不同连作年限马铃薯根系分泌物的成分鉴定及其生物效应

为探讨马铃薯连作障碍的可能机理,在大田条件下,收集连作1～5 a(CP1-CP5)马铃薯植株的根系分泌物,采用GC-MS对根系分泌物的主要成分进行了鉴定,并通过生物检测验证了根系分泌物的生物效应。结果表明:CP1-CP5鉴定出的物质主要有酸类、糖类、胺类、醇类、酯类和嘧啶类,但各类物质的数量和含量不同。CP1-CP5中均鉴定出棕榈酸,相对含量分别为0.55%、0.87%、1.24%、1.05%和0.95%,浓度分别为7.12 mg×L~(-1)、7.39 mg×L~(-1)、9.46 mg×L~(-1)、8.38 mg×L~(-1)和8.02 mg×L~(-1)。马铃薯根系分泌物显著抑制了马铃薯的生长,抑制作用随连作年限延长而增强。棕榈酸对马铃薯生长的抑制表现出明显的浓度效应,随浓度升高而增强。马铃薯根系分泌物明显促进了立枯丝核菌的生长,菌落直径和菌丝鲜质量表现为CP3最高,CP1最低,CP2、CP4和CP5之间没有显著差异。棕榈酸明显促进了立枯丝核菌的生长,随着棕榈酸浓度的增加,菌落直径和菌丝鲜质量先增加再减小, 10 mg×L~(-1)棕榈酸的菌落直径和菌丝鲜质量最大。由此说明,随马铃薯连作年限延长,根系分泌物的毒性越强;马铃薯根系分泌物对立枯丝核菌的促进作用加剧了马铃薯的连作障碍,棕榈酸是马铃薯根系分泌的化感自毒物质。     

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。     

连作根系分泌物加剧土传病害的机制和缓解措施研究进展

基于植物-土壤反馈理论,连作体系中的根系分泌物必然在加剧土传病害发生中起重要作用,但相关研究证据尚缺少系统总结。本文梳理了连作导致土传病害加剧的现象以及连作对典型根系分泌物组分的累积。从有利于土传病原菌由土体向根际迁移、增殖和致病（“利病”）、破坏根际有益微生物群落防线（“压益”）和毒害根系免疫系统（“自毒”）等三个方面,揭示连作根系分泌物中某些物质促进土传病原菌入侵的机制。从根系分泌物角度阐述轮作、间作、套作、伴生和嫁接等多样性种植方式缓解连作土传病害的机制。提出鉴定“利病”、“压益”和“自毒”物质以及构建对应的消减技术途径,可为土传病害绿色高效综合防控提供理论和技术支撑。     

自毒作用与连作障碍

自毒作用是连作障碍的发生机制之一,该作用主要是由有机酸、醛类芳香酸、香豆素、醌类、生物碱和类萜等植物次生代谢产物及其分解产物所引起的。其作用机理包括增加细胞膜膜通透性、降低酶活性、抑制植物的养分吸收等。相应的矫治措施主要有合理施肥、施用微生物制剂、嫁接、轮作和间套作等。本文综述了自毒作用在连作障碍中的作用机制以及相应的矫治措施。     

草莓根系分泌物障碍效应的模拟研究

草莓是一种营养丰富、经济价值较高的水果,但连作障碍使草莓生长发育不良,产量与品质下降,而造成连作障碍的因素种类繁多,极其复杂。本文以“全明星”生根试管苗为材料,应用组织培养技术分析了根系分泌物对草莓生长的影响。结果表明,根系分泌物显著抑制了植株的生长,降低了根系活力、叶片SOD活性和叶绿素含量,而叶片中的MDA含量和细胞质膜相对透性增加,导致草莓抗病性下降。根系分泌物对草莓的不利影响随浓度的增加而增大,表明草莓根系分泌物可能是造成草莓连作障碍的一个重要原因。     

植物次生代谢物的自毒作用及其与连作障碍的关系

连作障碍问题的发现已有上千年的历史,但对其发生机理和克服措施还没有取得突破。本文分析了植物次生代谢物的种类及其产生机理、次生代谢物的自毒作用、植物对自产的次生代谢有毒物质的抗性机制及其形成时序等,认为次生代谢物对新生植物的自毒作用是连作障碍发生的关键因素之一,并在此基础上提出了克服连作障碍的几种途径。     

根系提取物对烤烟的自毒作用研究

为了明确连作烤烟的自毒作用,研究了烤烟根系提取物对烤烟种子萌发、烟苗干物质积累、烟苗根系生长发育及烟苗光合参数的影响。结果表明,随着根系提取物浓度的增加,烤烟种子发芽率、烟苗根系总根长、总根面积、总根体积、根尖数、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率逐渐降低;平均根系直径,烟苗地上部干、湿重,地下部干、湿重及总干、湿重,总叶绿素含量,净光合速率均表现为先升高后降低的趋势;气孔限制值逐渐升高。烟草根系提取物对烤烟种子萌发及烟苗生长发育具有明显的抑制作用。     

根系分泌物抑制连作障碍线虫病的根际调控机制及其应用

作物长期连作极易出现连作障碍(再生病害),本文围绕因传统耕作模式和种植习惯而诱发的新疆棉花、黑龙江大豆、河南花生、山东设施蔬菜、两广香蕉等连作障碍问题,对全国连作现象进行系统分析,发现全国连作现象普遍。按照耕地面积将连作障碍划分为五个等级,其中华北三省和东北的黑龙江省连作障碍等级最高,且各省连作现象均以大田经济作物为主。以香蕉、大豆(大田经济作物)、黄瓜(设施园艺作物)和三七(中草药)为代表,比对最低产量和正常产量在连作年份的变化,表明连作障碍发生规律成抛物线式,防控连作障碍需找到问题关键时期。单一根系分泌物介导的微生物多样性降低、病原菌富集,植物寄生线虫危害和土壤弱化是导致连作障碍的主要原因,其中线虫对植物的侵染危害作为土传病害是防治连作障碍中最难解决的问题之一,尤其是在设施蔬菜上。线虫在长期进化过程中形成了具有识别、寻找和侵染寄主的生物学功能,而不同植物根系分泌物对线虫发育和对宿主的识别侵染能力有不同的调控作用。针对根系分泌物–线虫互作为诱因的线虫病害,深入探讨易感作物和抗性/非寄主植物根系分泌物对线虫发育和对植物侵染的生物学机制,提出根际调控措施。在J2时期利用抗性/非寄主植物根系分泌物,调控根结线虫Mi-16D10、Mi-flp-18等基因和孢囊线虫的Hg-rbp-2等基因的表达控制线虫的发育、侵染和迁移,通过生物源功能物质定向防控线虫侵染作物。这些结果加深了我们对生物活性物质调控植物寄生线虫机制的认识。未来,以筛选和鉴定抗性或非寄主作物特异根系分泌物对线虫侵染的调控为依据,配置生物功能型肥料,利用植物源活性物质替代传统农药控制线虫病害的根际调控措施,定向调控植物根际生物学过程将成为国内外研究热点。此文将为未来深入系统地研究根系分泌物–线虫的相互作用及克服连作障碍提供理论基础,进而促进土壤健康和作物优质高产高效,对实现绿色农业和可持续发展具有重要的理论和实践指导意义。     

油菜根系分泌物的GC-MS检测方法研究

为筛选建立BP-5MS毛细管柱检测油菜根系分泌物的方法,本文采用水培试验,利用CH2Cl2提取油菜幼苗的根系分泌物,通过GC-MS检测分离鉴定。结果表明,根据待测物质组分性质,采用合适的溶剂延迟,分阶段细化升温程序,检测出来的特征峰较多且分布密集,特征峰分离相对比较好。从检测结果看,油菜苗期根系分泌物主要包括烃类、醇类、酯类和酸类化合物,且烃类和醇类化合物的相对含量较高,这些物质大多数具有化感作用,对植物在逆境环境中的生长和发育有一定的影响。     

大豆连作及其根茬腐解物对大豆根系分泌物中酚酸类物质的影响

通过收集正茬、重茬7年、重茬7年并经MB-生物制剂调控的大豆根系分泌物和加入根茬腐解物(20gkg-1土)的正茬、重茬、调控的大豆根系分泌物,采用高效液相色谱检测方法,以对羟基苯甲酸、香草酸、香草醛、苯甲酸、阿魏酸5种酚酸类物质作为标准物质,对根系分泌物进行了检测。结果表明在正茬、重茬、调控根系分泌物中分别检测到了3种、5种、3种上述各标准物质,并且检测到的各物质的量为重茬>调控>正茬。在加入根茬腐解物的条件下,正茬和调控处理的根系分泌物中酚酸的种类和数量均有所增加。在重茬加根茬处理的根系分泌物中同样检测到了上述5种酚酸物质,并且各物质的量也有一定程度的增加。     

马铃薯连作栽培的土壤水分效应研究

以宁南山区连作1年、3年、6年、10年的马铃薯地块为研究对象,利用定位观测数据,对不同连作年限下马铃薯生长特性及土壤水分变化规律进行研究。结果表明:马铃薯植株高度、叶面积和日净光合速率随连作年限的增加而降低;开花前后是马铃薯需水的高峰期,各连作年限马铃薯地块土壤水分的季节变化趋势一致,但连作6年、10年土壤含水量明显低于连作1年、3年;开花期不同连作年限土壤水分均在40～60cm层出现水分含量较低的干土层,干化程度随连作年限的增加而加重;连作6年的马铃薯地块在40～60cm处土壤水分含量降至11.63%,开始出现轻度干层迹象,连作10年40～60cm处土壤含水量为10.54%,逐步向中度干层过渡;且连作年限超过3年土壤水分利用效率明显降低。由于宁南山区土层深厚,土壤表层水分可通过降雨得到恢复,而连作超过3年深层土壤水分难以恢复,并对土壤水分环境产生深刻的负面影响。     

马铃薯连作栽培对土壤微生物多样性的影响

马铃薯是宁夏回族自治区南部山区重要的粮菜兼用作物,随栽培面积持续扩大,轮作倒茬困难,由此带来的连作障碍问题日渐突出。为探明马铃薯连作障碍机制,分别采集马铃薯正茬、连作1年、6年和10年的根际土壤样本,利用末端标记限制性片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)技术研究连作栽培对根际土壤微生物多样性的影响,以期揭示马铃薯根际土壤主要菌群动态变化规律及连作障碍的可能原因。结果表明:连作栽培后马铃薯土壤细菌和真菌DNA仍具有较高的T-RFLP多态性,但不同连作年限根际土壤中优势T-RFs片段发生变化,多年连作使某些T-RFs消失;随连作年限增加,根际土细菌Shannon-Wienen指数、Simpson指数和Sorenson指数下降,而真菌Shannon-Wienen指数和Simpson指数上升。菌群分析发现,土壤细菌中以厚壁菌门(Firmicutes)芽孢杆菌纲(Bacilli)和梭菌纲(Clostridia)所占比例最大。连作使细菌和真菌菌群发生变化,芽孢杆菌纲、鞘氨醇纲(Sphingobacteria)等比例下降甚至消失,β-变形菌纲(Beta proteobacteria)和异常球菌纲(Deinococci)比例上升;土壤真菌中座囊菌纲(Dothideomycetes)煤炱目(Capnodiales)随连作年限增加比例下降,粪壳菌纲(Sordariomycetes)肉座菌目(Hypocreales)随连作年限增加比例上升。马铃薯连作使根际土壤中芽孢杆菌属(Bacillus)等有益菌属的细菌减少,罗尔斯通菌属(Ralstonia)等致病菌属的细菌增加。连作导致马铃薯根际土壤细菌多样性水平降低,真菌多样性水平升高,根际土壤微生物多样性存在明显差异,连作破坏了根际土壤微生物群落的平衡,使其根际土壤微生态环境恶化。连作障碍可能是多因素综合互作用的结果,持续的研究有利于做出较合理的解释。     

马铃薯连作栽培对土壤微生物多样性的影响

为阐明马铃薯连作对土壤微生物群落结构和功能多样性的影响,揭示马铃薯连作障碍机制,本试验采用BIOLOG技术结合丛枝菌根真菌(AMF)形态学鉴定方法,就连作0(迎茬)、2 a、4 a、6 a、10 a的马铃薯田块土壤进行研究。结果表明:土壤养分含量随马铃薯连作年限增加有一定程度下降,其中,连作10 a马铃薯根际土壤的全磷、速效磷、速效钾和碱解氮与连作4 a相比分别下降61.32%、26.86%、26.87%和17.24%,但没有明显的养分亏缺和不均衡现象。土壤微生物群落结构发生了较大变化,放线菌、真菌数量显著随连作年限的延长先增加后减少,呈单峰型变化趋势;细菌数量随连作年限的延长呈逐步减少趋势,但差异不显著。连作4~6 a土壤微生物群落依然有较强的功能多样性,培养120 h后,连作6 a较迎茬AWCD值提高3.89%;群落组成中随连作年限的延长以碳水化合物、氨基酸类为碳源的微生物类群代谢能力明显下降,但代谢功能多样性趋于一致。连作马铃薯土壤AM真菌优势种发生改变,迎茬土壤为沙漠球囊霉(Glomus deserticola),连作2 a土壤为扭形球囊霉(Glomus delhiense)和福摩萨球囊霉(Glomus formosanum),连作10 a土壤为球泡球囊霉(Glomus globiferum)。多元分析结果表明,土壤微生物结构与功能多样性、AM真菌多样性变化受土壤p H、全磷含量、放线菌数量、细菌数量及土壤中以碳水化合物、氨基酸类等为碳源基质的微生物类群影响。说明长期连作栽培会影响土壤真菌、放线菌的数量,使真菌群落中AM真菌种的多样性显著下降,优势种发生改变,打破了微生物群落结构与功能平衡,引起土壤微生物群落结构与功能的失调。     

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.     

黄瓜砧木对南方根结线虫生长发育的影响及其与根系分泌物的关系

黄瓜是设施主栽蔬菜,长期连作导致根结线虫病发生和危害加重;嫁接是提高黄瓜对根结线虫抗性的有效手段,但不同砧木品种间存在差异。为探明嫁接提高黄瓜抗根结线虫能力的机制,试验选用不同抗性的砧木品种‘云南黑籽南瓜’(低感)和‘甜砧南瓜’(高感),以‘新泰密刺’自根黄瓜为对照,采用人工接种,研究了黄瓜砧木对南方根结线虫生长和繁殖的影响,并探讨了根系分泌物与线虫卵孵化的关系。结果表明:线虫侵染初期,3个品种根内的二龄幼虫(J2)数差异显著,‘云南黑籽南瓜’最少,‘甜砧南瓜’次之,‘新泰密刺’最多;侵入根内的J2均能正常发育为成虫,根内线虫总数以‘云南黑籽南瓜’最少,‘新泰密刺’最多;根际J2数量以‘新泰密刺’最多,‘云南黑籽南瓜’最少;发生二次侵染前,根际卵粒数呈现出相同的特点。黄瓜及其砧木根系分泌物明显影响根结线虫卵的孵化,孵化率以‘云南黑籽南瓜’最低,‘甜砧南瓜’次之,‘新泰密刺’最高;接种根结线虫后,根系分泌物影响下的卵孵化率较未接种时明显增加,‘新泰密刺’增幅最大,‘云南黑籽南瓜’增幅最小;随着生育时间延长,三者根系分泌物对卵孵化的促进作用逐渐增强。低感砧木根系分泌物对南方根结线虫卵孵化具有明显的抑制作用,可显著降低线虫在其根内及根际的发育,可能是抗线虫的机制之一。     

种植方式对玉米不同生长期土壤微生物群落功能多样性的影响

为探讨玉米不同种植方式下土壤微生物群落功能多样性的差异,进行田间定点试验,采用Biolog方法分别研究了4行轮作、4行连作、8行轮作和8行连作的种植方式对玉米种植前、拔节期、抽穗期和收获期土壤微生物功能多样性的影响。结果表明:4种种植方式的土壤微生物均在种植前代谢活性最弱、功能多样性最低,在玉米抽穗期土壤微生物代谢活性最强,功能多样性最高。在种植玉米前,轮作的土壤微生物代谢活性和功能多样性高于连作,8行轮作和4行轮作土壤微生物的物种多样性指数分别比相应的连作高22.93%和11.42%;4行轮作的土壤微生物物种多样性指数比8行轮作低3.17%,而4行连作比8行连作高6.83%。在玉米拔节期、抽穗期及收获期连作土壤微生物功能多样性略高于轮作,且有4行连作大于8行连作的趋势,但差异均未达显著水平。种植前,4种种植模式的土壤微生物对6大类碳源的利用程度整体上都较低,降解碳水化合物类、羧酸类和聚合物类碳源的微生物是种植方式影响的主要土壤微生物类群;随着玉米的生长,土壤微生物对6大类碳源的利用都逐渐增强,玉米拔节期、抽穗期和收获期之间土壤微生物特征碳源没有较大差异,4种种植方式的土壤微生物对聚合物类碳源利用程度差异都不显著。PLS-EDA分析结果表明种植方式对土壤微生物产生较大影响,种植前8行轮作和4行连作的土壤微生物碳源利用模式具有相似性;种植玉米后4种种植方式的土壤微生物对碳源的利用模式存在较大差异,其中4行连作的土壤微生物在玉米拔节期和收获期对碳源的利用模式与其他3种种植方式差异最大。试验说明作物长期连作栽培会影响土壤微生物群落功能,降低土壤微生物物种多样性,引起土壤微生物群落结构与功能的失调。     

三七连作土壤对其种子萌发及幼苗生长的影响

为明确三七连作的障碍效应,以不同连作年限及不同空间分布的土壤为基质,通过发芽和幼苗生长试验,研究了连作土壤对三七种子萌发及幼苗生长的影响。结果表明:①与新土相比,连作土壤处理下三七种子萌发的最大速度加快,种子的发芽势变化不大,而发芽率、发芽指数和快速发芽期则明显呈降低或变短的趋势;②随土壤连作年限的增加,三七幼苗的成苗率和株高均显著下降(p0.05);③与根区外土相比,根区土和根区下土显著降低了三七种子的发芽势、发芽率和发芽指数,对种子萌发的最大速度也呈降低作用,但却使三七幼苗的地上生物量明显增加。连作土壤对三七种子的萌发及幼苗的生长均表现明显的障碍效应,化感(自毒)作用可能是造成三七连作障碍的原因之一。     

水稻与花生混作系统作物根系分泌氮的特性

采用砂培和溶液培养两种方法研究了水稻和花生混作系统根系氮化合物的分泌。结果表明,在砂培和溶液培养条件下NO3-和NH4+的分泌在不同时期和昼夜不同时间均出现有规律的变化。苗期两种培养条件下NO3-和NH4+的分泌高峰值均出现在早晨,水稻单作、间作和花生单作处理在砂培条件下NO3-和NH4+的浓度分别为1.415、5.044、2.140.mg/L和0.0482、0.3320、.132.mg/L;而溶液培养条件下NO3-和NH4+的浓度分别为0.0726、0.743、0.181mg/L和1.036、1.709、1.736.mg/L,下午和晚上两种形态氮处于耗竭状态。花期分泌高峰出现在下午,水稻单作、间作和花生单作处理在砂培条件下NO3-和NH4+的浓度分别为17.338、25.294、5.369.mg/L和0.162、0.856、0.119mg/L,溶液培养条件下则分别为0.01960、.04130、.0226.mg/L和0.0683、0.0891、0.0656.mg/L。而鼓荚期NO3-和NH4+的分泌高峰则出现在晚上,早晨和下午两种形态氮处于耗竭状态。砂培条件下NO3-的分泌量多于NH4+,而溶液培养条件下则是NH4+的分泌量多于NO3-。总氮的分泌规律,苗期最大分泌量出现在早晨,花期在下午,而鼓荚期则在晚上,表明在作物生长的不同时期,氮的分泌途径可能不同,释放的氮形态不同。在作物生长的不同时期,以花期的NO3-、NH4+和总氮的分泌量最多,花期总氮的分泌浓度在砂培和溶液培养条件下分别为15.487、21.530、10.906mg/L和5.204、6.445、4.813.mg/L。两种培养条件下,不同形态氮的分泌量不同,砂培条件下氮的分泌远远高于溶液培养条件,表明培养介质的机械阻力刺激了氮的分泌,有利于作物更好地吸收利用释放的氮。