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.     

连作和轮作模式下花生土壤微生物群落不同微域分布特征

根际微生物区系失衡是作物连作障碍发生的重要原因,而不同的种植管理模式下作物极可能选择特定的根际微生物群落减缓或加重连作障碍。采用经典可培养技术和分子分类方法,分析连作和轮作体系下花生根表、根际及非根际土壤微生物群落变化规律及其与连作障碍之间的关系。结果表明:与轮作相比,连作栽培模式下花生荚果产量降低45.8%、根瘤数减少57.5%、植株生物量下降24.1%;相应的青枯病和根腐病病情指数分别增加至2.93倍和2.43倍。轮作和连作两种管理方式下,土壤细菌和真菌数量均呈明显空间分异规律,从"根表—根际—非根际"显著下降,尤其根表微生物数量是根际微域的2.83倍～329倍。进一步分析则发现,轮作和连作条件下花生根表微生物的数量差异最大,细菌约为1.06倍～3.28倍、真菌约为1.14倍～14.44倍,这种差异明显高于轮作和连作花生在根际和非根际微域上的差异,表明根表微生物群落受花生根系生理代谢活动影响最大,与连作障碍关系最为密切。针对可培养微生物菌群的分子鉴定则表明,轮作花生根表有益微生物主要包括假单胞菌(Pseudomonas sp.)、白地霉(Geotrichumcandidum),其比例明显高于连作,而连作花生根表的病原菌比例则明显高于轮作,包括踝节菌(Talaromyces sp.)、黑曲霉(Aspergillus niger)、粉红粘帚菌(Clonostachys rosea)和沙雷氏菌(Serratia sp.)等。这些结果表明连作种植模式有利于病原真菌在根表定殖,抑制了有益细菌的生长,可能是花生连作障碍下土传病害大幅上升的重要原因。     

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。     

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"。     

植物化感作用类型及其在农业中的应用

本文总结前人研究成果的基础上,对不同植物化感作用类型及其作用机制和在农业中的应用进行了探讨。植物化感作用包括化感偏害作用、自毒作用、自促作用和互惠作用。植物化感偏害作用是由植物根系分泌物介导下的植物与特异微生物共同作用的结果。利用植物化感偏害作用控制田间杂草是一项环境友好型的可持续农业技术,并已在水稻化感抑草研究方面取得了较突出的成果。植物化感自毒作用(作物连作障碍)是造成作物产量降低、生长状况变差、品质变差、病虫害频发的现象。药用植物,特别是以根部入药的药用植物中,连作障碍表现更为突出。近年来研究结果认为根系分泌物生态效应的间接作用及土壤微生物区系功能紊乱是导致植物连作障碍的主要因素。因此,改善土壤生长环境,恢复和修复根际土壤微生物结构平衡,增强生态系统机能是克服作物连作障碍的关键。植物化感自促作用(连作促进作用)是在植物根系分泌物促进下,根际土壤微生物之间此消彼长,有益微生物之间互利协作,土壤肥力和营养补给能力明显改善,从而增强植物根系抗性,促进植物生长发育,提高产量和品质的结果。牛膝的连作促进作用明显,有学者试图通过牛膝与其他不耐连作药用植物间作套种或轮作,实现药用植物生产的可持续发展。植物间的正相互作用(互惠作用)是作物间套种系统超产和养分等资源高效利用的重要机制,根系分泌物在介导根际微生物与植物的有利互作中起到重要作用。最后作者强调指出,存在于根际土壤的微生物群落的宏基因组组成是决定植物能否健康生长的关键。深入研究存在于土壤生态系统中的植物体外基因组的组成与演化机制,将成为借用现代合成生物学原理与技术,定向控制植物根际生物学过程,促进作物生产可持续发展的优先研究领域。     

持续施用生物有机肥对花生产量和根际细菌群落的影响

我国红壤旱地花生连作现象普遍，化肥施用量大，花生产量却逐年降低。为了揭示集约化经营制度下施用生物有机肥对花生连作障碍的调控，采集旱地红壤进行了连续5年的盆栽实验，实验处理包括花生-玉米轮作、施用化肥的花生连作和施用生物有机肥的花生连作，探究持续施用生物有机肥防控花生连作障碍的根际微生态机制。结果显示，相比于轮作，施用化肥的连作花生产量显著降低；相比于连作花生施用化肥，持续施用生物有机肥可以显著缓解连作花生产量降低的问题，在施用有机肥第5季荚果干重提高27%。与施用化肥的连作处理相比，持续施用生物有机肥显著增加了花生根际细菌多样性和丰富度，与轮作花生处理无显著差异。持续施用生物有机肥显著提高了连作花生根际变形菌门和拟杆菌门的相对丰度，降低了厚壁菌门的相对丰度。属水平上，花生根际促生菌Rhizobium，Mesorhizobium和Bradyrhizobium的相对丰度较化肥处理分别提高了295%、89%和40%，而Leifsonia和Burkholderia的相对丰度分别降低了67%和47%。冗余分析进一步发现，土壤有机质和pH值是根际细菌群落结构改善的重要理化因素。这表明持续施用生物有机肥可以改良红壤理化环境（如pH值和有机质含量），进而优化连作花生根际细菌群落结构并提高根际抗病性能，实现花生稳定增产的目标。     

连续施用有机肥对连作花生根际微生物种群和 酶活性的影响

花生连作导致土传病害易发,严重制约其产量和品质。为探讨持续施用有机肥缓解连作花生病害发生的防治机理,大田条件下研究了连续6年施用化肥、普通有机肥和生物有机肥(接种内生菌拟茎点霉B3)后对连作花生根腐病、根际土壤典型微生物种群和酶活的影响。结果表明:与单施化肥相比,持续施用普通有机肥和生物有机肥可有效控制连作花生土传病害发生,荚果产量提高23.8%和47.9%。连续施用普通有机肥和生物有机肥均显著提高根际过氧化氢酶、脱氢酶和酚氧化酶活性,荧光定量PCR进一步测定出连续施用有机肥可显著增加连作花生根际细菌和真菌的数量,说明连续施用有机肥后连作花生根际微生物活性显著提升。连续施用普通有机肥和生物有机肥显著增加了连作花生根际有益微生物种群的数量,其中放线菌增加0.9倍和1.6倍,假单胞菌增加10.9倍和13.1倍,伯克氏菌增加2.6倍和1.9倍,芽孢杆菌增加1.1倍和2.1倍;然而连续施用有机肥对连作花生根际主要致病微生物种群(如镰刀菌属和青枯雷尔氏菌)无明显影响。表明通过持续施用有机肥可有效提高连作花生根际有益微生物种群的数量和土壤酶活性,进而改善连作花生根际微生态环境,增强连作土壤抑病能力,以达到控制连作花生土传病害易发的目的。     

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。     

茅苍术间作对连作花生土壤线虫群落的影响

以连作10年花生的红壤为基质,分别设置花生单作和花生/茅苍术间作处理,于花生成熟期采集单作花生根际土壤、间作处理花生和茅苍术根际土壤,分析土壤线虫的数量、多样性和群落结构,以揭示茅苍术间作对土壤线虫群落的影响及对花生连作障碍的缓解机制。结果表明,与花生单作相比,间作处理花生的株高、主根长、秸秆干重和荚果干重显著增加(p0.05)。茅苍术间作减少了连作花生土壤线虫的总数,显著提高了花生根际土壤食细菌线虫、食真菌线虫和捕食/杂食线虫的相对丰度,降低了植物寄生线虫的相对丰度(p0.05)。与花生单作相比,间作提高了花生根际土壤线虫的Shannon-Wiener多样性指数(H′)和均匀度指数(J),而土壤线虫群落的优势度指数(λ)显著降低。间作处理花生根际土壤线虫的瓦斯乐斯卡指数(WI)和自由生活线虫成熟度指数(MI)显著升高,植物寄生线虫成熟度指数(PPI)显著降低,而线虫通道比(NCR)无显著变化。综合分析得出,茅苍术间作可以提高花生连作土壤线虫多样性、优化土壤线虫群落结构,进而增强有益线虫的生态功能、改善花生连作障碍。     

花生连作土壤障碍机制研究进展

花生是我国主要经济作物和油料作物,连作障碍问题严重影响花生的产量与品质,制约着我国花生产业可持续发展。已有研究认为自毒物质积累、病菌增加、土壤微生物群落失衡及土壤理化性质恶化是花生连作障碍的主要因子,但大多停留在单因子水平上,有的认识缺乏直接的证据。本文简要综述了花生连作障碍的危害、机制及调控措施,结合作者近几年来相关研究,主要从花生根系分泌物效应、化感物质存留特征、土壤生物群落演变等方面介绍了花生连作障碍机制研究进展,最后对花生连作障碍的进一步研究及防控技术发展方向提出展望。     

甘薯连作对根际土壤微生物群落结构的影响

为探究甘薯连作后根际土壤微生物群落结构变化,以徐薯18(耐连作品种)和遗字138(不耐连作品种)为试验材料,连作2年,于栽植初期和收获前期分别采集根际土壤,利用磷脂脂肪酸法(PLFA)分析其根际土壤微生物群落结构变化。结果表明,连作后,2个品种根际土壤的总PLFA含量均有所提高,与2015年相比,2016年栽植初期遗字138根际土壤真菌和放线菌PLFA的增加量分别是徐薯18的3.5倍和1.24倍,且均达到显著水平;F/B和G⁺/G^-在不同采样时期有所不同;主成分分析提取的2个主成分解释了89.05%的变异,其中PC1解释了76.91%的变异,PC2解释了12.14%的变异。2个品种连作前后差异明显。休闲期甘薯根际土壤微生物含量增多,这可能有助于缓解连作障碍。综上,甘薯连作导致甘薯根际土壤微生物群落结构失衡,特别是不耐连作品种连作后导致真菌数量明显增加。本研究结果为应用生态防控技术缓解连作障碍提供了理论依据。     

Liquid laccase production by Phomopsis liquidambari B3 accelerated phenolic acids degradation in long-term cropping soil of peanut

The accumulation of phenolic acids in soil is one of the main problems associated with continuous cropping of peanut. Although laccases secreted by fungi can efficiently transform phenolic acids, there are few reports on the use of these enzymes to bioremediate continuous cropping soil. Food waste and wheat straw are waste products; however, they could be used productively as resources for laccase production by the endophytic fungus Phomopsis liquidambari B3. We cultured Phomopsis liquidambari B3 in medium containing food waste as the main nitrogen source and wheat straw as the main carbon source. In order to study the effects of fermentation liquid on phenolic acid degradation, rhizosphere soil microbial communities and peanut seedling growth, the fermentation product, which had high laccase activity, was added to continuously cropped soil of peanut. The concentration of 4-hydroxybenzoic acid, vanillic acid, and coumaric acid in soil had decreased by 57.4, 52.5, and 49.4%, respectively, compared with no-treatment control during 28 days. Analysis of denaturing gradient gel electrophoresis profiles showed that the bacterial and fungal community structures in rhizosphere soil were affected by changes in the phenolic acids concentration. The biomass of peanut plants and the number of root nodules were increased 68.3% and 5.9-fold, respectively. These results showed that the laccase product reduced the accumulation of phenolic acids in soil, the decrease in phenolic acids concentration and the increase in certain dominant microorganisms promoted peanut seedling growth and nodulation. This technology provides a new strategy for bioremediation of continuous cropping soil, while simultaneously reducing waste and protecting the environment.     

不同种植模式土壤水浸提液对胡麻的化感效应

采用浸提液生物测试法研究了不同种植模式土壤水浸提液对胡麻的化感效应。结果表明:1)不同处理土壤水浸提液对胡麻种子萌发有不同程度的抑制作用,高浓度处理比低浓度处理抑制作用更强,且抑制效应由大到小依次是胡麻连作胡-麦间作撂荒小麦连作,说明胡麻连作更能产生连作障碍,自毒效应明显;2)不同处理土壤水浸提液对胡麻幼苗的苗鲜重、根鲜重、根长有不同程度的抑制作用,且高浓度主要抑制苗鲜重、根鲜重和根长,低浓度主要抑制根鲜重、根长,胡麻连作和撂荒处理对幼苗生长抑制要大于胡-麦间作和小麦连作处理;3)不同处理土壤水浸提液对胡麻影响的综合效应随浸提液浓度的升高而增大,而小麦连作高浓度处理比低浓度处理抑制作用变化不明显,且综合效应由大到小依次是胡麻连作撂荒胡-麦间作小麦连作;4)不同种植模式处理土壤可以减轻胡麻连作产生的化感效应,处理顺序为小麦连作胡-麦间作胡麻连作。综上所述,胡麻连作障碍问题确实存在,合理的作物布局有利于改善由于胡麻自身化感物质积累所造成的连作障碍。     

不同土壤改良剂处理对连作西洋参根际微生物数量、土壤酶活性及产量的影响

以北京地区连作西洋参为研究对象, 通过3种土壤改良剂(熟石灰、EM菌剂、沼液)随机区组试验对其土壤理化性状、酶活性、根际微生物区系及产量进行了系统研究。结果表明: 低浓度熟石灰、中浓度EM菌剂及高浓度沼液处理最有利于提高西洋参产量; 施加熟石灰处理后, 土壤微生物主要类群数量显著减少, 土壤pH显著升高, 并对土壤脲酶活性有明显抑制作用; 施加沼液和EM菌剂处理后, 土壤有效微生物菌群显著增加(P<0.05), 土壤有机质和营养物质含量也显著增加(P<0.05), 并对土壤脲酶和多酚氧化酶活性有一定的促进作用。相关性分析发现, 土壤微生物主要类群的数量与蔗糖酶、脲酶、多酚氧化酶活性均有一定的相关性, 其中, 土壤细菌数量与蔗糖酶、多酚氧化酶活性呈极显著正相关(r分别为0.895^**和0.808^**), 土壤真菌和放线菌数量与蔗糖酶、脲酶、多酚氧化酶活性呈极显著正相关(r分别为0.932^**、0.769^**、0.840^**和0.837^**、0.891^**、0.797^**)。另外, 土壤细菌数量与有机质含量呈极显著正相关(r=0.863^**)。表明连作西洋参根际微生物区系及土壤酶活性与土壤理化性状之间紧密联系, 通过施加不同土壤改良剂, 可以为耐连作种植西洋参提供适宜的土壤环境。     

Role of Phosphatases,Iron Reducing,and Solubilizing Activity on the Nutrient Acquisition in Mixed Cropped Peanut and Barley

The effect of interspecific complementary and competitive root interactions and rhizosphere effects on primarily phosphorus (P) and iron (Fe) but also nitrogen (N), potassium (K), calcium (Ca), zinc (Zn), and manganese (Mn) nutrition between mixed cropped peanut (Arachis hypogaea L.) and barley (Hordeum vulgare L.). In order to provide more physiological evidence on the mechanisms of interspecific facilitation, phosphatase activities in plant and rhizosphere, root ferric reducing capacity (FR), Fe-solubilizing activity (Fe-SA), and rhizosphere pH were determined. The results of the experiment revealed that biomass yield of peanut and barley was decreased by associated plant species as compared to their monoculture. Rhizosphere chemistry was strongly and differentially modified by the roots of peanut and barley and their mixed culture. In the mixed cropping of peanut/barley, intracellular alkaline and acid phosphatases (AlPase and APase), root secreted acid phosphatases (S-APase), acid phosphatases activity in rhizosphere (RS-APase), and bulk soil (BS-APase) were higher than that of monocultured barley. Regardless of plant species and cropping system, the rhizosphere pH was acidified and concomitantly to this available P and Fe concentrations in the rhizosphere were also increased. The secretion Fe-solubilizing activity (Fe-SA) and ferric reducing (FR) capacity of the roots were generally higher in mixed culture relative to that in monoculture treatments which may improve Fe and Zn nutrition of peanut. Furthermore, mixed cropping improved N and K nutrition of peanut plants, while Ca nutrition was negatively affected by mixed cropping.