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"。     

药用植物的化感自毒作用与连作障碍

本文阐述了药用植物化感自毒作用的概念、产生机理和作用特点,指出药用植物的药用活性成分与化感自毒物质的同源性是药用植物栽培中连作障碍与化感自毒作用更重要的根本原因.文章分析了连作障碍产生的原因与药用植物化感自毒作用的关系,结合作者运用DGGE和T-RFLP技术对根际土壤微生物区系的系统研究结果,提出综合运用农艺措施减缓连作障碍与化感自毒作用的危害.     

花生连作障碍发生机理研究进展

连作导致花生产量和品质下降,严重影响了花生持续生产。本文结合20年花生长期定位试验研究,从土壤理化性质恶化、化感自毒作用和微生物区系失衡3个方面系统地综述了花生连作障碍的发生机理,认为花生根际微生态系统综合功能失调是造成花生连作障碍的主要原因,并分别就化感作用、根际分泌物与根际微生物的关系、根际微生物与连作障碍的关系和多因子综合考虑等角度对该领域未来的研究方向进行了展望。     

根系分泌物的化感作用及其对土壤微生物的影响

总结了根分泌化感物质的种类及其化感效应,分析了生物和非生物因素与根系分泌化感物质之间的关系。此外,根系分泌化感物质的研究手段对于所取得的研究结果至关重要,其中根分泌物收集系统是收集根分泌化感物质的常用而可行的方法之一。对于根分泌化感物质的分离鉴定技术有多种,可根据需要选择适宜的分离方法。还列举了一些作物根分泌的化感物质对根际微生物产生的影响,阐明了根分泌的化感物质所起的重要化感作用。根分泌物化感作用的研究已成为土壤生态学领域的热点与前沿课题,自然条件下原位收集鉴定植物根系分泌物中的化感物质等诸多问题是该领域今后的研究重点。     

连作对花生根系分泌物化感作用的影响

采用连续收集法提取连作5 年、3 年和轮作处理的花生结荚期根系分泌物, 研究其对土壤微生物及花生种子发芽、幼苗生长发育和细胞膜过氧化的化感作用及连作对花生根系分泌物化感作用的影响。结果表明,花生结荚期根系分泌物对花生根腐镰刀菌36194 菌丝的生长、叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)含量存在促进作用, 对固氮菌14046 的生长, 花生种子胚根的伸长、幼苗的苗高、茎叶鲜重、根系鲜重、叶片叶绿素含量等有抑制作用, 促进和抑制作用均随根系分泌物添加浓度和连作年限的增加呈增强趋势。连作花生结荚期根系分泌物化感物质在土壤中的累积, 很可能是导致花生连作障碍的原因之一。     

不同植龄啤酒花根际土壤中有机化合物的初步分离鉴定

植物根际区是土壤中物理、化学、生物学作用极其活跃的特殊微生态系统,在生物与环境的共同作用下,根际土壤中产生很多有机化合物,它们来源于植物体根系分泌、地上部淋溶、植物残茬及土壤生物的分解等[1],这些化合物中很多是化感物质,直接或间接地影响着植物的生长发育。化感作用(A llelopathy),即相生相克作用,是指一种植物或微生物(供体)向环境释放化学物质而影响其他有机体包括植物、微生物和动物(受体)的生长和发育的化学生态学现象,包括促进和抑制两方面作用[1~5]。当受体和供体同属于一种植物时产生抑制作用的现象,称为植物的自毒作用。大多数植物均存在自毒作用,而且研究发现自毒作用经常是作物产生连作     

化感植物根际生物学特性研究现状与展望

植物的根际是一个复杂的微生态系统,植物的根必须与入侵的邻近植物根及大量以有机物质为营养的细菌、真菌、土存害虫相互竞争空间、水分、矿质营养等。在土壤中,根与根际生物体的相互作用相当复杂且受到许多土壤因素的影响,地下根际生物体以根分泌物为媒介相互作用的机制比发生在地表的生物体的相互作用复杂的多。越来越多的试验表明,根分泌物在根与根、根与根际微生物间起着重要作用,并以其为媒介在植物与环境的相互作用中起着传递信息的作用。本文在简要综述前人研究的基础上,深入探讨了化感植物根际生物学问题及攻克途径,以期为深入研究植物化感作用提供依据。     

根系分泌物主要作用及解析技术进展

根系分泌物是植物保持根际微生态系统活力的关键因素，也是根际物质循环的重要组成部分，对根际土壤生态环境中的物质循环具有重要的驱动作用。根系分泌物可以刺激微生物生长，增强其活性，加速根际养分循环，增加土壤养分利用率，并在小规模空间引起温室气体通量的变化。此外，它也是植物参与竞争的重要策略，植物通过根分泌物以获取种间长期生存的养分，甚至分泌对自身有害的化感物质来排挤其他植物，实现自我生存，即使存在自毒作用或引起连作障碍等。植物的健康生长依赖于自身与土壤微生物复杂动态群落的相互作用，但是根际微生物群落结构和组成却又受植物物种、植物生长期、土壤性质、功能基因等因素影响，这些因素的动态变化可能导致根系分泌物的多样化，从而形成复杂多变的根系分泌物与植物的关系，进而影响植物的健康生长。目前，对植物根系分泌物的研究是土壤生态学、植物营养与代谢等领域的研究热点，且随着分析技术手段的快速发展，根系分泌物相关研究也逐渐深入，进一步揭示植物与微生物间的协同作用机理对农、林等行业生产具有重要的指导意义。     

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。     

连作自毒物质与根际微生物互作研究进展

连作障碍是农业生产中普遍存在的现象,与根际微生态失衡有直接关系,导致病原微生物富集,土壤从抑病型转向导病型,造成植物生长变弱、病虫害爆发、产量和品质下降。植物化感自毒物质在根际微生态破坏方面具有直接作用。自毒物质具有选择性培养基的作用,伴随植物生长不断积累,刺激根际病原菌生长而抑制有益微生物生长,导致根际微生物群落结构失衡,病原菌增加,植物病害爆发。自毒物质和根际微生物的互作关系从四个方面总结综述,包括自毒作用、自毒物质、自毒物质与根际微生物互作及植物根际促生菌缓解连作障碍。     

Soil sickness of peanuts is attributable to modifications in soil microbes induced by peanut root exudates rather than to direct allelopathy

The quantity and quality of peanut yields are seriously compromised by consecutive monoculture in the subtropical regions of China. Root exudates, which represent a growth regulator in peanut–soil feedback processes, play a principal role in soil sickness. The growth inhibition of a species in an in vitro bioassay enriched with root exudates and allelochemicals is commonly viewed as evidence of an allelopathic interaction. However, for some of these putative examples of allelopathy, the results have not been verified in more natural settings with plants continuously growing in soil. In this study, the phenolic acids in peanut root exudates, their retention characteristics in an Udic Ferrosol, and their effects on rhizosphere soil microbial communities and peanut seedling growth were studied. Phenolic acids from peanut root exudates were quickly metabolized by soil microorganisms and did not accumulate to high levels. The peanut root exudates selectively inhibited or stimulated certain communal bacterial and fungal species, with decreases in the relative abundance of the bacterial taxa Gelria glutamica, Mitsuaria chitosanitabida, and Burkholderia soli and the fungal taxa Mortierella sp. and Geminibasidium hirsutum and increases in the relative abundance of the bacterial taxon Desulfotomaculum ruminis and the fungal taxa Fusarium oxysporum, Bionectria ochroleuca and Phoma macrostoma. The experimental application of phenolic acids to non-sterile and sterile soil revealed that the poor performance of the peanut plants was attributed to changes in the soil microbial communities promoted by phenolic acids. These results suggest that pathogenic fungal accumulation at the expense of such beneficial microorganisms as plant growth promoting rhizobacteria, mycorrhizal fungi induced by root exudates, rather than direct autotoxicity induced by root exudates, might represent the principal cause underlying the soil sickness associated with peanut plants. We hope that our study will motivate researchers to integrate the role of soil microbial communities in allelopathic research, such that their observed significance in soil sickness during continuous monocropping of fields can be further explored.     

当归营养期的化感作用

为探讨当归(Angelica sinensis)自毒作用与连作障碍的关系并建立合理的轮作制度,利用4个浓度当归营养期根部及茎叶部水浸液对当归及其种植区常见作物油菜(Brassica campestris)、小麦(Triticum aestivum)和燕麦(Avena sativa)的种子和幼苗进行了生物测定。分析结果表明,当归具明显的自毒作用(敏感指数M3=-0.258 3),茎叶部分的自毒效应强于根部,且作用强度随浓度增加而增强;小麦和燕麦对当归的化感作用有一定的耐受能力,综合敏感指数(M)分别为-0.075 5和-0.144 7;而油菜对当归的化感作用较为敏感,综合敏感指数为-0.307 9,这一结果与实际种植情况不符,推断可能与当归化感物质在土壤中的转化导致化感作用降低有关。在种间化感作用的研究中发现根部的化感作用强于茎叶,并有高抑制低促进的浓度效应。试验结果说明当归的自毒作用是造成连作障碍的原因之一;当归对小麦和燕麦的化感作用较弱,可以用于当归轮作体系,缓解因自毒作用而引起的连作障碍。     

Medicinal plants for suppressing soil-borne plant diseases

Most plants exhibit inhibitory and stimulatory biochemical interactions with other plants and microorganisms, referred to as “allelopathy.” Especially, through root exudates, higher plants are able to affect the microfiora in the rhizosphere. Production of biological active substances by higher plants that prevent phytopathogens (bacteria, fungi, and nema-todes) from infecting crops has been reported (Yoshihara et al. 1988; Schenk et al. 1991). In addition, many species of plants which have been widely used for medicinal purpose also exert an allelopathic effect (Fujii et al. 1991).     

苎麻根际土壤水浸提液化感潜力评价

【目的】通过苎麻根际土壤水浸提液有机化合物的分离鉴定及生物学实验,探讨了苎麻败蔸与化感作用的关系。【方法】运用气相色谱-质谱联用技术 (GC-MS),对苎麻根际土壤的不同极性有机溶剂萃取液进行了物质成分分析;采用室内生物测定方法,研究了不同浓度苎麻根际土壤水浸提液对萝卜、油菜、拟南芥 3 种植物的化感效应;并应用实时定量 PCR 技术 (QPCR),测定了不同浓度根际土壤水浸液处理后拟南芥其抗逆基因 RD29A (AT5G52310) 和 RD29B (AT5G52300) 及生长素合成相关基因 YUC1 (AT4G32540) 的相对表达水平。【结果】四种不同极性有机溶剂萃取液经 GC-MS 检测共鉴定出 51 种有机化学物质,包括烃类及其衍生物、甾类化合物、苯甲酸及其衍生物、酚类、萜类、含氮类等已被报道具有化感活性的化合物。不同浓度苎麻根际土壤水浸液对 3 种不同植物的下胚轴长及根长的化感效应具有差异性,随着浸提液浓度增加,对油菜及拟南芥抑制作用越显著,但对萝卜的影响不显著。QPCR 检测结果表明,拟南芥的 RD29A、RD29B、YUC1 这 3 种基因的表达量随水浸提液浓度增加均降低。【结论】苎麻根际土壤中含有抑制自身生长的潜在化感物质豆甾-4-烯-3,6-二酮,2,5-二叔丁基苯酚,邻苯二甲酸二乙酯,6,6-二甲基-1,3-庚二烯-5-醇,羊毛甾-8,24-二烯-3,22-二醇。高浓度苎麻根际土壤水浸提液对供试三种植物下胚轴长及根长具有抑制效果,因此,连作导致的化感物质累积可能是连作导致苎麻败蔸的原因之一。     

苜蓿根际土壤化感潜力的初步研究

通过盆栽试验和发芽实验初步研究了4个生长年限(处理)的苜蓿地土壤化感作用强弱,其抑制活性强弱依次为:三年生苜蓿地>二年生苜蓿地>一年生苜蓿地>休闲地;在相同处理条件下,苜蓿对其他作物的化感作用强于其自毒效应。在一定年限内,苜蓿化感物质通过根系分泌、残茬分解和地上部分淋溶等途径进入土壤中,呈现出逐年富集的趋势。     

Physical,Chemical, and Biological Changes in the Rhizosphere and Nutrient Availability

The rhizosphere is the soil zone adjacent to plant roots which is physically, chemically, and biologically different from bulk or non-rhizosphere soil. Adaptative mechanisms of plants influence physical (temperature, water availability, and structure), chemical [pH, redox potential, nutrient concentration, root exudates, aluminum (Al) detoxification and allelopathy], and biological properties (microbial association) in the rhizosphere. These changes affect nutrient solubility, transport, and uptake and ultimately plant growth. Major rhizosphere changes are synthesized and their influence on nutrient availability is discussed. In the last decade, significant progress has been made in understanding the rhizosphere environment and nutrient availability. However, the subject matter is very complex and more research is needed to understand the interaction between the plant, the rhizosphere environment, and nutrient availability.