叢枝菌根真菌修復設施蔬菜連作障礙機制

趙秀山 趙秀云 唐艷領 蔡毓新 史宣杰

摘要：連作障礙問題嚴重制約著我國蔬菜產業(yè)的發(fā)展，造成連作障礙的原因主要有土壤理化性狀惡化、植物自毒作用、土壤微生物區(qū)系變化等。解決連作障礙的措施有很多種，生物防治是其中之一。叢枝菌根真菌能與植物形成共生體，研究表明，叢枝菌根真菌能夠改善連作土壤的生物環(huán)境問題、減少作物連作產生的自毒物質、改變土壤微生物區(qū)系等，在一定程度上能有效地防治連作障礙。筆者分析了叢枝菌根真菌緩解蔬菜連作障礙的作用機制，合理評價AM真菌克服蔬菜連作障礙的潛力，為解決蔬菜連作障礙問題提供新的研究方向和生物技術依據。

關鍵詞：蔬菜;設施;叢枝菌根;連作障礙;作用機制

隨著人們對農作物產品需求量的增加以及我國設施栽培面積的擴大，還受土地資源短缺、環(huán)境和經濟利益驅動、單一作物大面積種植等各方面的影響，設施蔬菜栽培連作障礙日益嚴重。連作障礙是指在同一塊土地上連續(xù)種植同一種作物或同科作物時，即使在正常管理水平下，也會出現作物生長發(fā)育狀況變差、產量和品質下降、病蟲害嚴重等現象。連作障礙發(fā)生的原因有土壤有害微生物增加、土壤次生鹽漬化嚴重及土壤酸化、植物自毒作用等，這些都會導致作物減產。有研究表明，西瓜長期連作會造成土壤鹽漬化、酸化、病蟲害泛濫以及西瓜的自毒作用，在西瓜連作田里，一般病害發(fā)生率在30%以上，嚴重的甚至達到80%;生產上園藝作物連作障礙也日益嚴重，番茄、辣椒、黃瓜、馬鈴薯等均出現不同程度的連作障礙，蠶豆連作會導致植株生長瘦弱，出苗差，枯萎病發(fā)生嚴重，土壤中會產生多種酚酸物質，產量嚴重下降。在設施內連續(xù)種植芹菜后，芹菜的根結線蟲、軟腐病、菌核病等病蟲害會不斷加重，造成產量和品質下降。連作障礙危害不斷加劇，嚴重影響了我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

目前防治連作障礙的措施有多種，主要有合理選擇土壤質地、合理輪作與間套作、加強田間管理、改良作物品質、實行生物防治、合理進行化學防治、實行無土栽培等措施。其中，生物防治是利用特定微生物的寄生、競爭營養(yǎng)和空間或產生對病原菌有害的物質等途徑來減少病原菌數量，促進植物健康生長的方法。近年來，AM真菌在防治土壤連作方面的作用日益突出，相對于化學防治，它是一種既環(huán)保又對作物有益的防治方法。

菌根是真菌與植物根系相互作用建立的互惠共生體，在自然界中非常普遍。AM（arbuscular mycorrhizas，AM）真菌是分布十分廣泛的一類菌根真菌，與大多數陸生植物關系密切，能與80%以上的高等維管植物建立共生關系，在一定程度上能改善宿主植物的礦質營養(yǎng)，增強植物抗逆性，降低逆境脅迫;還有改良土壤、改善土壤微生物結構群落等功能。陳可等試驗表明，西瓜接種地表球囊菌（Glomus versiforme）能提高西瓜根系內的苯丙氨酸解氨酶（PAL）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等防御酶活性，使根系對逆境產生快速反應進而提高西瓜抗連作障礙的能力;劉起麗的試驗表明，AM真菌與番茄共生后，能減輕番茄黃化卷葉撒丁島病毒癥狀（Tomatoyellow leaf curl Sardinia virus， TYLCSV），其根部和芽部聚集的病毒DNA濃度低于處理，表明共生菌根對番茄產生了有益影響，能夠減弱TYLCSV病毒的危害。筆者旨在總結該領域的研究進展，合理評價AM真菌在克服土壤連作障礙方面的作用和機制，為當前和今后的工作提供參考。

1 設施蔬菜連作障礙的發(fā)生機制

1.1 連作障礙導致設施土壤理化性狀惡化

作物長期連作會導致土壤板結，土壤團粒結構降低，土壤容重和非毛細管孔層增大。同時，在設施栽培中，設施內溫度較高，土壤水分蒸發(fā)量加大，但土壤得不到雨水淋洗，導致在土壤表面次生鹽漬化現象嚴重，土壤含鹽量逐漸增強。而且長期種植同種作物，根系對土壤中的微量元素連續(xù)吸收利用，致使土壤養(yǎng)分失衡。彭有才等研究表明，長期連作造成土壤中P、S、K等元素明顯富集，導致土壤養(yǎng)分比例失調，影響植株的生長。梁銀麗等研究表明，隨著黃瓜連作年限延長，N、P肥增加與K肥增加的比例失調。作物長期連作也會使土壤酶活性下降，有研究表明，隨著連作年限增加，土壤酶也會出現不同變化，土壤脲酶和蔗糖酶活性呈先升后降的趨勢，土壤過氧化氫酶和中性磷酸酶活性呈下降趨勢。

1.2 植物自毒作用

自毒作用是指作物通過殘體分解、淋溶、根系分泌物等方式來分泌或釋放有毒化學物質，對同茬或下茬、同種或同科作物產生抑制作用的現象。它能夠改變土壤微生物區(qū)系，抑制根系活性，促使病害的產生，導致作物生長發(fā)育不良。酚酸類化感物質大量積累，可影響細胞膜透性、抑制作物自身種子萌發(fā)、影響根系對養(yǎng)分的吸收等，進而加重連作障礙。很多園藝作物如番茄、黃瓜、辣椒等根系可以分泌苯甲酸、肉桂酸、水楊酸等多種自毒物質，這些物質對作物吸收養(yǎng)分有直接的阻礙作用。

1.3 設施土壤微生物區(qū)系變化

作物長期連作會使土壤中的生態(tài)環(huán)境改變。由于連作土壤長期種植同種作物，栽培環(huán)境單一，會使土壤中的有益微生物如硝化細菌、氨化細菌等生物活性受到抑制，引起土壤微生物區(qū)系發(fā)生變化。連作栽培條件下，大棚土壤微生物結構利于土壤肥力由“細菌型”向“真菌型”轉化，土傳病害加重。喬蓬蕾等研究表明，黃瓜種植后各時期土壤細菌群落多樣性指數呈先降后升的趨勢，真菌的優(yōu)勢菌群種數量呈先降后升再下降的趨勢。同一塊土地連年種植同種作物，長期不變的適宜溫濕度環(huán)境，加上根系分泌物的長期積累，會造成病原菌拮抗微生物減少，使得病原菌數量不斷增加。

2 AM真菌克服作物連作障礙的機制

2.1 真菌對連作土壤環(huán)境的影響

AM真菌能夠改善土壤環(huán)境，改善土壤理化性狀。AM真菌在土壤中增殖后能提高寄主細胞膜通透性，固定土壤中的營養(yǎng)物質和水分，改善根系微生態(tài)環(huán)境。研究表明，AM真菌能夠促進土壤團粒結構的形成、改善土壤有機質含量、提高土壤透氣性等;AM真菌可以增強土壤酶活性（如磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶等），平衡連作土壤的菌群結構、pH及營養(yǎng)元素，從而緩解作物連作危害。研究表明，在連作5年的大棚內先用80% （ω）氯化苦熏蒸，然后每株草莓穴施60gAM菌劑，對草莓連作障礙有較好的緩解作用，在始花期和收獲期對枯萎病的防效可以達到91.4%和78%。

AM真菌能促進植物養(yǎng)分和水分的吸收。AM真菌在土壤中有強大的根外菌絲網，能擴大植物對水分的吸收面積，并驅動土壤養(yǎng)分循環(huán)，提高植物礦質離子的吸收量，加強作物與土壤的關系，形成互惠共生體。AM真菌能夠提高植物抗逆性效應，可增強作物對干旱、水澇、鹽漬、重金屬、高溫、低溫等多種環(huán)境的脅迫，同時能提高作物的抗病能力。陳瀟等的試驗表明，接種AM真菌后，在西瓜與辣椒間作體系內，西瓜的地上部鮮質量、株高、莖粗、單瓜質量均有明顯提高，并且西瓜葉片和根部的過氧化物酶、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等酶活性也明顯提高，表明接種AM真菌可提高作物防御酶活性，有效緩解連作障礙。鹿金穎等的試驗表明，AM真菌摩西球囊霉（Glomus mosseae）能降低作物的葉片氣孔導度，增加實生苗的生長量，顯著增強植株的抗旱能力。郭紹霞等的試驗表明，接種AM真菌能提高作物可溶性糖和可溶性蛋自的含量，從而提高植株耐鹽性。AM真菌的菌絲能夠通過對重金屬的過濾、固持等方式降低重金屬對作物的傷害。扁豆接種AM真菌后能顯著降低砷的吸收量，增加對磷的吸收。AM真菌能提高‘金口芹菜的生長，改善品質。試驗用50mL AM真菌接種物裝入3.5kg的滅菌土中，每盆定植5株芹菜苗，結果表明，AM真菌處理能顯著提高芹菜根系活力，芹菜的株高、干鮮質量、根長均優(yōu)于對照，也可提高芹菜葉片葉綠素和維生素C含量。

2.2 AM真菌對植物自毒作用的影響

AM真菌感染作物后，能夠產生酚類化合物、植保素、生物堿等次生代謝物，這些次生代謝物與植物的抗病性有密切關系，還會調節(jié)植物根系分泌物，這些能夠幫助作物抵御病害。AM真菌可以誘導作物合成信號物質來抵御病害，這些誘導物質包括茉莉酸、過氧化氫、水楊酸等，他們能激活植物防御系統(tǒng)。馬通等的試驗表明，西瓜接種AM真菌后，不論連作時間長短，AM真菌能有效提高根系內總酚含量，減少土壤中酚類物質積累，增強西瓜抗病能力，而且在一定程度上增加土壤中黃酮物質含量。水楊酸是植物中重要的內源信號物質，能激活植物過敏反應，AM真菌可以誘導水楊酸暫時的數量增加，對植物激活防御系統(tǒng)有顯著作用。

2.3 AM真菌對土壤微生物區(qū)系的影響

AM真菌參與植物的生理代謝，它不僅影響植物與植物、植物與其他生物的關系，還影響AM真菌本身與微生物之間的關系，所以AM真菌能使植物根系周圍微生物區(qū)系的種類和數量發(fā)生變化。當作物接種AM真菌后，作物根系周圍的細菌、真菌和放線菌均發(fā)生數量上的變化。試驗表明，作物接種AM真菌后，能誘導作物根內過氧化物酶（POD）的合成，提高POD活性，增加根內總酚含量。番茄接種AM真菌摩西球囊霉（Glomus mosseae）后，能顯著促進番茄株高和莖粗的增長，同時能增強番茄多酚氧化酶（（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）的酶活性郭修武等的試驗表明，每盆4kg連作土加入40gAM菌劑，能明顯促進葡萄生長，葉片SOD含量是對照的2.23倍，根系活力比對照提高22.33%。

AM真菌改善連作土壤土傳病害的關系，一方面與病原菌的競爭有關：當作物接種AM真菌后，菌絲會迅速占據相應的生態(tài)位點，競爭病原物的侵染位點，導致病原物減少，同時會誘導根系內產生脯氨酸糖蛋白，增大細胞壁厚度，降低病原真菌對根系的侵染率;另一方面，AM真菌與其他有益微生物協(xié)同作用，共同抵抗病原菌，當作物接種病原菌后，會刺激拮抗微生物活性，增加有益微生物數量，增強作物抵御能力，AM真菌與根際促生菌（PGPR）相互作用可以抑制病原菌、改善植物營養(yǎng)與生長、協(xié)同修復土壤。秋季草莓接種Bacillus subtilis M3和Gmossea BEG29能降低組培苗根壞疽程度及冠腐病病情指數。秦芳玲等的試驗表明，在對紅三葉草同時接種解磷細菌Bacillus megaterium和AM真菌Gmossea時，對紅三葉草的生長和磷營養(yǎng)吸收有顯著的促進作用，表現明顯的協(xié)同效應，而單一接種解磷細菌則影響不大。在利用磷礦石對豆科植物的試驗中發(fā)現，同時接種AM真菌和溶磷細菌，二者能很好地協(xié)同利用難溶態(tài)磷源。說明AM真菌與其他有益微生物的相互作用在養(yǎng)分循環(huán)、利用等方面也發(fā)揮重要作用。

3 問題與展望

為了滿足人們對農產品全年供應的需求以及隨著耕地面積的逐漸減少，連作方式越來越普遍，連作障礙問題也引起科學家們的普遍關注。目前解決連作障礙的方法主要有輪作、防治土傳病害、培育抗性品種等，但尚無有效的綠色環(huán)保的生物防治方法能緩解連作障礙導致的減產現象。

近年來，隨著對AM真菌的開發(fā)，大量的試驗表明，AM真菌能在一定程度上通過多種相互作用機制緩解連作障礙，從多方面改善連作地土壤環(huán)境，提高作物的抗病能力，其在社會生產中有很好的利用價值和廣闊的市場前景。但目前充分利用AM真菌還有一些亟待解決的問題。AM真菌目前還不能純培養(yǎng)，只有依附植株才能共生存，所以也沒有經濟有效的辦法來篩選AM菌種。隨著對AM真菌的深入研究，如何克服篩選和增殖問題是未來研究的一部分內容，只有克服了這個問題，才能把AM真菌大量地應用于生產實踐中去。另外，在生產中可以把AM真菌與其他有益微生物聯(lián)合起來，協(xié)同緩解連作障礙。不同微生物在時間、空間上有不同的生理功能和群落結構，混合使用將增強菌根圍效應，有助于發(fā)揮AM真菌與不同微生物的協(xié)同能力。如生產上可以將AM真菌與根圍促生菌PGPR相結合，未來進一步研發(fā)AM真菌與PGPR二元和多元復合微生物制劑系列產品，篩選高效組合菌種，也將成為AM菌劑的發(fā)展趨勢。在分子水平上，可以利用分子生物學技術、蛋白組學、組織化學分析法等深入研究AM真菌誘導植物產生抗病性、克服連作障礙的作用機制，為下一步田間應用AM真菌提供依據和技術。隨著對AM真菌的深入研究和技術上的突破，未來可將AM真菌商業(yè)化生產，大量應用到實踐中去，作物連作障礙問題有希望得到徹底解決。