三七根系分泌物在連作障礙中的生態效應及緩解方法

李浩成， 左應梅， 楊紹兵， 楊天梅， 李紀潮， 楊維澤， 張金渝*

(1.云南中醫藥大學中藥學院，昆明650500；2.云南省農業科學院藥用植物研究所，昆明650200)

三七是五加科人參屬植物三七Panaxnotoginseng(Burk.) F. H. Chen的干燥根和根莖，為我國著名中藥材，主產于云南省文山州，具有散瘀止血，消腫定痛的功效[1]。現今市場上的三七均為人工栽培品。由于其生長環境獨特，品種單一，連作障礙十分嚴重，道地產區文山州土地資源日漸缺乏，三七種植基地遷移甚遠，嚴重影響了三七的產量、品質以及道地性[2]。因此，探究形成連作障礙的原因以及尋找緩解或克服的措施已刻不容緩[3-4]。

根系分泌物一般通過代謝和非代謝兩種途徑產生，初級代謝提供能量、物質和信息使植物正常生長和發育，非代謝途徑所產生的根系分泌物和次生代謝產物是化感物質的重要組成部分[5]。這些化感物質會引起化感自毒作用，促使連作障礙產生。根系分泌物作為根際土壤中微生物重要的能量物質來源，其種類和數量與根際土壤微生物的種類和數量息息相關[6]。研究發現，植株連作后由于不斷累積的根系分泌物和殘株降解物產生的自毒物質使根際土壤的微生物群落結構發生變化，土壤酶活性改變[7]。土壤酶活性的下降會阻礙三七吸收營養物質，使土壤中自毒物質的積累程度加劇，誘使三七連作障礙產生[8]。張錫洲等[9]研究發現，植物的根際環境與根系分泌物之間是相互作用的，一方面，植物所處根際環境的變化會影響根際分泌物的種類和數量，另一方面，根際分泌物也會造成根際環境的改變。因此，根系分泌物作為植物、土壤和根際微生物相互作用的媒介，在根際土壤中的分泌過程會使土壤理化特性和微生物群落結構改變，微生物群落的改變又會間接促使土壤酶活性的變化，最終使土壤微生態環境發生變化，其中的化感自毒物質會產生化感自毒作用，抑制植株的正常生長，這些因素在根際環境中共同形成的生態效應是三七連作障礙產生的重要條件。本文擬對現有三七根系分泌物在連作障礙中產生的生態效應及其對連作障礙產生的可能機理和緩解方法研究進行總結分析。

1 三七根系分泌物的種類

1.1 糖類和氨基酸

早期研究從植物的根系分泌物中鑒定出約10種糖和25種氨基酸，分別是土壤微生物主要的碳源和氮源，其數量和種類的變化會造成微生物群落結構在根際土壤中的改變，還會引起一些病原菌的化學趨向性響應，誘發連作障礙的產生。研究表明，化學趨向性響應是一些病原菌對寄主植物信號進行感應并侵入寄主的一種很重要的方式，而且這種化學趨向性響應會改變微生態環境，使菌體大量繁殖[16-17]。鞠會艷等[18]研究發現，經過一段時間的連作后，根系分泌的糖類物質會對大豆根際土壤中的尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)、半裸鐮刀菌(Fusariumsemiteetum)、粉紅粘帚菌(Clonostachysrosea)的生長表現出低濃度促進、高濃度抑制的現象，而根系分泌的氨基酸則會顯著促進它們的生長，這3種菌都是大豆在連作過程中發生根腐病的主要致病菌。安寧波[19]研究發現，D-阿拉伯糖、L-鼠李糖2種糖和賴氨酸、異亮氨酸、精氨酸、苯丙氨酸、半胱氨酸、甘氨酸6種氨基酸都可以使人參細菌性軟腐菌對其表現出化學趨向性響應。在三七根系分泌物成分作用的研究中，其糖類和氨基酸類成分的作用未見報道，但通過對同屬人參及其他作物的研究報道，可得知三七根系分泌物中的一些游離氨基酸和可溶性糖類應該也存在某種化學趨向性響應，致使三七連作障礙加劇[14]。

1.2 有機酸

在根系分泌物中，有機酸是非常重要的一種物質，分為芳香族酚酸類物質與脂肪族碳鏈有機酸，在植物-土壤-微生物的互作關系中起著重要作用[20]。研究發現，脂肪族類有機酸中的蘋果酸可以明顯地誘導青枯病病菌趨化運動，促使青枯菌在植物根部定殖，并且提高其侵染的活性[21]。芳香族酚酸類物質是有機酸中化感作用最強的，也是種類最多的一類化感物質，在連作障礙中發揮著重要的作用[22]。植物利用根系分泌酚酸類物質到土壤中的過程，是化感物質進入根際環境的一種重要方式。吳立潔等[12]研究發現，香豆酸、阿魏酸等6種酚酸類物質會影響三七的苗高、發芽率、根長等。向維[15]研究發現，鄰苯二甲酸、硬脂酸、棕櫚酸和苯甲酸對三七種子的萌發及其幼苗的生長具有毒害作用，而且濃度越大，作用越強。由此可見，酚酸類物質在各類植物的連作障礙發生過程中作用明顯。

研究發現，三七根系分泌物中最主要的酚酸類物質有香草酸、對香豆酸、丁香酸、阿魏酸、硬脂酸、對羥基苯甲酸、鄰苯二甲酸、苯甲酸、棕櫚酸9種化學物質[15,23]。這些酚酸類物質對同為人參屬的人參和西洋參也有顯著自毒作用[24]。因此，三七根系所分泌的這些酚酸類物質對同樣為人參屬的三七也應該有著明顯的自毒作用。由此推斷，三七在連作過程中，植株可能通過根系不斷向根際土壤中分泌酚酸類物質，并且隨著連作時間的增長，分泌到土壤中的酚酸類物質越來越多，和三七殘株降解及土壤微生物代謝產生的酚酸類物質共同在根際土壤中積累，嚴重抑制三七生長，促使連作障礙產生[23]。

1.3 皂苷類物質

皂苷類物質屬于萜類化合物，一些具有生物活性的萜類化合物通過根系分泌進入到根際環境中，不但對其他植物產生化感作用，而且還會影響自身生長[25]。張愛華等[26]研究發現，人參二醇組皂苷、人參總皂苷、人參三醇組皂苷，以及人參皂苷Re、Rb族和Rb3對人參種子的發芽均有抑制作用，同時也會抑制幼根鮮重的增加，并且其抑制程度會隨濃度的升高而增強。三七根系分泌物中的自毒性皂苷在三七連作障礙的產生中也具有重要作用。拱健婷等[27]研究發現，人參皂苷Rg1和 Rb1，三七皂苷R1這3種皂苷單體會抑制三七種子的萌發，而且人參皂苷 Rg1和 Rb1還會抑制三七的幼苗生長。游佩進等[28]研究發現, 人參皂苷Rh1在一定濃度下會抑制三七幼苗生長。由此可見，皂苷類物質也是一類關鍵的化感物質，同樣會對三七的生長產生化感作用，從而引發三七的連作障礙。

1.4 黃酮類

三七植株中分離得到的黃酮類物質槲皮素被證實對其幼苗的生長會產生自毒作用，該成分屬于三七的次生代謝產物，而對三七產生化感作用的化感物質也多來源于其次生代謝循環。因此，槲皮素在三七根系分泌物的化感自毒作用中，應該也具有不可忽視的作用[28-29]。同樣從苜蓿種子及其根系所產生的分泌物中提取分離的黃酮類物質可以促進根瘤菌進行結瘤，而且植物中的類黃酮物質提取后，在進行化感試驗時發現其可以抑制種子的萌發和細菌的生長[30]。

表1 三七根系分泌物的種類Table 1 The types of root exudates of Panax notoginseng

2 三七根系分泌物的作用機制

2.1 三七根系分泌物對土壤微生態環境的影響

2.1.1對土壤微生物群落結構的影響 在土壤的微生態系統中，微生物是重要的參與者，可以促進土壤中養分的循環和轉化以及能量的流動[31]。因此，微生物對土壤微生態系統的可持續和穩定尤為重要[32]。根系分泌物在為根際環境中微生物的生存提供營養的同時，其中一些物質會使微生物的生長、繁殖、代謝等過程受到影響，改變群落結構，破壞微生態系統的穩定，導致植株連作障礙的產生和加劇。苑亞茹等[33]研究發現，根系分泌物中的糖類物質使土壤中的細菌數量顯著增加，有機酸和氨基酸類物質使土壤中的真菌數量明顯增加。三七根系分泌物中的游離氨基酸、可溶性糖和有機酸類等物質會使土壤中真菌和細菌的數量發生變化，改變根際土壤原始微生物結構。苗翠蘋[34]研究發現，三七發生根腐病的根際土壤較健康對照細菌和真菌的數量都有明顯增高，根際微生物群落結構發生顯著變化，多種病原菌成為優勢菌群。趙靜等[35]研究發現，在三七重茬根際土壤中，與三七根系分泌物中相同的物質苯甲酸及其衍生物，對三七根腐菌表現為低濃度促進高濃度抑制作用。根系分泌物也會促進如尖孢鐮刀菌等病原菌的生長，而且隨著連作時間的增長，有益菌減少，病原菌增加，病原菌逐漸成為優勢菌群，土傳病害發生，植物和微生物之間的互作關系也發生改變，導致土壤肥力、植物健康狀況以及生長發育受到影響[36-37]。

2.1.2對土壤理化特性的影響 細菌和真菌對微團聚體和大團聚體的形成和穩定均有重要作用。根際土壤中，低分子量根系分泌物種類和數量的變化會引起真菌和細菌種類和數量的變化，從而影響土壤團聚體大小的分布，而且高分子量根系分泌物粘膠質也會影響土壤團聚體的分布和穩定[38]。因此，植株分泌到土壤中的根系分泌物便間接地影響了土壤團聚體的形成與穩定，改變了土壤物理性狀。劉莉等[39]研究發現，種植三七后的土壤膠粒、粉粒和粘粒減少，大的粗砂、中砂、細砂、礫石和粉砂增加，并且三七根冠部及其脫落的根緣細胞和根際微生物分泌的粘液與土壤產生粘結作用形成了土壤顆粒的團聚體，使土壤板結，導致透氣性變差。而且根系分泌物中的有機酸以及以酸的形式出現的粘膠物質攜帶的羧基等酸性基團所釋放的H+離子都會使土壤酸化，抑制三七吸收Ca、Mg、P等元素[9,40]。

2.1.3對土壤酶活性的影響 土壤的酶活性可以用來評判土壤肥力的好壞，在維持土壤系統的健康上起著重要作用[41]。簡在友等[42]研究發現，三七種植后土壤中的磷酸酶、過氧化氫酶、淀粉酶、多酚氧化酶和蔗糖酶的活性降低。連作過的棉花土壤中多酚氧化酶、蛋白酶、過氧化氫酶的活性出現了先下降后升高的現象，這是因為連作后其根系分泌物以及殘株降解物的累積所產生的自毒物質使生物群落結構改變，土壤酶活性受到抑制。隨著連作時間的推移，生物適應了環境，使土壤酶保護容量和活性上升[7]。因此，三七連作后產生的根系分泌物使土壤微生物群落結構發生變化，抑制了酶活性，促使連作障礙產生。

2.2 三七根系分泌物對植株的影響

三七根系分泌物中的化感自毒物質會通過破壞植物細胞結構，影響植物的光合作用，干擾活性氧(ROS)和植物激素代謝水平等來影響植株，促使連作障礙的發生[43]。在水培條件下，用三七須根粉末處理，會使三七根尖細胞壁厚度增加，菌絲體出現在細胞內，隨處理濃度和時間的增加，細胞發生皺縮乃至破碎，細胞中的細胞器結構受到嚴重破壞，經檢測三七須根粉末中含有與三七根系分泌物中自毒皂苷相同的物質人參皂苷Rg1、人參皂苷 Rb1和三七皂苷R1[44]。植物生長所需的碳水化合物是由植物的光合作用產生的，當植物的光合作用受阻時，便會影響植物的生長[45]。隨著三七輪作間隔時間的縮短，土壤中三七根系分泌物殘留量增加，三七葉片中過氧化氫酶(catalase, CAT)和過氧化物酶(peroxidase, POD) 活性下降，三七植株長勢變弱，光合能力下降，抗性降低[46]。作為植物體內非常重要的信號分子ROS，其對于植物的生長很重要，但也會造成植物細胞的損傷[47]。有研究表明，環境脅迫，會使細胞中ROS的數量增多，從而使細胞的膜脂以及細胞內的生物大分子被氧化，使細胞結構受到損害，影響細胞的正常功能[48-49]。CAT和POD是清除活性氧等生物自由基的主要保護酶，隨三七輪作時間變短，CAT和POD活性下降，多余的活性氧不能得到有效清除，使著三七細胞受到損傷[46]。植物激素是一類很重要的物質，在植物的生長與抗逆過程中發揮著不可替代的作用，如果其代謝受到影響，便會影響植物的生長和對逆境的抵抗能力[50]。張秋菊[51]研究表明，如果將林地的土壤和人參的皂苷粉混合后去培養與三七同屬的人參幼苗，便會使其葉片中的植物激素吲哚乙酸(IAA)和赤霉素(GA)的含量下降，而脫落酸(ABA)的含量升高。

3 三七連作障礙的緩解與防治

3.1 選育優良抗病品種

選育抗病新品種對解決和緩解三七連作障礙具有重要意義。丁艷芬等[52]研究發現，從云南省大理州南澗縣無量山新挖掘的三七種源，連續不施化肥和農藥種植多年，不僅沒有顯著的病害，而且品質優良。所以，選培優質抗病品種可以降低病害的發生率，緩解三七連作障礙，提高藥材品質。

3.2 調節土壤微生物群落結構

3.2.1施用微生物菌肥 隨連作時間增加，根系分泌物促使根際土壤中病原菌逐漸變為優勢菌群。通過施用微生物菌肥可以促進有益菌群生長，使有益菌群代替病原菌群成為優勢菌群，讓微生物群落結構得到調節，減少土傳病害的發生，從而緩解連作障礙。陳沖等[53]研究發現，蘋果連作后有益細菌數量減少，有害真菌數量增多，通過施用重茬PK、重茬靈、凈地菌、重茬凈4種菌肥可以使土壤中放線菌和細菌數增加，真菌數減少，使土壤微生物環境得到有效改善，緩解了連作障礙。三七經過連作后，通過向土壤中施用微生物菌肥，促進有益菌群生長，使有益菌群代替病原菌群成為優勢菌群，可以有效緩解三七連作障礙。

3.2.2引入拮抗菌和接種有益微生物 三七連作過程中，土壤中的病原菌是產生菌病的主要原因。可以通過在土壤中施入拮抗菌，或者加入有機物使原有拮抗菌的活性提高來抑制病原菌的活動；利用接種的有益菌來分解土壤中的有害物質并與病原菌競爭生存空間，減少病原菌，控制根系感染的程度；接種弱毒的致病菌株來提高幼苗的的免疫機能，形成生物屏障來抑制致病菌的發展等方法，可以有效緩解連作障礙[54]。有些有益菌還可以降解根系分泌物。喻國輝等[55]研究發現，Cellulosimicrobiumcellulans這種放線菌對大分子的有機物具有降解能力，還能降解苯甲酸、對氨基苯甲酸和苯丙烯酸等這些與三七根系分泌物相同的酚酸類物質。三七也可以通過施用C.cellulans等有益菌來降解酚酸類、皂苷類等三七根系分泌物，達到緩解三七連作障礙的目的。

3.2.3對土壤進行消毒處理 土壤消毒技術主要分為物理、化學和生物消毒技術[56]。物理消毒技術主要利用高溫殺死土壤中的病原菌等有害生物。連作后的土壤通過高溫煅燒以及日光消毒等物理消毒技術，可以有效減少連作產生的化感物質，控制病原真菌、細菌、線蟲和雜草等有害物種，增加有益菌群數量和土壤肥力，有效緩解連作障礙[57]。但高溫消毒會使所使用的塑料薄膜等物品產生有毒物質，嚴重污染環境，高溫環境還會使土壤有機質等營養物質完全分解，有益微生物全部消滅，對土壤理化結構的穩定和微生態環境的構建也有著一些負面影響。化學消毒技術主要使用化學土壤熏蒸劑對土壤進行熏蒸處理，以達到消毒的目的。化學消毒劑溴甲烷因危害臭氧層而被禁用，登記在冊的化學消毒劑威百畝、氯化苦等雖對細菌、真菌、雜草和線蟲有較好殺滅效果，但存在一定暴露風險[58]。生物消毒技術主要使用菊科或者十字花科植物殘體所產生的毒氣對土壤進行熏蒸，殺死病原菌和害蟲[56]。通過對三七連作土壤進行火燒、高溫蒸汽處理等物理消毒和化學試劑、毒氣熏蒸等化學及生物消毒，三七連作土壤中的病原菌、線蟲、雜草等有害菌群及物種能得到有效殺滅，土壤中的速效鉀和有機質含量增加，土壤理化性質得到改善，可以很好地緩解三七連作障礙，但這三種消毒方法不能消除連作土壤中的化感物質，在殺滅病原菌的同時也會對有益菌產生影響，而且化學試劑熏蒸處理還會加大土壤中的農藥殘留[59-61]。所以，在進行三七連作土壤消毒時，盡可能調試好化學試劑的劑量比例，減少農殘，在消毒結束后，向土壤中施用一些有益菌劑，補充土壤中有益菌群數量，并結合其他方法，使其對三七連作障礙的緩解效果達到最好。

3.3 改善土壤理化特性

3.3.1施用土壤改良劑 在種植前施用土壤改良劑，改善土壤養分及理化性狀，對連作障礙的緩解有著重要作用。肖慧等[62]研究發現, 用草木灰對三七連作土壤進行處理后,可以使三七根系更好地生長，使其須根數增加，對水分、養分的吸收得到提高，同時可以疏松土壤，調節土壤酸化程度。周麗靖等[63]研究發現，在百合的連作土壤中添加生物炭，土壤中有機質、有效鉀、堿解氮和有效磷的含量增加，根系活力、土壤酶活性、有益菌的豐度得到了提高，致病菌的豐度下降。土壤改良劑的添加，使連作中由于化感物質的化感作用所產生的不利影響得到了有效地控制和改善。

3.3.2合理輪作和加強田間管理 通過輪作可以減少過剩養分，補充虧缺養分，緩解因連作造成的土壤養分比例失調，使土壤養分得到充分利用，土壤微生物群落結構和理化特性得到明顯改善，土壤酶活性得到提高，有效地消減了連作障礙[64]。輪作植物的選擇不同，對三七連作障礙的緩解效果也不同。王雄飛等[65]研究發現，在與三七的輪作過程中相對于小麥、油菜等植物，玉米對三七種植產生的化感作用耐受性更強，更適合和三七輪作。加強規范化的田間管理，在種植前徹底清除土壤中的前茬殘株，斷絕其對后茬三七的化感作用，對于緩解連作障礙也至關重要。

3.4 提高土壤酶活性

如前所述，通過施用生物炭類土壤改良劑對土壤酶活性的提高有一定的作用。輪作通過種植其他作物，使土壤養分結構和理化特性得到改善，改變了土壤的微生物區系，使菌群結構的組成發生變化，間接地提高了土壤酶活性。

4 總結及展望

各國學者針對三七連作后所產生的根系分泌物，主要研究了其大概的種類，其中自毒物質的自毒作用，以及其對植株、微生物群落結構、土壤理化特性的影響，雖然找出了一些有意義的規律，并得出了一些結論。但至今為止，研究都停留在對單一因素的研究。三七根系分泌物中造成連作障礙的具體物質還不是很清楚，其在三七連作障礙中的生態效應及機制研究的還不夠透徹。三七連作障礙的產生，可能是三七根系分泌物中自毒物質或其他途徑所產生自毒物質的自毒作用加之農藥化肥的過度施用，從而造成土壤理化特性改變，土壤微生物群落結構改變，土壤酶活性改變等一系列土壤微生態的劣化造成的。

連作障礙的緩解和防治措施主要有選育優良抗病品種、土壤消毒、施加土壤改良劑、施加菌肥、合理輪作、引入拮抗菌和接種有益微生物等。但大多仍處于試驗階段，部分有效的化學措施對環境的破壞較大，而后期對土壤的生物處理也只能達到緩解的作用，不能完全克服連作障礙。因此有必要從源頭出發，即第一輪種植時就要注意如何減少對土壤微生態破壞的角度，來探討如何克服或緩解三七連作障礙，探討三七根系分泌物對土壤的生態效應，就顯得尤為重要。為了找出三七根系分泌物在三七連作障礙中的作用，必須研究總結諸多因素的作用，以及各因素之間的內在聯系。開展三七盆栽、大田試驗，向根際土壤中添加已確定最適化感濃度的三七根系分泌物來模擬三七的根際環境，通過測量全鉀、全磷、全氮、全硫、有效鉀、有效磷、有效氮、有效硫等指標，來了解三七根系分泌物對三七根際土壤理化性狀的影響；利用llumina MiSeq高通量測序分析技術對土壤微生物進行檢測和分析，確定三七根系分泌物對三七根際土壤微生物群落的改變特點；測定三七根系分泌物最適化感濃度下三七植株抗逆性酶、光合作用等的變化；結合所有相關因素來綜合探究三七根系分泌物在植物—根際土壤—根際微生物中的作用，找出三七根系分泌物對土壤的生態效應機制，為從源頭尋找緩解和克服三七連作障礙的新方法提供理論依據。