地黃連作障礙研究進展

耿曉桐

（信陽農(nóng)林學院，河南 信陽 464000）

地黃（Rehmannia glutinosa）是玄參科（Scrophulariacease）地黃屬（Rehmannia）多年生草本植物，始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，含有環(huán)烯醚萜苷類、苯乙醇苷類、糖類、紫羅蘭酮、氨基酸類等多種化學成分[1]，具有增強免疫力、降血糖、抗氧化等多種作用功效[2]，是我國“四大懷藥”之一。地黃在實際種植中存在著嚴重的連作障礙[3]。《本草乘雅半偈》首次對其連作現(xiàn)象進行記載[4]：“地黃種植之后，其土變苦……足十年，土味轉(zhuǎn)甜，始可復種地黃，否則味苦形瘦，不堪入藥也。”研究發(fā)現(xiàn)，連作改變了地黃的生理生化狀態(tài)[3]、抑制了地黃生長和塊根發(fā)育[5]。因此，如何消減地黃的連作障礙是保證地黃產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要途徑。目前，圍繞連作障礙國內(nèi)外學者主要從地黃連作過程中土壤中的化感物質(zhì)[6]、根際微生物[7]等地黃連作障礙的成因和連作障礙的消減措施等方面開展相關(guān)研究，本文主要從以上幾個方面對地黃連作障礙的研究進展進行梳理，為地黃相關(guān)研究提供參考。

1 地黃連作障礙的形成機制研究

1.1 化感物質(zhì)的研究

化感物質(zhì)是植物向周圍環(huán)境中釋放某種物質(zhì)，從而促進或抑制自身或其他植物（微生物）的生長發(fā)育[8]。藥用植物體內(nèi)也存在著多種活性物質(zhì)，如萜類、酚酸類、黃酮類等，這些物質(zhì)以次生代謝產(chǎn)物形式存在于某些組織細胞中，待其合成后轉(zhuǎn)運至植物體各個組織部位中，其中某些次生代謝產(chǎn)物通過莖葉淋溶[8]、根系分泌、殘株分解[9]等方式釋放到根際土壤中，可能是引起化感作用的重要化感物質(zhì)來源[10]。

國內(nèi)外學者們認為藥用植物化感作用是導致連作障礙產(chǎn)生的主要原因之一，目前關(guān)于地黃化感物質(zhì)研究報道較多的為酚酸類和其他類成分。杜家方等發(fā)現(xiàn)根際土壤中化感物質(zhì)是不斷積累的；張寶等發(fā)現(xiàn)丁香酸可能是引起地黃連作效應的主導物質(zhì)；陳楓等發(fā)現(xiàn)地黃根際土壤中香豆酸、對羥基苯甲酸和香草酸等成分對其生長抑制有較強作用。另外，朱廣軍等發(fā)現(xiàn)地黃根際土壤中存在酚類和其他化感物質(zhì)的組分；郝群輝等發(fā)現(xiàn)地黃根際土壤水提液中存在酯類、酸類、醇類等12 種成分；李振方等發(fā)現(xiàn)連作地黃土壤浸提液中有機酸類、苷類和甾醇類等物質(zhì)；張寶在地黃種植后的根際土壤中發(fā)現(xiàn)了20 多種僅存在于根際土壤的次生代謝物質(zhì)。

明代《本草乘雅半偈》[4]中有關(guān)地黃的連作障礙曾記載表明地黃的種植改變了其相應土壤的化學性質(zhì)，土壤的苦味應該與土壤中特殊的化學物質(zhì)有關(guān)，而鮮地黃性苦，因此這種物質(zhì)可能與地黃植株中的次生代謝產(chǎn)物之間存在一定的關(guān)系。根際作為植物、土壤和微生物三者相互作用的活躍界面，藥用植物在種植過程中會通過植物根系不斷地向根際土壤分泌植物體內(nèi)合成的一些次生代謝產(chǎn)物，而這些次生代謝產(chǎn)物是藥材產(chǎn)生臨床功效的物質(zhì)基礎(chǔ)。次生代謝產(chǎn)物作為根際微生態(tài)系統(tǒng)的重要因子，直接影響根際微生物的種類、數(shù)量及代謝過程，同時根際微生物群落結(jié)構(gòu)的變化也對根系代謝物釋放、土壤物質(zhì)循環(huán)等產(chǎn)生影響，因此代謝產(chǎn)物在根際微生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程中起著重要的作用。

1.2 根際微生物的研究

根際是一個復雜的多元系統(tǒng)，一方面包含來自于地黃根系分泌的次生代謝產(chǎn)物，另一方面存在著來源于微生物等多種代謝途徑產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物以及豐富的微生物群落[11]，是“植物-土壤-微生物”系統(tǒng)內(nèi)多種因素綜合作用的結(jié)果。微生物與土壤生態(tài)功能相輔相成、息息相關(guān)，并且與植物之間有著緊密的聯(lián)系。根際有益微生物可通過誘導植物對生物及非生物脅迫的抗性促進植物生長[12]，根際有害微生物通過產(chǎn)生多種具有影響生理活性功能的低分子化合物影響植物細胞活性[13]。因此，連作過程中根際微生物群落特征發(fā)生變化可能與地黃的連作障礙有一定關(guān)系。

何江華等發(fā)現(xiàn)地黃種植后根際土壤放線菌、真菌數(shù)量均明顯增加；祁建軍發(fā)現(xiàn)地黃種植后根際微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；張重義等發(fā)現(xiàn)地黃連作后根際細菌群落結(jié)構(gòu)趨于簡單、種類減少；吳林坤等發(fā)現(xiàn)重茬地黃根際土壤較頭茬地黃相比根際微生物總量顯著下降，且細菌/真菌比例下降；黃偉民發(fā)現(xiàn)連作地黃根際微生物中變形菌門和厚壁菌門細菌占據(jù)優(yōu)勢地位；陳慧發(fā)現(xiàn)地黃連作后有益微生物的種類及數(shù)量都大量降低，病原菌上升；茹瑞紅等發(fā)現(xiàn)地黃外添杏鮑菇菌提高了重茬地黃塊根質(zhì)量鮮重、干重、單株梓醇總量；馬成濤發(fā)現(xiàn)3 種有益細菌可以促使地黃增產(chǎn)；王學翠通過外添菌株試驗發(fā)現(xiàn)其對地黃生長有促進作用，黃偉民發(fā)現(xiàn)外添拮抗菌可防控病原菌尖孢鐮刀菌對地黃的侵害。

微生物與土壤生態(tài)功能是相輔相成、息息相關(guān)，并且跟植物之間有著緊密的聯(lián)系，而微生物群落的組成及其多樣性是衡量土壤性質(zhì)和功能的一個重要指標。地黃連作后導致根際土壤中有益菌數(shù)量及種類減少，有害菌數(shù)量及種類增多，最終改變了地黃土壤的微生態(tài)環(huán)境而對地黃的生長產(chǎn)生影響。因此，控制根際有益菌的數(shù)量和種類，可以有效緩解地黃的連作障礙。除此之外，土壤中的化學物質(zhì)在一定程度上可以影響其微生物的群落結(jié)構(gòu)，地黃生長發(fā)育過程中土壤代謝產(chǎn)物的不斷積累可能對細菌等微生物群落的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，引起了土壤微生態(tài)環(huán)境的改變，這可能與地黃連作障礙的產(chǎn)生有一定的關(guān)系，后期可選擇根際土壤中的主要代謝產(chǎn)物，通過分析其對地黃生長發(fā)育及質(zhì)量特征形成的影響，探討地黃連作障礙的產(chǎn)生機制。

1.3 其他方面的研究

地黃連作過程中，除土壤化感物質(zhì)和微生物群落特征外，土壤的物理化學性質(zhì)及地黃植株的生理生化特征也發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)，種植地黃后，隨著地黃的生長發(fā)育其差異表達的基因數(shù)目增多[14]，土壤中多酚氧化酶和脲酶活性升高[15]，土壤動物種類也發(fā)生變化。另外，地黃的轉(zhuǎn)錄組及蛋白組學研究表明，連作狀態(tài)下地黃植株體內(nèi)特異miRNAs 對連作狀態(tài)產(chǎn)生了響應，而且連作地黃中的鈣信號響應了連作的脅迫進程，其中ACA9、MKK2、CPK6、CRT2 等4 個磷酸化蛋白的磷酸化造成了地黃植株體內(nèi)的鈣信號系統(tǒng)發(fā)生紊亂，加劇了地黃連作的發(fā)生，而磷脂酰肌醇信號系統(tǒng)對自毒物質(zhì)的應激反應起著重要作用。

2 地黃連作障礙的消減措施

李磊發(fā)現(xiàn)間作大蒜和知母促進了地黃的地上地下部分的生長和生物量積累；賀宇鵬等發(fā)現(xiàn)外源添加蚯蚓糞、活性炭、過磷酸鈣可提高連作地黃的生物量和生理指標；李建軍、王君等認為懷地81 品種地黃耐連作效果優(yōu)于其他種質(zhì)地黃；周麗莉等發(fā)現(xiàn)在地黃快速生長期可施加大量氮肥，在中后期適當增加磷鉀肥，有利于地黃的生長；吳珍發(fā)現(xiàn)對地黃土壤使用敵克松2.5 kg/667 m2以及退菌特1.5 kg/667 m2進行消毒處理后可增加地黃產(chǎn)量；趙姣發(fā)現(xiàn)地黃脫毒后產(chǎn)量提高、品質(zhì)得到改善；張德勝等發(fā)現(xiàn)地黃無土栽培技術(shù)可以避免連作障礙；李向武認為脫毒原種和脫毒生產(chǎn)種最佳種植密度均為20 000 株/667 m2，最佳種植方式均為行距30 cm、株距11 cm。古力等發(fā)現(xiàn)強還原和淹水處理能夠消減地黃連作障礙的效果。王鑫源等發(fā)現(xiàn)農(nóng)大肥業(yè)菌肥180 g/m2提高連作地黃產(chǎn)量的效果最佳；聚核辛士力180 g/m2提高連作地黃品質(zhì)的效果最佳。

作為一種傳統(tǒng)中藥材，地黃不僅是傳統(tǒng)配方湯藥和各種中成藥中的重要原料，而且在各種食品、化妝品和保健品的生產(chǎn)等方面也具有相當高的應用價值，但連作障礙的存在嚴重影響了地黃相關(guān)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，因此，緩解地黃連作障礙迫在眉睫，研究發(fā)現(xiàn)通過間作、輪作、選育抗性品種、合理施肥、土壤滅菌、脫毒、降低種植密度等手段可有效緩解連作現(xiàn)象。

3 展望

目前關(guān)于地黃連作障礙的研究主要側(cè)重于化感物質(zhì)的種類及作用機制、根際微生物群落變化特征等。連作障礙的產(chǎn)生并非為某種機制單一導致，而是植物、土壤、微生物共同相互作用造成的，由于化感物質(zhì)及根際微生物群落變化的復雜性及根際環(huán)境的多元性，目前僅憑單一的測量手段很難真正解釋連作障礙機制產(chǎn)生的原因，因此，在地黃的連作障礙研究中無論是開展化感物質(zhì)的研究還是開展根際微生物的研究都必須要運用系統(tǒng)方法論，從生態(tài)系統(tǒng)的角度開展研究。相信隨著多組學技術(shù)的不斷完善和日趨成熟，我們對連作地黃的化感自毒作用機制將會有更深刻的認識。