作物重茬連作障礙中自毒物質的研究進展

陳福慧，申乃坤，姜明國，王一兵

（廣西民族大學海洋與生物技術學院，廣西多糖材料與改性重點實驗室，南寧 530008）

連作障礙是制約我國種植業發展的關鍵問題。研究表明，導致連作障礙的原因主要有3 個：土壤理化性質的改變、土壤微生物群落結構失衡和自毒物質的積累，其中，自毒物質被視為連作障礙的主要誘因[1]。自毒作用與化感物質和化感作用緊密相關。化感作用是指植物向周圍環境中釋放一些次生代謝產物，這些代謝產物直接或間接產生抑制或促進植物生長的現象[2]，參與化感作用的各種次生代謝產物被稱為化感物質。而當釋放化感物質的植物與受到抑制的植物屬于同一種時，這種化感作用被稱為自毒作用[3]，參與自毒作用的化感物質即為自毒物質[4-5]。

田間長期耕種同一種植物容易導致自毒物質在土壤中的積累，尤其是在作物根系附近的土壤中會形成自毒物質含量過高的微環境[6]。環境中的自毒物質累積到一定量時可對植物產生毒害作用[7]，即使采取了正常的栽培管理措施，植物也會受自毒物質的影響導致生長、發育、繁殖等方面受到影響。自毒物質也會影響土壤微生物的生態環境[8]，使土壤酸化，并改變土壤中微生物的種類和數量，導致土壤中酶活性發生變化，微生物結構失衡[9]。如果植物長期處于高含量自毒物質的環境中，植物的抗病能力會顯著下降，極易引發病蟲害，最為常見的是線蟲的侵染[10]。

作為重茬連作障礙的主要影響因素，自毒作用不僅影響了植物的生長發育，還降低了產量與品質。由此可見，自毒作用的研究對揭示連作障礙形成機理，實現自毒物質的消減，構建合理的輪作、連作模式，實現大規模、規范化種植過程尤為重要。因此，本文在文獻調研和初步試驗研究的基礎上，從自毒物質的來源及種類、自毒物質的作用特點及機理、自毒物質的研究方法及消減措施3 個方面對自毒物質研究進行綜述，以期為自毒作用的研究提供新的思路，為解決作物重茬連作障礙提供參考。

1 自毒物質的來源及種類

1.1 自毒物質來源

自毒物質來源十分廣泛。連作障礙普遍存在于糧食作物、經濟作物、蔬菜、林木及中藥材等各種植物中。龔靜等[11]對馬鈴薯連作后土壤中酚酸類自毒物質研究發現，由于根系分泌自毒物質，導致連作后根際土壤中自毒物質的積累。黃玉茜等[12]以花生為研究對象，確認了花生的莖、葉水浸液對花生種子萌發具有抑制作用，說明花生莖、葉中含有化感物質。尹玉玲等[13]對蘆筍連作后的自毒物質研究發現，蘆筍的自毒物質主要來源于根系分泌及殘枝殘根分解。顏仕龍等[14]對苦瓜不同部位化感作用研究發現，相較于根部，苦瓜的地上部分對綠豆和水稻2 種受體植物的化感抑制作用更顯著，即苦瓜的化感物質主要存在于莖、葉中。馬祥慶等[15]研究杉木人工林的自毒作用，結果表明，杉木各器官的浸提液對杉木種子的萌發均有抑制作用，其中杉木葉的抑制作用最為顯著。向維[16]應用水培活性炭吸附的方法，發現傳統中藥材三七的根系會分泌自毒物質。楊廣超等[17]利用西瓜植株殘體的水浸液進行種子發芽和幼苗生長試驗，發現水浸液中含有抑制西瓜種子萌發、影響西瓜幼苗體內相關酶活的自毒物質。綜上所述，自毒物質主要包括植株根系自身分泌物，植株莖和葉的淋溶物、揮發物及植株殘體分解所產生的物質。

1.2 自毒物質的種類

李敏等[18]研究了22 種常見的酚酸對枸杞種子萌發的影響，發現酚酸類自毒物質抑制了枸杞種子的萌發，是導致枸杞連作障礙的主要誘因。王倩等[19]研究了苯甲酸和肉桂酸對西瓜幼苗生長狀況的影響，發現西瓜根系分泌的化感物質主要是酚酸類物質及其衍生物。Penuelas 等[20]對迷迭香在脅迫條件下單萜類物質的釋放量進行研究，發現在環境脅迫條件下，迷迭香葉片中的揮發性萜類化合物含量大幅上升，進而抑制迷迭香的生長。李丹等[21]研究西瓜根系分泌物氨基酸對西瓜枯萎病的影響，發現了6 種能促進西瓜枯萎病菌孢子生成的氨基酸，且非蛋白氨基酸可以促進病原菌的生長，進而對西瓜產生自毒作用。楊航等[22]對異齡老芒麥根際土壤中化感物質進行研究，證明醛類及醌類也是自毒化感物質的重要組成成分。綜合已有的研究發現，自毒物質種類繁多，主要包括酚酸類及其衍生物、生物堿、氰醇、甾族化合物、酶類、非蛋白氨基酸和多肽、醛類、醌類、醇類、酮類等。其中，酚酸類物質是導致連作障礙的主要誘因，常見的酚酸類物質有丁香酸、水楊酸、香草酸、香豆酸、肉桂酸、阿魏酸、對羥基苯甲酸、苯甲酸、棕櫚酸等。

2 自毒物質的作用特點及作用機理

2.1 自毒物質的作用特點

2.1.1 選擇性和專一性 自毒物質可以對某些植物產生抑制作用，而對其他植物產生促進作用或者無作用，甚至對相同植物的不同部位也會產生不同的影響。喻景權等[23]對黃瓜和西瓜的自毒作用研究發現，黃瓜和西瓜的根系分泌物對黃瓜與西瓜本身產生明顯的自毒作用，而對黑籽南瓜的生長有促進作用。蔣紅云等[24]研究了石蒜對蘿卜、黃瓜、番茄和油菜的化感效應，發現石蒜的水浸提物對番茄作用效果最為明顯。上述研究證實了自毒化感物質作用的選擇性與專一性。

2.1.2 劑量效應 自毒物質的作用具有低促高抑的特點，即自毒物質含量較低時可能對作物生長起促進作用，當自毒物質含量較高時才會發生抑制現象。王倩等[19]使用自毒化感物質肉桂酸、苯甲酸處理西瓜幼苗發現，這2 種物質的作用強度與其含量密切相關，表現出低促高抑現象。王芳[25]通過盆栽試驗發現，隨著自毒化感物質含量的增加，茄子胚根和胚芽生長所受到的抑制作用隨之增強，即表現出劑量依賴性。章黎黎等[26]以七葉絞股藍種子為受體，研究玉米根系、秸稈、果穗不同劑量水浸液對受體種子及幼苗生理活性指標的影響，發現不同水平的水浸液對絞股藍種子的萌發均有抑制作用，且表現出劑量依賴性。郭凱等[27]研究了不同水平肉桂酸和咖啡酸對萵苣幼苗生長的自毒作用，發現不同化感物質具有不同的劑量效應，其中肉桂酸對萵苣生長表現出明顯的劑量依賴性，咖啡酸則對萵苣幼苗產生了低促高抑的特點。上述研究證實，自毒物質的作用具有低促高抑及劑量依賴性的效應。

2.1.3 共同作用效應 任何植物都合成不止1 種自毒物質，植物的自毒作用是多種自毒物質共同作用的結果。自毒物質的復合效應具體表現為協同、加和、拮抗3 種形式。王璞等[28]將羥基苯甲酸、阿魏酸、香草酸3 種化感物質進行隨機等量組合處理，發現3 種化感物質間存在明顯的協同作用。Blum 等[29]以苯丙氨酸、對羥基苯甲酸、香豆酸為碳源培養牽牛花，發現植株的化感作用可能是植物生長過程中不同自毒物質共同作用的結果。

2.2 自毒物質的作用機理

2.2.1 對細胞膜透性的影響 植物細胞內不飽和脂肪酸易被抗氧化酶分解，導致細胞膜破裂。某些自毒物質會影響植物體內超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）和過氧化氫酶（catalase，CAT）的活性，從而破壞細胞膜的穩定性，引起自毒效應。自毒物質對細胞膜結構的破壞主要表現為使植物的細胞膜透性增強，選擇透過性降低，電解質外滲，促進離子滲出等。Baziramakenga 等[30]研究發現，苯甲酸和肉桂酸處理大豆幼苗，其根系細胞膜的完整性會受到損傷，導致電解質外滲。劉蘋等[31]研究發現，花生根系分泌物不僅抑制花生種子胚根的伸長和生長，還導致花生體內活性氧含量增加，膜損傷加劇。李冠喜等[32]研究證實，不同水平的自毒物質均可抑制楊樹水培幼苗根系中SOD和POD 活性，導致根系細胞膜透性增加，細胞內丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量下降，最終導致根系活力下降。

2.2.2 對細胞亞顯微結構和細胞分裂的影響 自毒物質可以導致細胞分裂減少，進而使植物細胞的橫徑增加、長度減小，細胞核出現異常，最終影響植物生長發育。Liu 等[33]研究大麥化感物質的毒性發現，大麥生長過程中釋放的生物堿導致禾本科植物胚根長度減少、胚根尖端活力下降，使胚根出現細胞壁受損、液泡增大、細胞器發生解體等現象，證實自毒物質影響細胞亞顯微結構及細胞分裂。Cruz-Ortega 等[34]研究了葫蘆產生的化感物質對菜豆和南瓜屬植物Cucurbita ficifolia苗期根系亞顯微結構的影響，發現該化感物質導致菜豆根尖細胞組織出現紊亂，使細胞分化現象減少；而南瓜屬植物Cucurbita ficifolia根冠細胞中產生了不定形和無活性的細胞核、線粒體和內質網，且液泡出現內陷現象。

2.2.3 對礦質離子和水分吸收的影響 自毒物質影響根系對礦質元素的吸收，阻礙植物體內養分的積累；還影響根系對水分的吸收，干擾植物體內的水平衡造成水分脅迫，最終影響植物生長發育。Barkosky 等[35]使用從小葉蝶須中分離到的自毒物質對苯二酚處理綠葉大戟，研究發現對苯二酚不僅抑制了綠葉大戟種子的萌發、根的伸長、愈傷組織培養物的生長，還導致綠葉大戟葉片的氣孔功能受到持續的干擾，影響植物水分的吸收，破壞植株的水分平衡。Alsaadawi 等[36]研究認為，丁香酸、咖啡酸和原兒茶酸均影響幼苗對N、P、K、Fe和Mo的吸收，從而影響豇豆幼苗的生長。

2.2.4 對植物激素的影響 酚酸類自毒物質可通過抑制吲哚乙酸的降解和促進吲哚乙酸氧化酶的活性來改變吲哚乙酸的水平。Holappa 等[37]通過外源施用阿魏酸處理番茄、黃瓜、豌豆，發現阿魏酸抑制了脫落酸野生型番茄、脫落酸缺陷型番茄及黃瓜的葉片生長和水分利用，誘導脫落酸的生物合成，導致內源性脫落酸含量劇增，最終抑制植物生長。李振方等[38]測定了地黃茬后土壤中甲醇提取物的生物指標，發現該提取物導致地黃植株體內生長素類植物激素含量下降，脫落酸含量上升。

2.2.5 對植物呼吸作用以及光合作用的影響 自毒物質可以對植物線粒體新陳代謝產生影響。自毒物質可以通過減少氧氣的攝入，阻止還原型輔酶Ⅰ（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）的氧化，抑制ATP 酶的活性和電子傳遞過程來抑制呼吸作用，也可以通過刺激CO2的釋放促進呼吸作用。自毒物質對植物光合作用的影響主要表現在葉綠素含量和凈光合速率的降低，同時也可以通過增加氣孔的擴散阻力、氣孔關閉、減少葉綠素含量、降低葉片水勢、ATP酶活性抑制、光能和電子傳遞受阻等方式來影響光合作用。比如香豆素可以通過阻斷CO2的進入通道來降低光合作用效率。Heji 等[39]研究發現，胡桃苷能夠抑制浮萍生長，影響葉綠素的含量和凈光合速率；還可以抑制豌豆葉綠體釋放氧氣，影響植物呼吸作用。周凱等[40]研究發現，菊花不同部位和根際土壤水浸液對葉片葉綠素含量、凈光合速率和氣孔導度均表現出抑制作用，且促進了暗呼吸速率，導致菊花光合作用受到抑制。Yang 等[41]研究了3 種酚酸類自毒物質對水稻幼苗葉綠素酶活性和葉綠素累積的影響，發現隨著酚酸類自毒物質的增加幼苗葉片內葉綠素含量下降，葉綠素酶含量與活性均有所增加，即酚酸類自毒物質全面影響了葉綠素的生物合成和降解途徑。上述研究表明，自毒物質影響植物的呼吸作用及光合作用，進而抑制植物生長。

2.2.6 對植物蛋白質合成和基因表達的影響 自毒物質可抑制氨基酸運輸以及蛋白質和核酸的生物合成，進而影響植物生長發育。大多數生物堿均可與脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）緊密結合，進而改變DNA的裂解溫度，阻止DNA的轉錄和翻譯，影響蛋白質的生物合成，同時抑制植物體內蛋白類酶的含量及活性。林茂茲等[42]通過差異蛋白質組學方法研究了連作與輪作的太子參葉片蛋白質的差異表達，結果發現，連作可導致太子參葉片中與植物衰老、病害及抗性相關的蛋白表達量上調，而與光合作用、能量代謝及細胞分裂相關的蛋白表達量顯著下調。Baziramakenga等[43]研究酚酸對大豆幼苗中核酸和蛋白質水平的化感作用發現，大多數酚酸類化合物如苯甲酸、肉桂酸、香草酸、阿魏酸等均可降低大豆根系32P 和甲硫氨酸的吸收，而對羥基苯甲酸和香豆酸則呈相反趨勢，即酚酸類化合物可降低32P 向DNA 和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）的整合。上述研究證實，酚酸類化感物質對核酸和蛋白質代謝的干擾是它們影響植物生長的主要機制之一。

3 自毒物質的研究方法及消減措施

3.1 自毒物質的研究方法

3.1.1 自毒物質的提取以及生物活性分析陳長寶等[44]以蒸餾水為提取溶劑，對重茬人參床土進行化感物質的提取，經大孔樹脂除雜后進行發芽試驗測定其生物活性。李勇等[45]等采用甲醇直接對土壤進行浸泡的方法來提取化感物質，研究其對人參種子胚根和胚軸生長的影響來測定其生物活性。Asaduzzaman 等[46]采用水培、活性炭吸附的方法進行化感物質的提取，通過豌豆根的伸長及芽的鮮質量、干質量來進行其生物活性的測定。

3.1.2 自毒物質的分離鑒定 周家明等[47]使用D101 大孔吸附樹脂柱層析和硅膠柱層析進行自毒物質粗提物的分離和純化，將所得化合物通過光譜分析進行結構鑒定。曾任森等[48]采用真空液相色譜和快速層析法分離粗提化感物質，采用質譜核磁共振等方法進行結構鑒定。

3.1.3 自毒物質降解功能菌的篩選 吳錦蘭等[49]采用平板對峙法、紫外分光光度法和24 孔培養法進行自毒化感物質降解菌的篩選，得到了同時具有拮抗功能和自毒化感物質降解、殺線蟲功能的新薩托菌株SRF5。石瑞等[50]、王羅濤等[51]和唐爽爽等[52]采用添加外源自毒化感物質為單一碳源的篩選培養基，進行自毒物質降解細菌的篩選。

3.2 自毒物質的消減措施

自毒物質的消減措施主要包括土壤改良法、耕作模式改良法和生物防治法。張曉玲等[53]提出營養元素的合理搭配可以減輕部分自毒作用，即采取合理施肥等方法對連作土壤進行改善。王寧等[54]認為，可以采用溴甲烷、氯化苦和棉隆等化學試劑進行土壤消毒。Chen等[55]和歐小宏等[56]建議向重茬土壤中添加活性炭、生石灰、沸石等作為土壤改良劑，以物理吸附原理進行土壤消毒。除土壤改良法外，吳紅淼等[57]提出現代農業的單一化耕作模式容易導致土壤惡化，存在連作障礙隱患，建議采用輪作、非寄主作物輪作、間作、混作等耕作模式緩解土壤環境的惡化。在眾多自毒物質消減的方法中，生物防治法因具有防治效果好、安全性高、對環境不會造成二次污染等優點成為自毒物質防治的研究熱點之一，而生防菌的篩選成為重要的研究課題。喻國輝等[58]研究證實，添加外源微生物制劑可緩解自毒物質對作物的抑制作用。但生物防治中可能存在一些不確定性，李敏等[59]在酚酸類自毒物質的微生物降解轉化研究中提出，三氯乙烯經微生物代謝降解后生成了毒性更強的一氯乙烯。

4 展望

綜上所述，雖然自毒物質的研究已經取得了一定成果，為解決重茬連作障礙提供了科學依據，但是在實際生產中仍存在許多問題，有待進一步解決。研究證實自毒物質由酚酸類及其衍生物、生物堿等幾大類有毒化合物組成，但隨著耕作方式的不斷發展更新，自毒物質的種類是否會發生變化仍有待研究；現有關于自毒物質對土壤生態環境影響的研究僅局限于已產生連作障礙的研究對象，而對于易發生連作障礙的植物在其生長過程中，因環境及人為施肥等因素對自毒物質的產生和降解，以及由此導致的土壤生態條件變化的研究甚少；目前有關自毒物質降解菌篩選的研究大多是基于以1 種自毒物質為單一碳源的方法進行，但自然條件下連作障礙是土壤中多種自毒物質共同作用的結果，而對于混合型自毒物質降解菌的研究尚未見報道。因此，自毒物質的研究目前仍處于探索階段，有關自毒物質的研究需進一步深入探索，隨著科技進步和生產實際需求，應進一步推動自毒物質的創新研究，為解決種植業連作障礙、推動農業可持續發展提供理論基礎和技術支撐。