從抑病土壤到根際免疫：概念提出與發展思考*

韋 中，沈宗專，楊天杰，王孝芳，李 榮，徐陽春，沈其榮

（江蘇省固體有機廢棄物資源化高技術研究重點實驗室，作物免疫學重點實驗室，國家有機類肥料工程技術研究中心，江蘇省有機固體廢棄物資源化協同創新中心，南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095）

土傳病害是指由生活史中一部分或大部分存在于土壤中的病原物（病原細菌、病原真菌、病原卵菌、病原線蟲等）在條件適宜時萌發并侵染植物根系而導致的病害。隨著集約化農業高速發展，單一作物連作及氮肥、農藥等化學品過量施用等因素導致的土傳病害日益嚴重，環境和農產品安全以及農業可持續發展受到了很大的威脅。以土傳青枯病（致病菌為青枯菌Ralstonia solanacearum）為例，該細菌性土傳病害在我國僅3個省及地區（西藏、內蒙古、澳門）未報道，淮河以南尤為嚴重[1]。尤其在全球變暖以及集約化農業快速發展的背景下，土壤中植物病原物的風險將會進一步增大[2]。長久以來，植物病理與保護、農學、園藝、土壤、植物營養、微生物等領域工作者均參與到土傳病害的研究與防控中，所開發的抗病品種、化學農藥和熏蒸、嫁接、輪作、營養平衡、生物菌劑和生物有機肥等單一和綜合措施對土傳病害的有效控制做出了重要貢獻，但當前及未來土傳病害的防控形勢依然面臨著巨大壓力[3-4]。相對于地上部植物病害，由于土壤物理、化學和生物環境的復雜性，土傳病害的發生和防控更加復雜。從土壤學角度闡釋土傳病害發生的機制，揭示土壤各因子對土傳病害防控的影響，系統梳理各個學科領域的優勢，將相關理論和技術體系進行整合，將有助于科研工作者有效解決土傳病害問題。

大量研究[5-7]表明，土壤物理、化學和生物學特性均影響著土傳病害的發生。根際是受植物根系機械作用及其分泌物顯著影響的土壤微域，其物理、化學和生物學特性與土體土壤顯著不同。根際是土傳病原物入侵作物根系的必經之路[8]，必然受定殖在該區域復雜多樣的微生物的影響。為此，根際這一特殊微域中植物、土壤、微生物組、病原物之間的交互作用必然顯著影響植物健康。筆者將上述四者在根際互作形成的抵御土傳病原物入侵的現象和能力，稱之為“根際免疫”（rhizosphere immunity）[9]。本文重點梳理根際免疫概念形成的4個重要方面或階段（圖1）：（1）抑病土壤概念的提出與發展；（2）抑病土壤微生物篩選與作用機制；（3）抑病土壤核心微生物組及互作機制；（4）根際免疫概念的形成與發展思考。在此基礎上，呼吁關注根際微生態、注重學科交叉并系統揭示根際免疫機制，以期為提升土壤-植物系統健康和實現農業可持續發展提供理論依據和技術支撐。

1 抑病土壤概念的提出與發展

雖然 Atkinson[10]于 1892年就已報道存在抑制棉花枯萎病發生的土壤，且于1931年指出土壤微生物與土壤的抑病能力有關[11]，但直至 1974年才由Baker和 Cook[12]首次提出抑病土壤（disease suppressive soil）的概念，明確其定義為“土壤中病原物不能定殖，或能定殖但危害很小或無危害，或能定殖并一時造成危害但隨后即使在病原物存在的情況下發病也很輕的土壤”。與之相對應的是非抑病土壤，也稱感病土壤（disease conducive soil），指容易感病的土壤。自此，先后在多種作物及多種土傳病害發生的農田系統中證實了抑病土壤的存在。依據病原物的不同，目前已有以下四種類型的抑病土壤：（1）抑制細菌性病害發生的抑病土壤，如土豆瘡痂病鏈霉菌[13]、番茄青枯病[14]的抑病土壤；（2）抑制真菌性病害發生的抑病土壤，如小麥全蝕病[15]、香蕉枯萎病[16-17]、豌豆根腐病[18]、花菜立枯病[19]的抑病土壤；（3）抑制線蟲病害發生的抑病土壤，如萵苣根結線蟲[20]、桃根結線蟲[21]的抑病土壤；（4）抑制原生生物病害發生的抑病土壤，如根腫病[22]的抑病土壤。值得注意的是，田間抑病土壤可能會呈斑塊化特征，即在同一田塊會出現某些健康的植株周圍全是發病植株的現象[23]。研究[23-24]發現在斑塊化抑病土壤中細菌和原生動物群落以及它們的互作在抑病中發揮著重要作用。

自1931年Henry[11]提出微生物是抑病土壤的基礎之一后，大量研究通過土壤加熱滅菌、使用殺菌劑、土壤移植等方式逐漸證實微生物參與了抑病土壤的形成與功能維持[25-30]。如 Mendes等[26]將甜菜立枯病的抑病土壤按照10%的比例與感病土壤混合后，再次種植甜菜后，立枯病的發病率顯著降低；而經50 ℃加熱滅菌1 h后再次種植甜菜發現，該土壤丟失了抑病能力，導致立枯病發病率顯著升高。盡管抑病土壤的物理化學性狀，如pH、有機質含量、黏粒含量可直接作用于病原物而提升土壤抑病能力[31-32]，但它們更多則是通過影響土壤微生物的裝配而間接作用于病原物，進而提升土壤抑病能力[33]。因此，抑病土壤的形成與功能維持是由土壤中生物與非生物因素共同決定的[27]。

2 抑病土壤微生物篩選與作用機制

明確微生物在抑病土壤形成與功能維持中的重要作用之后，大量研究開始探索抑病土壤的微生物學作用機制。根據抑病機制的不同，抑病土壤一般分為廣譜抑病（general suppression）和特異抑病（specific suppression）土壤[29]。廣譜抑病能力的形成通常與土壤中較高的微生物活性有關，其抑病能力不能轉移，可因土壤有機質的增加而提升[34]。特異抑病能力是由于土壤中某類微生物主導形成的，可轉移性是其主要的特征。當接種一定比例的特異抑病土壤至感病土壤中后，感病土壤能逐漸轉化為抑病土壤[35]。因此，挖掘抑病土壤中發揮抑病作用的有益微生物及其作用機制，為土傳病害的防控提供微生物資源與理論指導，成為研究的熱點。

抑病土壤中諸如假單胞菌（Pseudomonas）[15，26]、鏈霉菌（Streptomycete）[36]等有益細菌，木霉（Trichoderma）[37]、非致病性鐮刀菌（non-pathogenicFusarium）[38]等有益真菌以及病原細菌的專性噬菌體[39]等多種功能微生物被陸續分離篩選出來，隨后有益微生物通過拮抗和營養競爭、寄生、捕食、誘導植物抗性以及干擾病原物致病信號等方式抑病的機制也逐漸被揭示（圖2）。例如，假單胞菌通過產生2,4-二乙酰基間苯三酚、吩嗪、吡咯菌素及氰酸等物質拮抗病原物從而提升土壤的抑病能力[27，40-41]。芽孢桿菌通過分泌脂肽類物質、表面活性劑以及小分子揮發性物質（volatile organic compounds，VOCs）等直接殺滅病原物或抑制病原物，從而提升土壤的抑病能力[42-45]。Gu等[46]研究發現，鐵載體介導的根際細菌與病原青枯菌的鐵營養競爭決定著番茄青枯病的發生與否，在育苗階段加入高產且鐵載體不會被病原青枯菌“竊取”的有益微生物，可有效保護作物健康。此外，諸如假單胞菌、芽孢桿菌等有益微生物還可通過水楊酸途徑或茉莉酸途徑等激發植物的系統抗性，提升根際抑病能力[47]。一些芽孢桿菌還可通過干擾病原物之間的交流信號，進而降低病原物的致病能力[48]。有益真菌通過寄生機制能有效抑制核盤菌、尖孢鐮刀菌、立枯絲核菌等病原真菌的侵染[49-51]。以具寄生能力的哈茨木霉4742為例，該菌株通過Nox1介導產生高濃度的過氧化氫（H2O2）以及金屬肽酶NMP1并分泌至胞外，協助木霉菌捕食尖孢鐮刀菌，滿足自身菌絲的延伸進而實現對病原真菌的寄生作用，最終提升了根際抑病能力[50-51]。除了有益真菌和細菌，學者們還分離了大量病原細菌的專性噬菌體[52-53]，這些噬菌體能夠特異性侵染病原細菌，進而降低病原細菌數量以及生長和致病能力[39]。原生動物也可通過捕食或產生具有抑菌作用的代謝產物等機制抑制病原細菌的根際入侵[54]。總體而言，大量土壤有益微生物的分離及其作用機制的揭示為理解根際復雜的菌群互作和抑病機制奠定了基礎。

3 抑病土壤核心微生物組及互作機制

土壤微生物在抑病中發揮重要作用，但田間實踐研究[55]表明單一有益菌常因根際定殖能力不強而無法實現穩定抑病的目標，說明在實際抑病土壤中可能是多個核心微生物協同發揮抑病作用。為此，解析抑病土壤核心微生物的組成及功能特征成為當前的研究前沿和熱點。自 2010年以來，隨著16S/18S/ITS擴增子測序（16S/18S/ITS-amplicon sequencing）、宏基因組（metagenomic）、宏轉錄組（metatranscriptomics）、宏蛋白組（metaproteomics）和宏代謝組（metabolomics）、DNA穩定性同位素示蹤（DNA stable isotope probing）、基因芯片技術（phyloChip/geochip）等多組學研究技術的發展，抑病土壤核心微生物組結構和功能解析不斷取得突破（圖3）。例如，甜菜立枯病[26]、香蕉枯萎病[16]、草莓枯萎病[36]、小麥全蝕病[56]等抑病土壤的核心微生物組被解析出來。次生代謝產物合成、脅迫響應等與抑病相關的核心功能基因也被挖掘出來[23，57]。上述研究表明，土壤抑病能力與土壤微生物的核心菌群結構和功能密切相關，但不同區域、不同病害的抑病土壤核心微生物組成與功能存在顯著差異。因此，利用多組學技術解譯抑病核心微生物組仍是抑病土壤研究領域的一大重點。

盡管組學技術能解析出自然菌群中潛在的核心抑病菌群，但它們協同抑制病原物的機制很難用自然菌群來驗證。為此，近年來學者們利用合成微生物群落探究群落互作及協同抑病機制（圖3）。Li等[58]基于合成菌群，發現相對于便利型菌群，競爭型的微生物群落有利于抑制病原細菌的入侵。Wei等[59]及Hu等[60]分別從營養競爭和拮抗競爭的角度進一步闡述了合成菌群抵御病原細菌入侵根際的機制，指出功能菌群在營養資源利用上的互補效應和在拮抗物質抑菌中的協同效應，對合成菌群的抑病能力起關鍵作用。Durán等[61]通過宏基因組、宏培養組學（分離篩選大量細菌和真菌）和合成菌群的方法闡述了細菌和絲狀真菌之間的跨界競爭互作對作物抵御真菌和卵菌等植物病害的影響。Wang等[39]通過構建特定病原細菌的噬菌體組合，發現噬菌體可通過靶向消滅病原細菌，降低其生存競爭能力，同時還可重新調整根際土壤菌群的結構，恢復群落多樣性，增加群落中具有拮抗能力的有益菌豐度，進而提升根際菌群抑制病原細菌入侵的能力。此外，Wang等[62]人工構建了噬菌體和有益細菌的組合，通過寄生和競爭雙脅迫抑制了病原青枯菌的生長，有效抵御了土傳青枯病的發生。

4 根際免疫概念形成與發展

4.1 根際免疫的提出背景

盡管科學家已開發出環境友好的方法以控制植物土傳病害，如生物農藥、抗性植物品種、土壤改良方法和微生物接種劑等，但上述策略大多仍是孤立的應用，導致其效果不能充分體現。經過近50年的發展，尤其是“土壤記憶”（soil memory）[63]及“土壤遺留效應”（soil legacy）[64]等概念提出以后，抑病土壤的內涵、邊界等方面均有了質的變化。學者們研究[65-66]發現，病原物入侵后通過激活植物系統誘導抗性，富集多種特異性的根際有益菌，而這些有益菌相互合作并作為一個整體可共同參與抵抗植物病原物；且上一代受到病原物入侵的植株通過土壤遺留效應協助下一代植株抵御同種病原物的入侵。上述復雜的植物-土壤-微生物組-病原物互作關系，讓人們逐漸認識到抑病土壤的實質是植物、土壤、微生物組和病原物四大因子在根際交互作用的結果。Wei等[9]提出的根際免疫是將根際作為一個生態系統或者“超有機體”（meta-organism），強調整個根際微生態系統抵御病原物入侵的能力，其核心是根際形成了能夠抵御土傳病原物入侵和維持植物健康能力的特定微生物群落（圖4）。值得注意的是，近期 Zhang等[67]提出的根際免疫（rhizospheric immunity）是以植物為中心，主要從植物本身根組織和細胞出發，重點闡述延伸蛋白（主要在植物根部表達的細胞壁糖蛋白）與邊界細胞共同形成“根細胞外陷阱”網絡等根際免疫在植物防御中的重要作用。兩個概念有很好的互補作用，豐富了根際免疫的內涵。

4.2 根際免疫的四個功能

根際免疫是植物先天免疫系統的外延，是植物適應多脅迫環境的一種必然選擇。根際免疫具有經典免疫理論中的四個核心功能：預防、識別、響應和穩態[9]。預防是根際有機體整體限制病原物進入根際生態系統）服根際物理、化學和生物屏障并在根際中開始繁殖，其特殊的生理活動會被根際微生物組識別，如病原細菌的噬菌體；一旦識別，病原物的存在會觸發一系列響應，如植物的響應（包括細胞凋亡和防御化合物如胼胝質的產生）、微生物組水平的響應（某些微生物拮抗性狀的表達增強，抗生素產量的顯著增加）。如果拮抗菌在病原物根除后進入休眠狀態（例如，形成芽孢或孢子），就可能會形成防御庫，可在重新感染后迅速重新激活，從而為根際提供獲得性免疫記憶。除了發現和抑制病原物外，面對非生物和生物脅迫時的根際系統的穩態平衡也是根際免疫的一項基本功能。根際免疫系統會降解衰老或垂死的生物細胞（來自根或微生物）以及可能對根際系統產生負面影響的污染物和農藥殘留。需要說明的是，根際免疫的四個功能仍需要大量研究證據來支撐，亦或需要對根際免疫概念作進一步擴充和完善。

4.3 基于施用含生物類有機肥的根際免疫調控技術

根際免疫的核心是在根際形成了能夠抵御土傳病原物入侵根系的特定微生物群落，因此，可通過調控根際微生物區系，進而在作物當季快速獲得土壤免疫能力，實現土傳病害的有效防控。自2003年以來，國內不少科研團隊，將傳統的有機肥與特定的功能微生物組合起來，研發出防控青枯病、枯萎病等土傳病害的生物類有機肥（生物有機肥或復合微生物肥），并開發了營養缽育苗等配套施用技術。一系列研究表明，施用這些生物類有機肥不僅能提升土壤有機質、調節土壤pH等，進而直接抑制土傳病原物在根際的增殖，更能調控土壤微生物區系結構和功能，激發土著有益菌群的增殖、驅使菌群互作關系趨于競爭型，進而抑制土傳病原物的入侵，最終有效控制番茄、香蕉、西瓜、黃瓜、香草蘭等重要經濟作物土傳病害的發生[33，68-72]，產生了顯著經濟和社會效益。為了進一步提升生物類有機肥的抑病效果和穩定性，近幾年，基于生物多樣性-生態系統功能理論模型和微生物群落成員的互作關系，構建了高效抑制土傳病害發生的有益微生物群落[23，39，46，58-59]，建立了有益微生物群落構建的基本原則，為開發復合有益功能生物有機肥及其協同增效因子提供理論基礎和技術支撐。總體而言，利用生物類有機肥調控根際土壤微生物區系結構和功能，提升根際免疫能力，進而保障作物健康和生態環境安全具有重要的實踐意義。

5 思考與展望

在全球變暖、人類活動加劇和土傳病害日益嚴重的背景下，開發新型、綜合、高效的可持續土傳病害阻控策略，對實現生態環境保護和食物安全高效生產的多目標需求至關重要。根際免疫作為一個整體的概念框架，以生態系統理論為基礎，綜合以植物、土壤、微生物組和病原物等為中心的土傳病害管理理論和技術措施，強調不僅要獨立了解根際免疫的每個組成部分，更要解析各組成部分如何相互作用和影響（圖4），并客觀評估它們對根際免疫和植物健康的貢獻。為了實現上述目標，需要從事不同學科領域的工作者分工協作，促進多學科合作，探明根際免疫相關科學問題，推動不同學科知識和理念的相互交融和應用。

5.1 根際免疫呼吁關注人類活動對根際微生態的影響

關于土傳病害的發生，人們的認知在逐步豐富和深入。病三角（disease triangle）強調了自然生態系統中寄主植物、病原物、環境三個因素的相互作用。根際免疫將環境拆分為土壤和微生物組兩部分，強調了微生物組與植物及病原物互作對病害發生的影響。在農業生態系統中，病三角加上人類農業生產活動因素則構成了“病四面體”（disease tetrahedron）。在這個四面體中，人類干預作用對土傳病害發生的影響越來越大，甚至是起到了主導作用。人類活動不僅僅表現在對宿主植物的馴化、改造（嫁接、基因工程等）和對病原物的非特異性殺滅抑制（化學農藥和熏蒸等）等方面，更多的是對植物生長環境的改變，比如小氣候的調控（光照、水分、CO2等）、土壤養分供應（施肥）、植物種群密度設置（高復種指數）及生態多樣性控制（除草）等。根際免疫將人們對土傳病害認知的焦點轉移至地下，呼吁關注地下微生態互作以及它們在土傳病害發生與阻控中的重要作用，探明人類活動所產生的區域環境改變以及全球變化對植物、土壤、微生物組和病原物以及它們之間（尤其在根際這一微域）互作的短期和長期影響。

5.2 根際免疫呼吁多學科的交叉合作

現有土傳病害發生與阻控相關的概念以“病三角”某一構成因子為中心。比如，植物先天免疫、呼救系統（cry for help，相當于獲得性免疫）等是以植物為中心的概念；抑病土壤、土壤記憶、土壤遺留效應、土壤免疫響應等強調了土壤及土壤微生物的重要性；化學農藥、熏蒸等則是以殺滅病原物為中心的抑制策略，忽略了這一措施對土壤生態系統功能的影響。上述理論概念或者技術方法僅僅抓住了某一個重心，雖然實現了重要突破，但由于忽視了系統中的其他組成成分的重要性，加上領域方向差異的原因，限制了理論概念向其他學科方向的外延，也降低了應用的廣泛性。根際免疫則以根際為中心，融合了各領域相關概念的核心觀點，便于不同領域間的交流，有利于各方協作解決實際生產問題。根際免疫呼吁通過人為干預，提高土壤生物多樣性，在減少病原物數量、削弱其致病性的同時，保持和提高植物的抗病性；調整播種期，改變耕作方式和栽培技術，優化土壤生態環境，創造有利于寄主生長發育而不利于病原擴增、繁殖的條件，以達到控制病害的目的。

5.3 根際免疫亟需深入廣泛的創新研究

需要指出的是，根際免疫概念框架尚不成熟，亟需國內外不同領域學者進一步探究、豐富和完善。以下從植物、病原物、微生物組、環境以及精準調控等角度，提出一些與根際免疫相關的科學問題，供讀者和相關科研工作者參考。

（1）植物與根際免疫：不同植物品種或者基因型根際免疫差異的驅動因素是什么？比如探明影響植物激素合成、氮磷養分吸收等關鍵基因介導的根系分泌物、根際微生物組與根際免疫能力之間的關系。

（2）病原物與根際免疫：土壤中病原真菌、病原細菌、病原卵菌、根結線蟲等單獨或混合侵染對根際免疫及植物健康有什么影響？它們在單獨或復合入侵根際中與根際其他生物有哪些互作，這些互作對根際免疫的形成有哪些貢獻？

（3）微生物組與根際免疫：以往重點研究了根際細菌組和真菌組在根際免疫中的重要作用，以后需要關注根際原生動物組、病毒組、線蟲組等以及它們與細菌、真菌形成的多營養級微食物網互作在抵御土傳病原物入侵中的作用機制。

（4）環境與根際免疫：盡管之前已有不少關于土壤理化環境與土傳病害發生之間的關系，但是尚缺少全球變化以及人類活動干擾，如溫度、CO2濃度升高或者氮肥施用對植物、病原物和微生物組三者互作以及根際免疫的影響。

（5）根際免疫精準調控：目前以生物有機肥為代表的土壤抑病性調控研究取得了一系列突破，但也存在根際微生物組調控方向不明確、效果因種植制度和土壤環境變化而不穩定的問題。未來亟需構建更加精準的根際免疫調控策略，比如靶向抑制病原物、定向提升核心功能微生物的功能等技術措施。