根系分泌物与土传病害的关系研究进展

根系分泌物是植物–土壤–病原微生物相互作用的桥梁,是决定病原菌–作物关系的关键生态因子,影响着土传病害的发生与发展。本文阐述了根系分泌物的定义、分类及产生机理;重点从根系分泌物的化感自毒效应,根系分泌物诱导根际微生物群落,根系分泌物影响病原菌丰度,根系分泌物影响根际土壤环境4个方面阐述了根系分泌物与土传病害的关系;并从研究方法和研究领域方面展望了今后研究的方向与重点。未来需要建立根系分泌物的原位收集、实时监测、量化方法技术体系,耦合利用组学技术,建立植物根系分泌物–根际微生物组成与功能–病害之间关系的数据库网络公用平台,加强根际病原菌与其他微生物相互作用关系研究,亟需根系分泌物作用下导致植物发病的病原菌浓度阈值研究,以期为发展土传病害的产生原理和完善土传病害根际防控技术提供依据。     

从抑病土壤到根际免疫：概念提出与发展思考

作物土传病害已经成为集约化农业可持续发展中的瓶颈,在粮食安全、资源高效和生态健康多目标协同发展的指导思想下,系统的绿色防控理论和技术体系构建是破解该难题的重要前提。作为植物-土壤互作的热点区域,根际栖息着较土体土壤更丰富的微生物群落,是土传病原物入侵作物根系的必经之路。根际微生态系统中的植物、土壤、微生物组和病原物之间的交互作用必然影响着植物健康。笔者将根际微生态系统抵御土传病原物入侵的现象和能力,称之为"根际免疫"。本文重点梳理根际免疫概念形成的4个重要阶段:(1)抑病土壤概念的提出与发展;(2)抑病微生物筛选与作用机制;(3)抑病土壤核心微生物组及互作机制;(4)根际免疫概念的形成与发展思考。最后从关注根际微生态、注重学科交叉和系统揭示根际免疫机制三方面进行展望,以期为提升土壤-植物系统健康和实现农业可持续发展提供理论依据和技术支撑。     

土壤原生动物——研究方法及其在土传病害防控中的作用

原生动物是原生生物的一种,是土壤食物网中的消费者,能捕食细菌和真菌等其他微生物。除了对土壤微生物群落和物质循环产生重要影响外,根际原生动物与细菌、真菌等土壤微生物共同组成生物网络屏障,并在抵御土传病原菌入侵作物根系的过程中发挥着重要作用。然而,相对于根际有益细菌和有益真菌,国内外关于原生动物防控土传病害的效果及作用机制的研究非常有限。本文梳理了土壤原生动物在土传病害防控中的效果、作用机制及其相关研究方法,并对未来原生动物的研究和应用作出了展望。呼吁更多学者关注土壤原生动物及其在生态系统中的功能,挖掘其在土壤健康和农业可持续发展中的重要价值。     

土壤学不应忽视对作物土传病原微生物的研究

随着集约化种植程度的提高,管理不善、单一作物连续种植、秸秆还田等因素导致的土传病害日益严重,使作物高产对农药的依赖程度不断提高,对我国农业可持续发展、环境和农产品安全构成了很大的威胁。但是,我国当前土壤学几乎忽视了这一土壤学范畴的研究领域。土传植物病原微生物功能明确,是研究土壤微生物区系和生物多样性与功能、土壤微生物与植物生长、土传病原微生物与拮抗微生物等关系的理想研究对象。土壤学在揭示土传病原微生物的生长规律、控制土传病原微生物数量、发挥拮抗微生物的作用、防治作物土传病害等方面具有独特的优势。深入认识土传病原微生物适宜生长的土壤环境是防控作物土传病原微生物生长,实现农药使用量零增长的基础。解决当前严重的作物土传病害不仅是土壤学的责任和义务,而且可以极大地推动土壤学的发展。     

药用植物连作障碍研究评述和发展透视

连作障碍作为现代农业生产中较普遍的问题,在药用植物栽培生产中表现尤为严重,据统计约70%以块根类入药的药用植物在种植过程中都存在严重的连作障碍问题。连作障碍已经成为制约药用植物品质和发展的关键性因素。本研究从药用植物连作障碍问题研究现状出发,分析了当前药用植物连作障碍形成的三大共性问题,即根系分泌物诱导根际土壤酸化、根际微生物群落结构失衡和植株病毒病严重,具体体现在:根系分泌物诱导根际土壤微生物差异性演化、土传病原菌的化感互作、根际微生物区系的失衡加大土壤酸化、根际病原菌增多和有益菌减少导致的土存真菌病害加重、病毒病伴生和发展。并分析了土壤灭菌法、功能微生物调控、作物多样性栽培和生物质炭改良的根际调控策略在减缓药用植物连作障碍中的潜在作用。作者呼吁从事连作障碍研究的工作者应重视从根际生态学角度出发,以土壤食物网为切入点,应用现代系统生物学和化学生态学技术与方法,全面系统探究根系分泌物介导下植物-土壤-微生物的相互作用过程与机制,并着重关注土壤线虫和土壤病毒在连作障碍发生发展中的生态位关系,以深入阐明连作介导土壤酸化的生态学机制和病原菌响应根系分泌物的协同进化机理,在此基础上,采用多种根际调控相结合的策略减缓连作障碍问题,全面考虑经济、社会和生态效益,做到"生态预防为主、综合治理为要"。     

根际促生菌防控土传病害的机理与应用进展

根际促生菌作为一类活跃于植物根际的有益微生物,对抑制土传病害的发生,改善和维护土壤生态质量具有重要作用以及广阔的发展前景。本文综述了根际促生菌直接或间接的土传病害防控机理,包括产抗生素、产水解酶、释放挥发性气体、诱导抗性、分泌铁载体、分泌激素和固氮解磷等;亦从信号识别与迁移、定殖规律以及定殖的微生物群落影响等方面对根际促生菌的定殖防病机理予以了总结;此外,笔者还就根际促生菌的应用现状进行了概述。     

抑病土与感病土对番茄根际微生物性质的影响

为明确不同土壤来源下番茄植株的生长及其根际土壤微生物功能群落的变化特征，以番茄青枯病为研究对象，通过盆栽试验和两种施肥模式研究了抑病和感病土壤对番茄生长情况、根际土壤微生物功能群落结构以及青枯病菌生长的影响。结果表明：(1)抑病土中有机碳、速效氮、有效磷和速效钾含量较高，能促进番茄生长，抑制土传病害发生，其中抑病土中进行有机无机配施(SCOF)处理的番茄地上部鲜重最高，为28.99 g/株，与感病土中进行有机无机配施(CCOF)相比，地上部鲜重显著增加了37.90%；(2)有机无机配施处理抑制了病原菌的生长，其中SCOF与CCOF处理中病原菌的生长较对照分别降低了24.53%与22.23%；(3)有机无机配施与病原菌接种改变了根际微生物代谢功能，其中SCOF处理番茄根际微生物群落代谢活性较强，利用氨基酸类、碳水化合物类、多聚物类等碳源的微生物种群发生变化。总之，抑病土中配合施用有机无机肥有助于帮助宿主植株耐受土传病害胁迫，维持宿主植物的健康生长，这为探索土传病害的发生及防控提供一个视角。     

植物根际沉积与土壤微生物关系研究进展

【目的】活跃的根际微生物被喻为植物的第二套基因组,在植物的生长发育过程中发挥着关键作用。植物通过根际碳沉积影响根际土壤微生物群落的结构和功能;作为根际微生态系统中的物质流、能量流和信息流,根际碳沉积是连接大气、植物和土壤系统物质循环的重要纽带;因此,理解根际碳沉积在根际微生态中的作用对于提高植物抗逆性,增加作物产量,调控根际养分循环等方面具有重大的理论意义。【主要进展】本文就近年来关于根际微生物领域的研究成果,重点综述了根际微生物多样性和组学研究;根际碳沉积的组成和产生机理;根际微生物群落结构的形成机制;根际微生物在促进作物养分吸收、提高作物抗逆性等方面的生态功能;以及气候变化和长期施肥对植物-微生物互作关系的影响。在此基础上我们提出了未来可能的研究重点和发展方向:1)植物根际沉积物原位收集方法和检测技术的改进和发展;2)稳定同位素探针与分子生态学技术的结合,将植物、土壤和微生物三者有机地联系起来,综合分析根际界面中微生物的活性与功能;3)高通量测序、组学技术和生物信息学等新技术的引入势必使根际微生物学研究发生革命性的变化;4)随着全球气候变化和土壤肥力改变,例如全球变暖、CO2浓度升高和长期施用化肥,根际沉积物在植物-土壤-微生物中的分配与调节机制,以及这种环境选择压力下植物如何诱导根际促生菌发挥更大作用。希望通过平衡作物与微生物之间的相互关系来实现作物的高产高效,促进农田的可持续利用。     

利用微生物防除根寄生杂草列当

根寄生杂草列当(Orobanche spp.)已经严重制约全球许多地区的农业发展,寻找有效防除措施迫在眉睫。由于列当具有特殊生活史且与寄主关系密切,常规防除杂草措施难以达到理想防效。目前,尚无既能有效防除列当又不对寄主造成危害且便于大规模推广应用的列当防除措施。在众多列当防除措施中,微生物防除越来越引起关注和重视。本文对微生物防除列当的国内外研究进展及防除机理进行了综述。目前,列当生防微生物的研究主要集中在镰刀菌(Fusarium spp.)等列当病原菌和根瘤菌(Rhizobium spp.)等列当寄主植物共生菌上。微生物防除列当的机制主要包括两方面:一是通过产生代谢产物直接影响列当的萌发和生长,或通过降解列当种子萌发诱导物质间接影响列当的萌发;二是通过提高寄主植物自身对列当的抗性间接影响列当的寄生和生长。此外,本文还重点介绍了植物土传病害的土壤拮抗微生物防除列当杂草的可行性及研究进展。植物土传病害病原菌和列当均首先通过在地下侵染作物的根系进而危害作物正常生长,而作物抗土传病害的机理也与抗列当的机理类似。因此,存在于土壤中具有防治植物土传病害能力的微生物可能也具有防除根寄生杂草列当的功能。本团队前期试验从植物土传病害的土壤拮抗微生物中筛选到在盆栽试验中能够有效防除向日葵列当(O.cumana Wallr.)和瓜列当(O.aegyptiaca Pers.)的放线菌各1株,分别为淡紫褐链霉菌(Streptomyces enissocaesilis Sveshnikova)和密旋链霉菌(Streptomyces pactum Bhuyan B.K)。其中,密旋链霉菌的菌剂在田间试验中既降低了瓜列当的出土数量又增加了番茄的产量。总之,微生物是防除根寄生杂草列当的一条有效途径。     

间套作防治作物土传枯萎病的研究进展

作物间套作是农业生态系统中常见的一种种植模式。在这种生产模式中,两种或多种作物不仅可以充分利用光、热、水、气、肥等资源,提高单位土地面积的生产力,而且还会影响植物病虫害发生。连作引发的枯萎病是影响很多作物减产的重要原因。通过合理间套作,可以有效地提高作物的抗病能力,以达到自然控制枯萎病的目的。本文首先综述了国内外不同作物间作模式对土传枯萎病的防治效果;其次,从田间小气候改变、寄主形态及生理改变、诱导寄主抗性、养分高效利用、抑制病原菌及土壤微生物多样性方面对控害机制的最新进展进行了总结。在此基础上,对当前间作防控土传病害的局限性进了讨论,并对未来利用不同作物间作防治植物土传病害的研究方向及间作防控土传病害研究需要关注的热点问题进行了展望。     

籽粕熏蒸对哈密瓜发病土壤真核生物群落组成和变化的影响

本文利用十字花科白菜型和芥菜型籽粕作为土壤绿色熏蒸剂，研究了籽粕对哈密瓜土传病害的防治效果以及该过程中真核微生物群落在哈密瓜整个生育期的动态变化。研究结果表明两种籽粕对病害有显著防控效果，与化学熏蒸剂棉隆效果相似，但对土壤中微生物群落的扰动以及根际微生物的富集方面存在明显不同。白菜型和芥菜型籽粕均能显著降低土壤中真核微生物的丰富度和多样性，并有选择性的促进土壤中某些特定微生物的恢复和富集，使得有益微生物在根际定殖。在整个过程中，子囊菌门（Ascomycota）真菌主导了微生物群落结构的变化，且在根际有益微生物的群落构建中起到了重要作用，其下属曲霉属（Aspergillus）和毛壳菌属（Chaetomium）中的慢性曲霉（Aspergillus lentulus）和未知物种（OTU_213）与发病率间呈现出显著负相关关系，可能抑制了病原菌群在根际的定殖。而棉隆处理对根际有益微生物的富集方面影响较小，对土壤微生物群落结构的作用也不显著。     

作物土传病害防控的健康微生物群落构建原理与实践

植物-土壤反馈效应及农田生产特点决定了农田土壤生产力的不可持续性,因而必须采用适当的措施方可保持地力常新。施用化肥解决了农田土壤的养分贫化问题,极大地提高了作物产量,但激发了土传病原生物的活性,作物土传病频发成为制约集约化农业可持续发展的瓶颈问题。现有的研究成果表明,地上生物多样性与土壤微生物多样性紧密联系,植物提供的有机物质是连接二者的物质基础。单一作物种植的集约化农业提供给土壤微生物可利用的有机物质来源单一,导致土壤微生物多样性下降,削弱对土传病原生物致病性的抑制作用。本文提出,在作物生长过程中添加土壤有益微生物偏好利用的有机物质,激活土壤有益微生物,可能是维持集约化农业土壤生物健康,抑制作物土传病的有效途径。为此,有必要开展各种土壤微生物偏好利用的有机物质以及作物生长过程中如何施用有机物质的方法。     

Microalgal bioinoculants for sustainable agriculture and their interactions with soil biotic and abiotic components: A review

Modern agricultural practices have posed a detrimental impact on the environment due to their intensive use to meet the food demands of an ever-increasing population. In this context, microalgal bioinoculants, specifically cyanobacteria and green microalgae, have emerged as sustainable options for agricultural practices to improve soil organic carbon, nutrient availability, microbial quality, and plant productivity. An overview of current and future perspectives on the use of microalgal bioinoculants in agriculture practices is presented in this review, along with a discussion of their interactions with soil biotic and abiotic factors that affect soil fertility, plant health, and crop productivity. The benefits of microalgal bioinoculants include releasing agronomically important metabolites (exopolymers and phytohormones) as well as solubilizing soil nutrients. Furthermore, they function as biocontrol agents against soil-borne pathogens and facilitate the establishment of rhizosphere communities of agricultural importance. So far, very few studies have explored the basic mechanisms by which microalgal bioinoculants interact with soil biotic and abiotic factors. In recent years, advanced molecular techniques have contributed to a better understanding of these interactions.     

2-Phenylethylisothiocyanate concentration and microbial community composition in the rhizosphere of canola

Canola crops have been shown to inhibit soil-borne pathogens in following crops. This effect is mainly attributed to the release of low molecular S-containing compounds, such as isothiocyanates, during microbial degradation of the crop residues. We have assessed the effect of low concentrations of phenylethylisothiocyanate (PEITC) on soil microbial communities as well as its rate of degradation in soil and determined the concentration of PEITC and the microbial community structure in the rhizosphere of canola. PEITC was degraded within 96 h by soil microorganisms. PEITC added to the soil daily for 5 d affected both bacterial and eukaryotic community structure, determined by PCR-DGGE. Community structures of bacteria and eukaryotes changed at PEITC concentrations between 1300 and 3790 pmol g⁻¹ soil fresh weight but was unaffected at lower concentrations. The PEITC concentration in the rhizosphere of living canola roots was greater in first order laterals than in second order laterals. The maximal PEITC concentration detected in the rhizosphere was 1827 pmol g⁻¹. Redundancy analysis of the DGGE banding patterns indicated a significant correlation between the PEITC concentration in the rhizosphere and the community structure of the active fraction of eukaryotes and bacteria in the rhizosphere. Other important factors influencing the microbial community structure were soil moisture and plant dry matter. It is concluded that canola may affect the soil microbial community structure not only after incorporation of canola residues but also during active growth of the plants.     

Pineapple–banana rotation reduced the amount of Fusarium oxysporum more than maize–banana rotation mainly through modulating fungal communities

Continuous cropping with banana results in an enrichment of Fusarium oxysporum f. sp. cubense race 4 (FOC) in soil, causing the soil-borne disease Fusarium wilt. Crop rotation has been an effective method of controlling various soil-borne diseases. However, no information is currently available concerning variations in soil microbial community structure in banana crop rotations. Thus, the influence of two-year crop rotation systems of pineapple–banana and maize–banana on the population density of FOC and soil microbial community structure was investigated to identify which rotation system is more effective in FOC suppression and differences in microbial community composition among different rotations. Bacterial and fungal communities were interrogated by pyrosequencing of the 16 S RNA gene and the internal transcribed spacer (ITS) region. The pineapple–banana rotation was more effective than maize–banana in reducing FOC abundances and suppressing Fusarium wilt disease incidence. Allelopathic effects of pineapple root exudates on FOC were not observed. Greater fungal community variations than bacterial were identified between the two rotation systems, suggesting that fungal communities may play a more important role in regulating FOC abundances. Furthermore, in the pineapple–banana rotation, Acidobacteria, Planctomycetes, Chloroflexi phyla, Gp1, Gp2 and Burkholderia bacterial genera increased while the fungal phyla Basidiomycota, (esp. Gymnopilus) increased and Sordariomycetes decreased. Such changes may be important microbial factors in the decrease in FOC.     

A DGGE analysis shows that crop rotation systems influence the bacterial and fungal communities in soils

A better understanding of the relationships among different cropping systems, their effects on soil microbial ecology, and their effects on crop health and productivity is necessary for the development of more efficient, sustainable crop production systems. We used denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) to determine the impacts of crop rotations and crop types on bacterial and fungal communities in the soil. The communities of bacterial 16S rRNA genes and fungal 18S rRNA genes were analyzed in experimental field plots that were kept under 4 different crop rotation systems from 1999 to 2008 (continuous cabbage (Brassica oleracea var. capitata L.), cabbage–lettuce (Lactuca sativa L.) rotation, cabbage–radish (Raphanus sativus L. var. longipinnatus L.H. Bailey) rotation, and a 3-year crop rotation). A principal component analysis (PCA) and a canonical correspondence analysis (CCA) revealed that both the bacterial and fungal communities in bulk soils were influenced by the crop rotation systems. However, the primary factors influencing each community differed: bacterial communities were most affected by soil properties (especially carbon content), while fungal communities were influenced most strongly by rotation times. To elucidate factors that may cause differences in crop rhizosphere microbial communities, the microbial communities in the harvested cabbage rhizospheres were also analyzed. The results suggest that the fungal communities in bulk soil are related to the rhizosphere fungal communities. Our present study indicates that the microbial communities in bulk and rhizosphere soils could be managed by crop rotation systems.     

基于知识图谱分析的沼液还田利用研究现状与发展趋势

畜禽养殖业的集约化和规模化发展,造成畜禽粪污产生量急剧增加。畜禽粪污处理不当可对周遭的土壤、水体、大气等造成污染,成为我国农业面源污染的主要来源之一。基于Web of Science核心合集数据库,采用文献计量学方法对此研究领域的相关文献进行分析整合。结果表明：(1)全球对粪肥污染研究的重视程度越来越高,沼液作为畜禽粪污厌氧消化的主要产物,其在还田领域的发文主要集中于土壤科学、环境科学、农学3个学科;(2)美国、中国、德国、澳大利亚、法国等国家在沼液还田利用研究领域发文量较多,相互合作密切;(1)沼液还田利用领域的发文期刊主要有Agriculture Ecosystems&Environment、Geoderma、Science of the Total Environment,其中2021年的SCI影响因子较高的主要期刊有Science of the Total Environment、Geoderma、Agriculture Ecosystems&Environment、Catena等。沼液还田利用的未来研究趋势主要集中于沼液所携带的活性物质与菌群对土壤肥力的促进机...