基于微生態平衡消減西洋參連作障礙策略

蔣麗，郭瑞齊，管仁偉，林慧彬，閆雪生

（1.山東中醫藥大學藥學院，山東 濟南 250355；2山東省中醫藥研究院，山東 濟南 250014）

西洋參（Panax quinque folium L.）為五加科多年生宿根草本植物，具有補氣養陰、清熱生津等多種功效［1］。現代藥理學研究表明，西洋參及其制品在抗腫瘤、抗癌、抗疲勞、抗氧化、降血壓、降血脂等方面有獨特功效，應用廣泛，需求量不斷增加［2］。

目前，西洋參主要依靠人工栽培。但西洋參屬于宿根性植物，忌地性極強，連續種植會出現明顯的連作障礙，需要數年的輪作，因此，土地成為困擾西洋參產業發展的難題。連作障礙主要原因為隨著種植年限的增加，根際土壤微生物群落不足以消化逐年增加的根系分泌物，累積分泌物根據各自性質推動根際微生物群落結構發生改變，經過一系列過程最終造成根際微生物群落失衡，致病菌數量上升，有益菌數量下降；土壤酸化、鹽漬化嚴重，根系活力下降，同時也為真菌的入侵提供條件，進而出現自毒、土傳病害等問題，并出現明顯的土壤微生態系統退化。

近年來研究者將關注點逐漸向生物防治方向轉移，以維持根際微生態系統平衡為導向，針對性采取相應措施，緩解效果理想。本文綜述了近年來西洋參栽培過程中微生態系統平衡的重要性、微生態系統失衡所面臨的問題以及以微生態系統平衡為基準的防治途徑，試圖以微生態系統為基準消減西洋參連作障礙，以期為緩解西洋參連作障礙等問題奠定基礎。

1 維持微生態系統平衡的重要性

根際微生態系統主要包括植物、土壤、微生物及其環境相互作用等內容，是一個以植物為核心的微生態系統［3］。其宏觀功能主要體現在維持土壤-植株-微生物之間內外部物質和能量的轉換及信息的交換，維持生物與非生物在分布、數量等方面的平衡，營養物質的循環與高效利用等方面。其微觀功能主要體現在根際土壤是構成植株外在生存環境的重要組分，提供植株所需營養物質；而微生物群落是構成植株內環境的重要組分，對西洋參的生長、次生代謝產物形成與積累等具有較大影響［4］。

根際微生物群落是平衡微生態系統研究的重點，其與植株、根際土壤相互作用：植株為定殖菌落提供良好的生存環境，土壤為微生物群落及植株提供優越的生存環境和必需養分，微生物群落消化植株根際分泌物，降低植株發生自毒作用機率，緩解連作障礙。根際微生物群落不僅是衡量土壤健康及質量的指標，還在生物化學循環中發揮重要作用。全方位了解根際土壤微生物群落有助于更加深入地了解根際微生態的變化，對藥用植物的栽培及產業可持續發展具有參考利用價值，同時維持根際微生物群落結構平衡對老參地的改良及次生代謝產品的開發具有重要作用。

2 微生態系統失衡所面臨的主要問題

2.1 根際微生物群落結構失衡

文獻報道顯示，隨種植年限增加，土壤微生物群落組成及多樣性發生質的變化［5］。李麗等［6］研究發現4年生參地根際土壤中嗜鹽粘細菌屬、假單胞菌屬、鞘脂菌屬、芽孢桿菌屬、厭氧粘細菌屬、紅游動菌屬、芽單胞菌屬、硝化螺旋菌屬、根瘤菌屬、鞘氨醇單胞菌屬等菌株豐富度與未種土地相比均發生明顯變化，其中優勢屬假單胞菌屬和鞘脂菌屬與西洋參致病性顯著相關。Dong等［7］采用高通量測序技術與聚合酶鏈反應相結合的研究方法對老參地根際土壤進行分析，發現與新土地相比，土壤中細菌和真菌種類相對豐富度發生顯著變化，功能性細菌多樣性下降，致病性真菌多樣性增加，與李麗等的報道基本一致。田苗等［8］通過對全生長期根際土壤微生物研究發現，隨種植年限增加，優勢細菌及放線菌種類和數量均有不同程度減少，霉菌種類顯著增加，且土壤中具有解氮、解磷、固氮等作用的細菌比例嚴重失調，菌群失調惡化土壤生態環境，進而影響西洋參的連續種植。

通過對根際土壤微生物群落分析，隨種植年限的增加，土壤中細菌與真菌表現出顯著的動態變化，逐漸從“細菌型”向“真菌型”轉化，根際土壤微生物群落多樣性及組成主要是受生物與非生物因素的影響，認為根際分泌物與植株殘體驅動根際微生物群落發生變化［9-11］。因此細菌與真菌的比例能夠體現土壤功能的重要特征，可作為評價生態系統的指標，其比例的高低可用于判斷植株是否存在連作障礙。

2.2 根際土壤理化性質惡化

根際土壤的理化性質與微生態平衡息息相關。微生態系統通過微生物群落動態變化調控土壤理化性質，故微生態系統的失衡勢必會導致土壤生態環境惡化［12］。欒泰龍等［13］研究發現，隨著種植年限的增加，根際土壤逐漸呈現酸性化的趨勢，pH值下降約0.5個單位；氮磷鉀含量呈現先增加后下降趨勢；含水量及有機質含量均隨種植年限增加逐漸下降。劉芳等［14］探究了西洋參連續種植根際土壤氮磷鉀含量的變化規律，結果與欒泰龍等的基本一致。

理化性質分析表明，老參地土壤鹽漬化及酸化嚴重，土壤含水量降低，營養物質供求不平衡，有機質含量下降。土壤鹽漬化很大程度上降低根系活力，進而影響根部營養物質的吸收；土壤酸化為致病菌提供了優越的生存環境，并降低了功能性菌落分解營養物質的能力；磷、鉀、氮及微量元素的缺乏也會影響植株生長。綜上，土壤理化性質惡化從降低根系活力、阻斷營養物質吸收、增加病害侵染幾率、營養物質供不應求、抗性下降等方面抑制西洋參植株生長，進而體現為連作障礙。

此外，在西洋參種植過程中，酶活性同樣發生顯著變化，其中蔗糖酶、脲酶及堿性磷酸酶活性呈現先降低后增加趨勢，過氧化氫酶、過氧化物酶、抗壞血酸過氧化物酶活性呈現先增加后降低趨勢，琥珀酸脫氫酶活性呈逐漸升高趨勢［15］。其原因可能與根際土壤理化性質改變及自毒物質積累有關。

2.3 根際土傳病害加重

隨種植年限增加，根際土壤微生物群落結構及土壤理化性質均發生質的變化，植株對營養物質的吸收受到嚴重影響，對致病菌抵抗力下降，進而增加感染土傳病害的幾率。研究表明，根際微生物群落不足以消化土壤中酚酸類化合物是引起微生態系統失衡的主要原因［16］，而微生態系統失衡進一步引起或加重土傳病蟲害的發生。土傳病害主要為根腐病、銹腐病、立枯病等侵染性病害（表1）；蟲害以地下為害為主，以金針蟲、地老虎等為代表（表2）。化學農藥過量使用使致病菌抗藥性增強、根際土壤微生態環境破壞及有毒化合物殘留過高等問題日趨嚴重。

表1 西洋參主要土傳病害及防治措施

表2 西洋參主要地下蟲害及防治措施

3 基于微生態平衡的防治措施

3.1 接種微生物拮抗劑

根際微生物群落結構隨種植年限而發生變化，老參地根際微生物群落結構發生了質的變化，微生物拮抗劑的加入可有效改善根際土壤微生態環境，通過形成根際微生物屏障抑制致病菌生長、減少土傳病害侵染幾率、抵抗根際分泌物等方式緩解連作障礙。相關研究發現對致病菌具有拮抗作用的菌株均有可能發展為微生物拮抗劑，但微生物拮抗劑的篩選是一個艱難繁瑣的過程。首先需通過高通量檢測技術檢測細菌及真菌的豐富度，將功能性細菌及真菌進行定量PCR分析；再使用雙重培養測定法篩選拮抗致病真菌的微生物拮抗劑，分離與鑒定拮抗細菌；最后評價拮抗劑的防治效果。微生物拮抗劑拮抗機理主要包括與病原菌爭奪營養成分，作為誘導劑誘導植株產生抗逆性，其代謝產物抑制病原菌的生長與繁殖或促進植株生長［30］。

目前在加入拮抗劑緩解連作障礙方面已取得良好效果，可降低植株發病率，并未對藥材質量產生不良影響。林紅梅等［31］從西洋參根際土壤中篩選出7株對致病菌具有顯著拮抗作用的細菌，并表現出較強的廣譜性及專一性。Dong等［9］利用雙培養技術篩選出的枯草芽孢桿菌50-1，對抗尖孢鐮刀菌抑制率達到67.8%，具有潛在的預防和抑制作用。

此外，研究表明重茬地根據需要添加相應的微生物菌劑，也可達到緩解連作障礙的作用［32，33］。

3.2 菌根定植

菌根是由土壤中真菌與高等植株根系形成伙伴關系的一種共生體，菌根可視為植株根部的延伸，增強根部相關功能［34］。相關研究表明，菌根共生體不僅可提高植株對土壤中營養元素的吸收與積累［35］，而且還可提高植株在干旱、澇害、病害、高鹽等脅迫條件下的抗逆性，根據需求影響植株次生代謝產物的形成，對保持生態平衡、保護生物多樣性、開發次生代謝產品等具有重要意義。

叢枝菌根真菌為土壤中非常重要的一類微生物，西洋參及大多數草本植物均與叢枝菌根真菌建立合作關系。叢枝根真菌的侵染率、侵染強度與根中人參皂苷類成分（Re、Rg1、Rb1）含量呈現顯著正相關，并影響植物體內的次生代謝過程，對次生代謝產物開發具有指導意義［36］。目前國內外學者針對菌根定植是否影響植株生長、營養物質競爭、土壤微生物群落等一系列問題展開相關研究并已獲得良好結果，但對于如何影響宿主相關性狀表達、抗逆機制等方面還需加強［35］。強抗逆性土壤中殘留的菌根真菌一般有較強的適應性，應加大力度探索其微生物群落結構相關變化，挖掘并充分利用優良菌根真菌資源，針對性開發菌根制劑，進一步發揮共生菌根真菌在提高西洋參產量、質量及維持微生態系統等方面的潛力。

3.3 輪作與施肥

輪作主要通過降低土壤中病原菌密度、淡化土壤鹽漬化及酸化等方式緩解連作障礙。西洋參與紫蘇、薏苡等輪作均可達到緩解連作障礙效果，以紫蘇子為肥料緩解效果更佳［37］。Sung等［38］以23種綠肥植物為研究對象，將開花期綠肥植物混入老參地土壤，結果顯示以菊科根莖栽培品種作綠肥可有效改善土壤理化性質，防治根腐病效果良好。此外，生物炭肥料在恢復老參地土壤理化性質、提升微生物群落質量、抑制土傳病害等方面具有不可忽視的作用［44］。

施用綠肥及輪作均可恢復地力，增加土壤有機質含量，改善理化性質，慢速度恢復根際土壤微生態系統，但一般時間較長，短時間內無法達到參地連續種植的標準。此外老參地部分致病菌如尖孢鐮刀菌存活時間較長，輪作效果有限，根際分泌物仍會為致病菌生存提供優越的生存環境，連作仍有侵染病害的機會。故輪作應有相應的評價標準，實時監控輪作土壤微生態系統變化，采取相應措施盡可能在短時間內恢復土壤微生物生態系統，減少輪作時間，增強西洋參產業供應，提高參根質量、產量。

3.4 選育強抗逆性品種

丁艷芬等［39］選育的同科植株三七新品種，在不施農藥及化肥情況下可連作十余年，且連作障礙不明顯，藥材質量不受威脅，為西洋參優選抗逆性品種提供了良好的理論基礎。篩選優良的抗逆新品種是消減西洋參連作障礙最基本、有效的手段，種質資源研究及建立種質庫是選育強抗逆性品種的前提。目前分子生物學是品種選育最有潛力的手段，主要依靠高通量測序技術、轉錄組測序技術快速獲得功能性基因，經轉基因或其他技術優選品種［40］。Chen等［41］采用此技術獲得數百個與高皂苷相關的潛在基因，為西洋參優選強抗逆品種提供了參考依據，也為西洋參產業可持續發展提供了基礎保障。

3.5 無土栽培

無土栽培以人工創造植株生長環境代替根際土壤環境，不僅滿足植株所需養分、水分、氧氣等，還可調控植株二次代謝產物的形成與積累，其最突出優點在于克服了連作障礙等問題［42］。近年來，越來越多作物因各種原因選擇無土栽培，經質量及安全性評價，其產品符合相應標準。無土栽培可實時監控根際微生態系統的變化及植株生長狀況，根據實際情況采取相應措施，以保證植株始終在最優環境生長。除此之外，無土栽培可有效免除耕地、除草等勞動力的使用，符合機械化、自動化的需求。

3.6 建立作物自動配對系統

作物輪作可有效緩解連作障礙，但輪作作物的選擇是研究難點，需長時間探索。相關研究者可建立一個作物自動配對系統，分別上傳作物種植前及整個生命時期土壤中微生物群落、理化性質、自毒物質種類、有機質、所需營養物質等一系列相關信息，根據種植前及種植過程中土壤中一系列變化實現作物與作物之間的自動配對，為作物輪作提供有利信息，提高輪作效率。此外，還可通過此系統實時監控土壤變化，尋找土壤變化規律并挖掘其與病害之間關系。因此建立作物自動配對系統不僅增加解決連作障礙等問題機會，而且通過該系統指導添加所需營養物質，保證了西洋參產量和質量［43］。

4 展望

連作障礙嚴重制約西洋參產業的發展，要徹底緩解西洋參連作障礙需預防與防治相結合。連作障礙是植株根際土壤微生態系統中多因素相互作用的結果，形成原因較為復雜，根際土壤微生態失衡是其主要原因之一。基于微生態系統平衡的防治措施逐漸成為研究熱點。研究發現木霉菌株對多種致病菌有較強的拮抗作用，并且在促進植株生長及誘導植株產生抗逆性等方面具有巨大潛力［18］，期待篩選出以木霉菌株為基礎的高效、廣譜菌株，通過接種微生物拮抗劑及菌株定殖防治西洋參土傳病害。此外基因組序列分析、高通量測序等生物技術的廣泛應用也成為推動微生物拮抗劑開發的另一因素，但前期必須有大量探索性工作，如老參地根際土壤微生物群落結構變化、影響微生物菌落的自毒物質類型、土壤理化性質分析、土傳病害種類及形成原因等，是一項艱難且復雜的工作，但對于緩解連作障礙促進西洋參產業持續發展、提高土壤資源循環利用效率具有重要意義。