiàn)和障礙因子尋因階段，而忽視了根際環(huán)境中的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化與微生物群落構(gòu)建過(guò)程，這或許是解開(kāi)根際植物-土壤-微生物互作機(jī)制的關(guān)鍵線索。亟需明確不同藥用植物發(fā)生連作障礙時(shí)土壤-植物系統(tǒng)根際微生物群落特征和主要驅(qū)動(dòng)因子，在此基礎(chǔ)上解析此種群落特征的產(chǎn)生和維持機(jī)制，探明植物、病原物、微生物群落構(gòu)建過(guò)程與作物健康的關(guān)聯(lián)-互作機(jī)制。

2）目前仍然缺少連作藥用植物根際微生態(tài)環(huán)境中長(zhǎng)期精確的實(shí)驗(yàn)信息，未來(lái)應(yīng)注重長(zhǎng)期可控實(shí)驗(yàn)體系的建立，探明連作對(duì)植物、土壤、微生物組和病原物以及它們之間相互作用關(guān)系的影響。

3）根系分泌物研究方法較為滯后。根系分泌物包含多種化合物，比如無(wú)機(jī)離子、糖類、氨基酸、有機(jī)酸、脂肪酸、核苷酸、單寧酸、酚酸、萜類化合物、類固醇、生物堿、聚乙炔和維生素等[7-9]。根系分泌物的組成、質(zhì)量和數(shù)量具有廣泛可變性與復(fù)雜性，需要結(jié)合多種技術(shù)來(lái)分析表達(dá)不同性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)的代謝物質(zhì)。根系分泌物的收集與提取是目前的一大難點(diǎn)，收集、提取不同極性的代謝產(chǎn)物需要采用不同的方法與萃取物，收集和萃取過(guò)程中難免遺漏部分代謝產(chǎn)物；從萃取得到的根系分泌物中分離出的成分較難界定雜質(zhì)，代表性較差，需要采用精確度較高的分析方法。如靶向分析研究能得到大量植物特有的化合物滲出模式，近年來(lái)非靶向代謝產(chǎn)物分析平臺(tái)如氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等的應(yīng)用，以及代謝組學(xué)分析的快速發(fā)展使根系分泌物代謝產(chǎn)物的分離、表征和定量成為可能[54]。

4）根際微生物是參與根際系統(tǒng)能量循環(huán)的活化劑，具有專一性與特異性，加速對(duì)根際微生物的種屬劃分及功能開(kāi)發(fā)，明確根際微生物的生理活動(dòng)及其對(duì)連作障礙產(chǎn)生的影響仍是目前研究的重點(diǎn)。

3.2 連作障礙根際微生態(tài)研究展望

3.2.1 連作障礙根際免疫的構(gòu)建與發(fā)展

對(duì)于藥用植物而言，保證其品質(zhì)與產(chǎn)量至關(guān)重要，而對(duì)連作障礙的緩解措施依舊存在爭(zhēng)議。目前尚未有一套完善的土壤治理措施能綜合協(xié)調(diào)所有的環(huán)境因子，因此在藥用植物連作過(guò)程中根際微生態(tài)系統(tǒng)通常出現(xiàn)反復(fù)治理、反復(fù)失衡的現(xiàn)象。連作障礙的根際微生態(tài)綜合緩解措施是本領(lǐng)域亟待探討的重要課題。當(dāng)前土壤養(yǎng)分速測(cè)、高通量測(cè)序等技術(shù)發(fā)展迅速，研究微生態(tài)系統(tǒng)的手段越來(lái)越發(fā)達(dá)，借助這些工具建立起根際微生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系，同時(shí)配合田間管理技術(shù)，因地制宜、配方施肥，并實(shí)時(shí)生成與調(diào)整種植方案，可建立根際免疫防線，最終提升藥用植物的品質(zhì)與產(chǎn)量。

根際免疫的概念與體系尚未完全建立，仍然需要廣泛的基礎(chǔ)性研究，如對(duì)植物、病原體、微生物組、環(huán)境與根際免疫之間的關(guān)系研究。尤其是根際免疫作為植物先天性免疫系統(tǒng)的外延防線，需要明確植物基因型、多營(yíng)養(yǎng)級(jí)微生物組、土壤環(huán)境之間的免疫驅(qū)動(dòng)機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)根際免疫的精確調(diào)控[33]。

3.2.2 藥用植物根際連作障礙研究亟待創(chuàng)新

有關(guān)藥用植物連作障礙的研究工作主要集中在描述性研究上，如對(duì)引起連作障礙的根際病原菌的研究主要集中在物種、生物量、相對(duì)豐度及相關(guān)性分析上，未來(lái)應(yīng)增強(qiáng)對(duì)其生理生化、致病閾值、根際交互機(jī)制的研究。根際微生物群落結(jié)構(gòu)具有特異性，是植物根系、土壤、微生物共同作用的結(jié)果，在以后的研究中應(yīng)加以重視。未來(lái)微生態(tài)系統(tǒng)理論的深入建設(shè)與研究技術(shù)、分析方法水平的提升密不可分。研究根際微生物組時(shí)考慮如何建立完善的高通量微生物分離與鑒定體系，可考慮應(yīng)用新技術(shù)如DNA 穩(wěn)定同位素探針等；對(duì)基因組進(jìn)行測(cè)序、相關(guān)性分析時(shí)可考慮如何脫離描述以聯(lián)系到背后的互作機(jī)制；同時(shí)，在研究連作藥用植物的根際系統(tǒng)時(shí)，可考慮如何結(jié)合實(shí)驗(yàn)室與溫室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)以簡(jiǎn)化條件因子使實(shí)驗(yàn)具有可控性、可靠性。

連作障礙的研究應(yīng)該建立在完善的根際微生態(tài)系統(tǒng)理論上。未來(lái)仍需要重視以下基礎(chǔ)理論研究方向：微生物與根系分泌物的根圈地理格局；植物與根際微生物的全基因組背景；根際因子如植物與微生物之間的專一性互作關(guān)系；根系分泌物-土壤-微生物相互作用的復(fù)雜過(guò)程和分子生物學(xué)機(jī)制；根圈物質(zhì)能量流與養(yǎng)分循環(huán)體系及其微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制；根際微生態(tài)環(huán)境惡化的表征指標(biāo)等。最終完善對(duì)根際微生態(tài)的系統(tǒng)性建設(shè)，這將有助于深入解釋連作障礙的發(fā)生機(jī)制與建立良好的連作障礙緩解措施體系。各因素及相互作用對(duì)連作土壤根際生態(tài)系統(tǒng)的影響十分復(fù)雜，未來(lái)在較為完善的微生態(tài)理論下應(yīng)量化根際各因素間的相互作用，建立連作狀態(tài)下根際感病土形成的閾值公式，深入理解連作障礙及主要影響因素。

緩解措施應(yīng)該建立在完善的根際微生態(tài)因子綜合系統(tǒng)性調(diào)控體系上，以實(shí)現(xiàn)根際免疫。如建立生物調(diào)控在連作藥用植物改良中的適用性評(píng)估體系，并加強(qiáng)其對(duì)根際微生態(tài)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究，將有助于生物肥料和生物防治劑中的微生物選擇及營(yíng)養(yǎng)源成分改良。富集特定的功能微生物類群，培育特定的功能性微生物組有助于構(gòu)建免疫性根際土壤微生態(tài)環(huán)境，也是提升土壤健康的新技術(shù)。在加強(qiáng)根際微生態(tài)的調(diào)控與保障藥用植物產(chǎn)量、品質(zhì)的前提下，同時(shí)應(yīng)繼續(xù)深入開(kāi)展育種研究，加強(qiáng)植株與根系有益微生物群落的聯(lián)系。

綜上所述，利用多學(xué)科、多手段的研究方法，從根際微生態(tài)角度出發(fā)，研究植物、土壤、微生物間的相互作用及物質(zhì)能量交換機(jī)制，有利于解碼土壤微生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、精準(zhǔn)調(diào)控藥用植物根際微生物活動(dòng)過(guò)程，最終推進(jìn)藥用植物栽培產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，采取多種根際調(diào)控措施相結(jié)合的策略建立根際免疫，緩解連作障礙，應(yīng)成為今后的研究重點(diǎn)。