作物自毒作用研究進展

鐘淑敏，廖曉蘭

(湖南農業大學植物保護學院，湖南 長沙 410128)

由于現代化農業的發展，作物的需求量不斷增長導致作物單一化種植成為趨勢，同一片土地長時間種植單一作物使作物分泌的具有自毒作用的代謝物不斷累積，對作物的危害越發嚴重。自毒作用在作物的很多種中都有出現，主要影響作物自身、土壤環境、土壤微生物3個方面。長期受到自毒作用危害的作物，其自身正常生理活動受到抑制，土壤環境酸化且養分失衡，酶活性降低，病原微生物增多，會導致作物連作障礙的發生，使之大幅度減產且植株發病率顯著上升；種植過程中也需要頻繁的更換種植作物的土地。為了減少自毒作用對作物產業化種植的限制，需要對自毒作用對作物的危害產生重視。

1 自毒作用

作物可通過根、莖、葉、花等各部位向外界以分泌、揮發、雨水淋溶以及植株殘體腐爛等方法釋放次生代謝產物。次生代謝物的產生與植物自身適應環境、對外界生物和非生物脅迫產生響應有關[1－2]。如花色素苷是廣泛存在的一類色素，屬于酚類化合物，花色素苷使植物的花和果實呈現顏色來吸引動物傳播花粉和種子[3]。植保素和木質素等物質可作為生化壁壘抵御病原物入侵[4－5]，次生代謝物也能夠參與植物的抗病反應信號轉導[6]。

次生代謝產物的持續釋放可能會與植物生長條件的需求存在矛盾，當釋放的次生代謝產物對作物同茬或下茬同種和同科的作物的生長產生抑制作用時，這種現象被稱為自毒作用(Autotoxicity)[7]。如在缺氧條件下，桃樹根系中的野黑櫻苷會水解產生扁桃腈，扁桃腈進一步水解生成苯甲醛，苯甲醛再經過氧化生成苯甲酸，之后隨著苯甲酸在土壤中的不斷積累，抑制桃樹生長[8]。

2 自毒物質的種類

作物的次生代謝產物可以分為萜類、酚類、生物堿、肽類、類固醇、甾體類和醌類7大類[9]。根據次生代謝物合成的起始分子不同可將次生代謝物分為萜類、生物堿、苯丙烷類及其衍生物。酚酸、萜類是報道較多的自毒物質類型，如酚酸中的阿魏酸、對羥基苯甲酸、丁香酸等，萜類中人參屬作物釋放的皂苷類，還有多種單帖、倍半萜、雙萜以及類萜等。萜類化合物由甲羥戊酸途徑(mevalonic acid pathway)和甲基蘇糖醇磷酸途徑(methylerthritol phosphate pathway，MEP)產生。酚類化合物由莽草酸途徑(shikimic acid pathway)和丙二酸途徑產生。如表1所示，近年來在多種不同植物中鑒定出了多種自毒物質，主要為酚酸和萜類，也有硫化物、酯類、酰胺類。單子葉植物綱百合科(LiliaceaeJuss.)和禾本科(PoaceaeBarnhart.)、雙子葉植物綱中的茄科(SolanaceaeJuss.)和五加科(AraliaceaeJuss.)中都有多種作物發生了自毒作用。而百合、枸杞、丹參、當歸、人參、三七等傳統中藥中也有關于自毒作用的報道。

表1 2017—2022年自毒作用的相關報道以及自毒物質的種類Table 1 Reports on autotoxicity and types of autotoxic substances from 2017 to 2022

3 自毒物質的影響

3.1 對植物自身的影響

自毒物質對植物自身最先引起的影響主要在細胞膜、葉綠體、線粒體等結構上，使液泡分解，細胞膜和細胞器被破壞，影響細胞的滲透性。在對細胞結構造成影響后，再影響到植物中的激素平衡、氧化應激反應、細胞呼吸與光合作用等生理過程，如表2所示。

表2 近年來關于作物自毒物質造成影響的相關報道(不完全統計)Table 2 Relevant reports on the effects caused by autotoxic substances in recent years(incomplete statistics)

進入植物細胞的自毒物質能影響植物葉片中葉綠素的總含量，導致植物光合能力下降。由于細胞結構受到損傷，細胞內活性氧的含量增多，也會使細胞發生膜脂過氧化，胞內其他結構也受到影響[29，31，37]。Zhang等利用根系分泌物處理后的甜瓜瓜苗轉錄組分析發現，自毒物質主要影響甜瓜根系形態的建成，誘導活性氧的過量累積以及脂質過氧化，激活大量抗氧化酶[34]。通過分析轉錄組數據，自毒物質能影響植物葉綠素的正常功能，結合植株生理指標的變化，采用甜瓜葉綠素a熒光瞬變的參數，可評價自毒物質對作物的影響程度[38]。Bu等利用病毒誘導基因沉默技術(VIGS)沉默GPAT6基因后，通過透射電鏡觀察肉桂酸處理后的黃瓜葉片葉綠體，發現實驗組的黃瓜葉片中的葉綠體和類囊體數量顯著增加，可減輕肉桂酸對黃瓜的脅迫[39]。

自毒物質脅迫造成植株內穩態的改變，作物體內激素水平也隨之發生變化，以保證植物在逆境條件下能正常生長發育[40]。而植物的某些次生代謝物并不是在整個合成途徑中都具有毒性的，在合成次生代謝物的途徑中的中間體，可能才是有毒次生代謝物的來源。煙草中的17－HGL－DTGS是一種萜類次生代謝物，參與煙草對外界昆蟲的防御反應[26]。對其合成途徑研究發現，在17－HGL－DTGS產生過程中，沉默其中參與糖基化(NaUGT74P)或丙二酰化(NaMaT1)的基因會導致自毒，而沉默香葉基芳樟醇合成酶基因(NaGLS)則沒有，這表明17－HGL或上游生物合成中間體可能具有植物毒性[41]。植物中特殊的糖基化修飾有助于解決植物自身防御反應造成的自毒作用。

3.2 對土壤理化環境和微生物群落結構的影響

植株分泌次生代謝物質到土壤中會導致土壤pH降低[48]，和土壤中微生物群落結構改變[49]。受到自毒作用的影響，導致作物抗病能力降低，病原菌等更容易侵染作物。作物枯萎死亡后在土壤中腐解導致病原生物在土壤中的累積。由于酸堿性等環境條件的改變，土壤中原有的微生物種群逐漸失去優勢，而對作物生長有害的微生物種群會后來居上[50]。微生物優勢種群的改變、土壤養分、酸堿度等條件的變化導致土壤關鍵酶活性降低，包括水解酶類的脲酶、蔗糖酶、磷酸酶等和氧化還原酶類中的過氧化物酶類等。土壤養分減少且比例失衡，pH值降低導致土壤中重金屬元素溶解和釋放、酶活性降低，以及微生物群落發生改變等原因共同導致了作物連作障礙(continuous cropping obstacles)的發生[51]。

4 緩解自毒作用的措施

4.1 改善土壤環境和微生物群落結構

4.1.1 增施生物肥料

為了緩解部分植物根系分泌的酸性自毒物質在土壤中的累積造成的自毒作用，根據不同作物、不同的生理特性施用特殊配方的生物肥料，改善土壤環境是近年來使用較多的方法。在土壤中添加高粱茬使黃瓜的成活率提高[52]，利用生物炭和蚯蚓堆肥的有機改良劑改善大棚中栽種黃瓜的土壤中微生物群落結構，提高了土壤pH和黃瓜的果實質量[53]。玉米秸稈和污泥堆肥可緩解西瓜連作引起的土壤退化，改善了土壤環境，增加了缺失的養分[54]。

4.1.2 改進種植農藝

燕麥和黃芪輪作能顯著促進黃芪的生長，提高土壤中有機質、氮、磷、鉀的含量，促進土壤養分平衡[55]。黃瓜與大蒜間作與單一種植黃瓜相比顯著提高了土壤轉化酶和堿性磷酸酶的活性[56]。廣藿香與生姜間作可以提高土壤優勢菌數量，改善土壤細菌代謝和土壤酶活性，從而改善土壤微生物的豐度、多樣性和群落結構[57]。Cheng等通過模擬番茄和大蒜間作，發現大蒜中的主要化感物質二烯丙基二硫化物(DADS)增加了番茄根系活力和葉綠素含量，提高了抗氧化酶(超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和苯丙氨酸氨裂解酶(PAL))的活性和非酶抗氧化劑(谷胱甘肽，GSH)的代謝，并促進番茄生長，減少番茄的自毒性[58]。嫁接也可以緩解茄類和瓜類蔬菜的連作障礙，同時能減少根部病害的發生，但嫁接植物的表現與選擇的砧木密切相關[59]。

4.1.3 篩選微生物制劑

通過篩選能分解植物自毒物質的菌種制成微生物制劑，利用微生物分解土壤中的自毒物質。黃孢原毛平革菌分泌的木質素過氧化物酶(LiP)，能氧化多種酚類物質，在連作7年黃瓜的土壤中施用黃孢原毛平革菌菌劑后，土壤中酚酸的含量降低，修復處理后的黃瓜根部病害明顯減輕[60]。楊小瓊等篩選得到的鄰苯二甲酸二丁酯高效降解菌，能降解土壤中的鄰苯二甲酸二丁酯。實驗結果表明，降解菌的施用可以顯著降低土壤中青枯菌豐度和煙草青枯病的發病率。土壤消毒劑配施微生物有機肥及生防菌劑的聯合使用也能改善茄子連作障礙的發生，增強茄子的根系吸收能力，從而提高產量[61]。

4.2 選育抗性作物品種

高粱的自毒作用會抑制種子的萌發和生長[62]，在不同品種高粱中高粱素(sorgoleone)對高粱自身影響的研究表明，不同品種高粱中的高粱素含量不同，且3種不同品種中的高粱素使對應的高粱品種的發芽率分別降低了76.1%、69.4%、58.9%。產生高濃度高粱素的高粱品種會發生更嚴重的自毒作用，所以選育低自毒物質含量的品種有助于減輕自毒作用的影響。

5 展望

自毒物質的不斷累積致使土壤環境和微生物群落發生變化，是導致作物連作障礙的主要原因，也對作物道地性保護構成威脅。現有的研究中還沒有關于自毒作用機制系統的探索與總結歸納，缺少有效的防控作物自毒作用的方法。選育抗性品種是解決自毒作用和連作障礙的最有效方法。作物是否是通過某些關鍵基因響應自毒物質的影響，進一步改變自身的某些性狀?作物內何種基因與環境互作后，引起了自毒物質的產生?不同作物產生的自毒物質種類相差無幾，產生自毒物質的基因和通路是否也有一定規律?這些都是今后研究的方向。找到相關的關鍵基因，通過分子生物學技術的應用，培育抗性品種，是解決自毒作用導致連作障礙的新思路。