Research progress of bacterial wilt and its soil micro-ecological regulation in peanut
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摘要: 由茄科雷尔氏菌(Ralstonia solanacearum)引起的青枯病是世界范围内广泛传播、危害严重且难以防治的毁灭性土传病害之一。花生是我国重要的油料和经济作物, 也是青枯病危害严重的作物之一。近年来, 连续种植导致花生青枯病发生进一步加剧, 严重威胁了花生产业的发展。本文以花生青枯病的危害及其土壤微生态调控为切入点, 梳理了花生青枯病的发生现状、病原菌概况、发生条件与作用机制以及主要危害与防治措施等。首先, 对茄科雷尔氏菌的分类方法和致病机理进行了系统、完整地梳理, 总结了茄科雷尔氏菌的4种主流分类方法, 并绘制了其发病机制图解。其次, 我们重点从土壤微环境、土壤微生物两个方面分析了花生连作和青枯病发病土壤区系特征, 并提出相应的土壤微生态调控对策, 包括调控土壤理化性质、调控土壤养分、施用化学与生物农药、引入生防菌株等。最后, 我们对基于土壤微生态调控的花生青枯病可持续防治进行展望, 旨在为花生青枯病防治及花生产业的高质量发展提供参考。Abstract: Bacterial wilt, caused by Ralstonia solanacearum, is a destructive soil-borne disease that is present worldwide. It is wide spread, extremely harmful, and difficult to control. Peanut is an important oil source and cash crop in China, and it has been seriously damaged by bacterial wilt. In recent years, the damage of peanut caused by bacterial wilt has been further aggravated by continuous cropping, which seriously threatens the development of the peanut industry. In this review, we considered the harm caused by bacterial wilt in peanuts, its soil micro-ecological characteristics, and control methods as the starting point; and summarized the occurrence, pathogenic bacteria, pathogenesis, and control measures of bacterial wilt in peanuts. First, we systematically and comprehensively summarized four classification methods for R. solanacearum and concluded the pathogenesis of bacterial wilt in peanuts. Second, based on the common soil characteristics of continuous cropping and bacterial wilt in peanuts, we analyzed the soil microenvironment and microorganisms and proposed corresponding soil micro-ecological regulation countermeasures, including soil physicochemical property regulation, soil nutrient regulation, chemical and biological pesticide addition, and use of biocontrol strains. Finally, we presented prospects for the sustainable control of bacterial wilt in peanuts based on soil micro-ecological regulations, aiming to provide references for the control of bacterial wilt in peanuts and high-quality development of the peanut industry.
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花生(Arachis hypogaea)是豆科落花生属一年生草本植物, 兼具榨油、食用、饲料、绿肥等作用[1], 是我国重要的油料和经济作物, 在保障国家粮油安全方面发挥着重要作用。中国是全世界最大的花生生产国、消费国和出口国[2]。1993年以来我国花生总产量始终位列全球第一[3]。当前, 我国花生总产量接近1800万t, 超过国内油料作物总产量的50%, 约占全球花生总产量的40%[2]。花生也是我国出口创汇的优势作物之一, 其出口量占世界总出口量的一半以上[4]。
由于花生经济效益较高, 且主要产区相对集中, 在可用耕地资源匮乏的背景下, 其连作现象愈发严重, 部分地区甚至连作10年以上[5], 该现象导致花生生长受阻、病虫害频发、产量下降、黄曲霉毒素积累[6]等问题日益突出。花生连作障碍的发生由众多因素造成, 主要包括土壤微生物失衡、病原菌大量增殖、自毒物质积累等[7], 其中土壤微生态失衡被认为是最主要的原因[8]。青枯病是连作花生土壤微生态失衡所诱发的一种典型细菌性土传病害[9], 其发生频次及危害的严重性在危害花生的几种细菌性病害中居首位。我国是青枯病发生最严重的国家之一, 发生面积已超过全国花生种植面积的10%[10], 严重制约了花生产业可持续发展。
本文从花生连作的土壤微生态出发, 对花生青枯病的发生现状、病原菌概况、发病条件、发生机制、防治方法进行总结, 系统梳理了其中关于土壤微生态调控及微生物群落结构构建的理论基础, 为今后开展相关研究提供参考。
1. 青枯病发生现状及病原菌概况
1.1 青枯病的发生现状
青枯病是典型的土传细菌性维管束病害, 是世界范围内广泛传播、危害严重且难以防治的毁灭性病害之一[11]。青枯病主要发生于全球南北纬45°之间的区域, 包含热带、亚热带以及部分温带地区[12], 并且随着全球气候变暖, 青枯病发生逐渐向高纬度的冷凉地带扩散[13]。我国于20世纪30年代首次报道青枯病的发生, 其寄主植物是花生[14]。此后, 青枯病从华南、东南向东北、华北不断发展, 以中部平原、西南山区、南方沿海地区受害最严重, 目前国内仅澳门和西藏地区未见报道[15]。
1.2 青枯病的病原菌概况
青枯病的病原菌为茄科雷尔氏菌(Ralstonia solanacearum), 最开始被称为茄科假单胞杆菌(Pseudomonas solanaeearum), 后来经Yabuuchi等[16]鉴定而更名。茄科雷尔氏菌是一种土壤习居菌[11], 能侵染54个科的450余种植物[17], 其寄主范围仅次于农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)[6]。茄科雷尔氏菌为革兰氏阴性菌, 具有严格好氧的特性, 菌体呈短棒状、两端钝圆, 大小为(0.5~0.7)×(1.5~2.0) μm, 无芽孢及荚膜, 具有1~4根鞭毛, 最适宜的生长温度为28~33 ℃, 最适宜的pH为6.6。
目前, 对茄科雷尔氏菌的分类方法主要有4种, 其中前两种为当前被国际认可的亚分类系统。第一种是根据寄主范围, 将茄科雷尔氏菌划分为5个生理小种[18], 侵染花生的属于1号生理小种, 并且寄主范围最为广泛, 不仅能侵染花生, 还能侵染茄科和十字花科作物[19]。第二种是根据对3种二糖的利用能力及3种己醇的氧化产酸能力, 将茄科雷尔氏菌划分为5个生化变种[20], 其中侵染花生的3个生化变种分别是生化变种I、Ⅲ和Ⅳ[21]。第三种是基于复合种概念, 依据地理起源的不同将茄科雷尔氏菌划分为4个演化型, 分别为亚洲型(Asiaticum, phylotype I)、美洲型(Americanum, phylotype Ⅱ)、非洲型(Africanum, phylotype Ⅲ)和印尼型(Indonesian, phylotype Ⅳ)[22]。第四种是基于第三种分类方法, 结合遗传物质的结构和功能提出的演化型分类方法, 该方法将茄科雷尔氏菌划分成4个水平, 分别为种、演化型、序列变种和克隆, 并依据这4个水平划分为演化型I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ, 它们在地理起源上分别与亚洲型、美洲型、非洲型和印尼型4个分支对应[23](表1)。
表 1 茄科雷尔氏菌的分类Table 1. Division of Ralstonia solanacearum方法
Method名称
Name分支
Branch依据
Basis1 生理小种
Physiological race生理小种1、生理小种2、生理小种3、生理小种4、
生理小种5
Physiological race 1, Physiological race 2, Physiological race 3, Physiological race 4, Physiological race 5病原菌侵染寄主的范围[18]
Range of host plants infected by Ralstonia solanacearum[18]2 生化变种
Physiological biovar生化变种I、生化变种Ⅱ、生化变种Ⅲ、生化变种Ⅳ、生化变种Ⅴ
Physiological biovar I, Physiological biovar Ⅱ, Physiological biovar Ⅲ, Physiological biovar Ⅳ, Physiological biovar Ⅴ病原菌对3种二糖(麦芽糖、乳糖、纤维二糖)的利用能力和对3种己醇(甘露醇、卫矛醇、山梨醇)的氧化产酸能力[20]
Utilization ability of R. solanacearum to three disaccharides (maltose, lactose, cellobiose) and oxidative acid production ability to three ethanol (mannitol, galactitol, sorbitol)[20]3 地理种系演化型
Phylotype of geographical lineage亚洲型、美洲型、非洲型、印尼型
Asiaticum, Americanum, Africanum, Indonesian采用地理种系系统方法, 综合病原菌的进化特征、地理起源、分子指纹技术和系统发生学[22]
Using the method of geographical lineage phylogeny with the evolutionary characteristics, geographical origin, molecular fingerprint technology and phylogenetics of R. solanacearum[22]4 遗传差异演化型
Phylotype of genetic differences演化型I、演化型Ⅱ、演化型Ⅲ、演化型Ⅳ
Phylotype I, Phylotype Ⅱ, Phylotype Ⅲ, Phylotype Ⅳ依据病原菌的遗传物质结构和功能, 从种、演化型、序列变种和克隆4个水平划分[23]
According to the genetic material structure and function of R. solanacearum, it is divided into four levels: species, phylotype, sequevar, and clone[23]2. 青枯病的发生机制、发病条件及发病症状
2.1 青枯病的发生机制
茄科雷尔氏菌主要通过流水、土壤、人、畜、昆虫、农机具等多种途径传播, 也能经实生种子传播[24]。病原菌可以在土壤中长期存活, 时间从半年至25年不等。花生感病前, 病原菌多栖息于15~17 cm的土壤耕层[18], 也可在病残体、杂草等中寄存。当周围环境条件适宜时, 病原菌利用其Ⅳ型鞭毛系统介导的菌体运动和趋向作用来寻找寄主植物[19], 并向植株根部靠拢。随后, 病原菌依靠其表面吸附性在植株根部的皮层细胞上形成聚集体或微菌落[20], 并分泌DNA酶来应对根际分泌物中由DNA构成的中性粒细胞外陷阱[21]。紧接着, 病原菌还会分泌一系列降解酶来破坏植物组织[25], 例如聚半乳醛酸酶(PehA、PehB、PehC)、纤维二糖水解酶(CbhA)和果胶甲酯酶(Pme)等, 使其快速蔓延, 并由根尖、侧根裂纹、伤口、自然孔口等侵入根部[22]。侵入寄主植物根部后, 病原菌通过由hrp (hypersensitive response and pathgenicity)基因簇编码的Ⅲ型分泌系统[26]向寄主植物细胞注射大量效应蛋白[27], 并诱导寄主植物细胞的磷脂信号传导, 同时编码磷脂酸磷酸酶的基因, 使磷脂酸转化为甘油二酯, 以此干扰寄主植物的先天免疫系统[28], 形成致病菌-寄主植物细胞相互作用的调控模式。此外, 病原菌还会在寄主植物细胞中释放信号分子以诱导群体感应[29], 以此诱发其毒力作用[30]。随后, 病原菌进入寄主植物维管束, 并分泌大量胞外多糖(EPS), 这是一种由eps基因编码的复合物, 主要成分为氮乙酰半乳糖醛胺, 它与病原菌的致病性密切相关, 被认为是导致植物枯萎的主要因素[31]。EPS能通过掩盖脂多糖而保护病原菌免受识别和攻击[32], 使病原菌在寄主植物体内迅速移动、扩散与定殖。同时, 通过产生流体静压力而破坏寄主植物导管[33], 形成致密的生物膜并阻塞导管[22], 进而影响寄主植物的水分运输, 最终导致花生在短期内迅速枯萎死亡(图1)。
2.2 花生青枯病的发病条件及发病症状
花生青枯病的发生与其品种抗性、生育期、栽培条件、气候条件等密切相关。花生在全生育期均可发生青枯病, 开花后到结荚前期发病最严重, 该阶段发病率占比在70%以上[34]。结荚期发病的花生植株症状没有早期发病的症状显著[35], 在结荚后发病会造成花生减产20%~70%, 而在结荚前发病会加剧花生减产甚至绝收。通常来说, 高温、高湿条件下青枯病发病严重。当土壤表层温度在25 ℃以上时, 干湿交替易诱发严重病害[34]。此外, 土质对青枯病发病也存在影响, 土质黏重和土壤贫瘠均会增加青枯病发病风险[36]。同时, 在长期连作种植下, 土壤中茄科雷尔氏菌的种群优势会显著提升[37], 且常年花生连作会导致酚酸类有害物质的分泌累积, 引起根系细胞损伤, 进一步加剧花生青枯病的发生。
花生感染青枯病后, 其典型症状表现为急性萎蔫、不失绿和维管束变褐。发病早期, 叶片颜色正常, 主茎顶梢的第一、二叶萎蔫, 侧枝顶叶暗淡萎蔫下垂, 主根根尖软腐变色, 根瘤呈深绿色。发病中后期, 叶片由上至下逐渐萎蔫, 根部黑腐, 维管束变褐, 其叶片、茎部、根部横切后有白色的菌脓, 荚果及果柄为褐色的湿腐状, 果仁不实。花生青枯病从发病至枯死约7~15 d, 少数为20 d[38]。
3. 花生青枯病发病土壤区系微生态特征
连续种植会改变土壤微生物群落结构并抑制土壤微生物组功能, 导致土壤微生态失衡, 这是诱发花生青枯病的关键原因。同时, 青枯病发病土壤区系微生态与健康土壤微生态也存在较大差异, 这种差异与连续种植花生的土壤状况存在一致性[39]。
3.1 土壤微环境特征
连作年限的增加会导致土壤理化性质恶化、酚酸类物质浓度增加和土壤酶活性降低, 也会导致植物根际分泌物组分发生变化。比如连作种植后, 土壤中N、P、K、Fe等元素含量下降[40], 而土壤养分的变化与青枯病的发生有密切关系[41]。连续种植花生的土壤中会发生酚酸类物质的大量积累, 如油酸、香草酸、对羟基苯甲酸等[42], 导致土壤pH下降, 不仅对花生植株产生毒害作用, 还会刺激土壤病原菌生长[43]。且茄科雷尔氏菌对高浓度酚酸类物质环境的适应性较其拮抗菌强[44], 这也进一步揭示了连作诱发花生青枯病发生的潜在机制。花生连作超过5年后, 土壤中过氧化氢酶、磷酸酶和脲酶等的活性下降并达到最低值[45]。在青枯病发病后, 土壤中的代谢物质及活性发生变化, 例如脲酶、过氧化氢酶、β-葡萄糖苷酶等的活性均明显低于健康土壤[46]。此外, 相较于健康植株而言, 感病植株的根际分泌物含有相对比例较高的茄科雷尔氏菌无法利用的碳源[47], 可在一定程度上抑制病原菌在根系的定殖。健康的土壤中也含有茄科劳尔氏菌, 但是其相对丰度较低[48], 随着连作年限不断增加, 土壤微环境不断朝着有利于茄科劳尔氏菌生长的方向发展, 使其逐步在土壤中占据主导地位, 进而导致花生青枯病发生。
3.2 土壤微生物群落特征
连续种植花生会导致土壤微生物群落结构和数量发生显著变化, 微生物组功能受到抑制。研究表明, 连续种植花生可使土壤微生物群落组成由细菌型主导转变为真菌型主导[49], 同时细菌、放线菌数量及有益微生物相对丰度显著降低、有害微生物相对丰度增加。连作15年的土壤中, 细菌和放线菌数量较对照组分别减少39%和50%, 真菌数量显著增加至对照组的369%[50]。土壤中有益微生物例如芽孢杆菌(Bacillus)、链霉菌(Streptomyces)、沙壤土杆菌(Ramlibacter)和溶杆菌(Lysobacter)等[51]丰度降低会造成根际微环境的抑菌效果减弱, 土壤中有害微生物增加, 例如尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)和淡色生赤壳菌(Bionectria ochroleuca)等[50]。在青枯病发病土壤与健康土壤中存在着共同优势菌门, 例如酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinomycetes)[52]。研究表明, 在青枯病发病土壤中, 有益微生物的相对丰度低于健康土壤, 例如鞘脂菌属(Sphingobium)[52]、假单胞杆菌属(Pseudomonas)[53]、微杆菌属(Microbacterium)[54]等, 这与连作花生土壤中的微生物分布特性相一致。在青枯病感病土壤中, 茄科雷尔氏菌成为优势菌属[48], 同时, 感病土壤中潜在致病微生物、腐生微生物[46]的比例有所提高, 这与连作花生的土壤特性一致。例如腐质霉属(Humicola)和丝孢菌属(Scedosporium), 它们在健康土壤中相对丰度尚未达1%[46]。另外, 茄科雷尔氏菌数量峰值在发病高峰期而非发病末期, 且青枯病发病率与发病末期青枯菌数量显著相关[55]。连作花生的土壤微生物组功能受到明显抑制, 如与微生物通讯和植物促生有关的群体感应途径以及青霉素、头孢菌素和异喹啉生物碱等多种生物合成途径显著降低[51]。其中, 青霉素、头孢菌素和异喹啉生物碱是常用的抗生素, 能有效抑制青枯病等土传病害[56]。随着连作年限的增加, 土壤微生物群落结构及其功能朝着有利于青枯病发生的方向发展, 促成了花生青枯病的爆发。
4. 花生青枯病土壤微生态调控措施
土传病原菌已成为限制农业生产的主要生物因素, 是影响根际微生态和作物健康的重要原因[57]。土壤微生态与植物土传病害的发生密切相关, 调控土壤微生态对防控花生青枯病具有重要意义。
4.1 改良土壤微环境
4.1.1 土壤理化性质调控
通过调整种植制度、改良土壤pH和生物炭吸附等措施调控土壤结构、理化性质, 对实现防治花生青枯病的土壤微生态调控具有重要作用。调整种植制度可以改变由连作引发的土壤生态破坏, 改良土壤微生物区系, 进而减轻花生青枯病的发生。轮作种植被认为是青枯病农业防治措施中最经济、有效的方法, 可以调控土壤结构, 最终减少病原菌数量、阻断病原菌生活史和定向变异[58]。研究发现, 低土壤孔隙度对土壤菌群生长不利[59], 轮作不仅可以提高土壤非毛管孔隙度[60], 还可以提高土壤中细菌的数量及比例[61], 在防控花生青枯病方面有一定的积极作用。此外, 间作也可以优化花生的土壤微生态结构, 例如花生与烟草(Nicotiana tabacum)间作[62]。轮作时, 需要选择青枯病的非寄主植物, 包括西瓜(Citrullus lanatus)、甘蔗(Saccharum officinarum)、油菜(Brassica rapa)、禾本科作物[63]等。同时, 由于病原菌是严格好气型细菌, 采用水旱轮作也可以有效防控花生青枯病。土壤pH与青枯病发病有密切关系, 茄科雷尔氏菌最适宜生长的pH为6.6, 其较有益菌群能更好地适应酸性土壤[64], 因此土壤过酸会加重青枯病的发生。适当调控土壤pH至碱性可在一定程度上减轻青枯病的发生, 如施用一定量的石灰、草木灰、过磷酸钙等。此外, 在不适宜的土壤环境中, 某些元素也会增加青枯病的发病率, 如酸性土壤中, 100~300 mg∙kg−1的铝离子会加速青枯病发生[65]。生物炭作为一种土壤改良剂, 可以改善土壤理化性质、调节土壤菌群结构[66], 同时还具有吸附作用[67], 对防治青枯病具有重要意义。首先, 生物炭可以通过改善土壤的pH、土壤中的聚合物等土壤理化性质, 促进有益菌群生长, 以此防治青枯病[68]。其次, 生物炭可以作为土壤中有益微生物的载体, 使众多有益微生物在根际有效定殖[69], 有益微生物的富集可以调节根际微生物群落结构, 从而降低青枯病的发病率。另外, 生物炭还具有吸附根际分泌物的能力, 使病原菌在趋化作用下远离植物根际[70], 从而抑制病原菌的运动能力[71], 减少病原菌在根际的定殖数量, 抑制青枯病的发生。
4.1.2 土壤养分调控
合理、科学的施肥是稳定土壤理化性质、改善土壤微生物生存空间及提高土壤养分含量的唯一选择[72], 适当地提升土壤中的养分含量可以有效缓解青枯病发生[73], 土壤养分调控主要通过化肥、生物有机肥的联合施用来实现。施用富含N、P、K等大量元素的肥料, 不仅可以满足作物的营养需求和提高产量[74], 还对防控青枯病有重要作用。以土壤N素为例, 植株对青枯病的抗性不仅与病原菌对氮素的利用率有关[75], 还与其所处土壤环境中的N素供给能力有关, N素水平升高[76]或下降[77]都可能增加青枯病的发病率。随着土壤中病原菌相对丰度的增加, 某些参与反硝化作用的菌属的相对丰度也会随之增加, 使土壤N素水平降低, 发病率增加[73]。在实际生产中, 微量元素肥料和生物有机肥的施用常被忽略[78], 但土壤中的微量元素和生物有机肥对调控青枯病也具有不可忽视的作用。研究发现植株根系吸收土壤中的Si、Mn、Fe等微量元素能有效防治青枯病[40], 这些微量元素可以增强土壤的缓冲能力、保持离子平衡和提高养分的有效性[79], 有助于保持土壤理化性质和微生物群落稳定, 增强土壤抑病能力。此外, 土壤中的Fe元素被证实与青枯病发病息息相关, 例如Fe元素可以诱导病原菌发生“非致病性”表型转换[80]; Fe元素在土壤中的分配情况与病原菌的大量增殖密切相关[81]。生物有机肥作为土壤营养资源的投入来源, 是一种有效调控土壤微生态的手段, 对植物健康产生积极影响。生物有机肥主要通过改变根际主导菌群和促进微生物间的相互作用来防控青枯病。研究表明, 长期施用生物有机肥可使土壤中的有益菌群不断富集[82], 形成抑病型的根际菌群, 增强土壤生态系统应对生物干扰的能力[83]。当致病菌入侵后, 施加了生物有机肥的植株根际茄科雷尔氏菌的丰度显著低于不施加生物有机肥的植株[83]; 施加生物有机肥的土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性均远高于不施有机肥的土壤, 并且不施加生物有机肥的土壤青枯病发病率较高[84]。另外, 生物有机肥还可以促进微生物之间的捕食相互作用, 减少共生的致病菌, 有效抑制病害的发生[85]。
4.2 降低病原菌生物量
4.2.1 施用化学与生物农药
施用化学与生物农药可以影响土壤微生物分布和减少致病菌数量, 能直接抑制青枯病的发生。在花生感病前, 青枯病病原菌主要寄存于土壤耕层、病残体、杂草等中, 因此通过化学药剂和熏蒸等措施可以直接降低土壤中的病原菌生物量, 此调控方法具有广谱、速效、便捷、规模化的特点。当前用于防治青枯病的化学药剂种类繁多, 且使用方法各异。例如, 施用400倍或600倍20%的青枯灵可湿性粉剂能抑制青枯病[86]; 施用2,6-二叔丁基对甲苯酚和邻苯二甲酸二甲酯能使植株内部及根际的病原菌数量降低[87]; 用绿亨系列药剂处理种子或进行灌根处理可有效抑制青枯病[36]; 将72%农用硫酸链霉素和消菌灵1∶1混用可有效、稳定地防治青枯病[88]; 1 g∙L−1的3,4,5-三羟基苯甲酸甲酯能破坏病原菌的细胞壁, 抑制其三羧酸循环, 从而降低发病率, 防效超过60%[89]。除上述化学药剂外, 常用的还包括乙箱青、四环素、叶青双、利福平、万古霉素、氯霉素、螺旋霉素等。土壤熏蒸也是一种常用的化学调控措施, 但大多数土壤熏蒸剂环境毒性高, 对土壤生态系统损害大。最早常用的土壤熏蒸剂为溴甲烷(MB), 它对青枯病的防治效果可以达到72%~100%[90], 但我国已于2018年禁止在农业生产中使用MB。当前, 常用于防治青枯病的土壤熏蒸剂包括苦味酸氯、三氯硝基甲烷(Pic)、二甲基二硫醚、1,3-二氯丙烯、棉隆(DZ)等, 其中Pic和DZ是相对较为环保的土壤熏蒸剂。然而, 由于茄科雷尔氏菌的传播速度快、途径广, 导致化学药剂的实际使用效果不佳, 不仅会产生耐药性、引发农产品安全问题、病情易反复, 还会非选择性地杀灭有益微生物并破坏土壤微生态[91], 造成一定的土壤污染问题, 因此通过化学药剂调控通常只作为辅助的治疗手段。植物源活性物质作为生物农药的一类物质, 对茄科雷尔氏菌的生长也有一定的抑制作用, 具有易降解、绿色安全、不产生抗药性、对有益微生物无毒害等优点。例如大蒜(Allium sativum)中的乙酸乙酯提取物[92]、柑橘(Citrus reticulata)果肉和海绵组织中提取的“Citrofresh”[93]等。此外, 植物根系分泌物也可以抑制病原菌、调节土壤菌群, 在防控青枯病中也起到重要作用。例如辣椒(Capsicum annuum)根系分泌物中的邻苯二甲酸二异辛酯和二苯并呋喃[94]、番茄(Solanum lycopersicum)根系分泌物中的咖啡酸[95]等均能在一定程度上抑制致病菌的生长。同时, 植物根际分泌物的化学组分也不可忽视, 根系分泌物中的碳磷比降低[96]、碳氮比增加[97]、水杨酸含量降低[98], 均对病原菌的生长有明显抑制作用。
4.2.2 引入生防菌株
土壤微生物群落结构及功能是抑病土壤的核心[99], 而土壤微生物失衡被认为是花生连作障碍和青枯病发生的主要原因之一[8-9], 通过引入生防菌株的方式调控土壤微生态, 可以有效减少病原菌生物量[100], 并有效抑制土传病原菌侵入植物根系引起发病[101]。
抗病品种选育被认为是最有效的防治花生青枯病的方法[58], 也是引入根际有益菌群的一种有效方法, 对青枯病土壤微生态具有重要影响。研究发现, 与易感品种相比, 抗青枯病品种的根际微生物组表现出更强的优势, 能够招募有益根际微生物来为植株抵抗茄科雷尔氏菌提供保护[91]。这些有益微生物进一步通过拮抗、竞争、诱导抗性等机制抑制花生青枯病的发生。20世纪20年代, 印度尼西亚培育的‘Schwarz 21’是世界范围内首个抗青枯病的花生品种[102]。当前, 我国已培育出高抗花生青枯病品种30余个[103], 主要是来自广东、广西和湖北的‘粤油45’ ‘鄂花7号’和‘濮花36’等。但是, 抗病品种选育依然缺乏在变化环境下表现出稳定抗性的优良亲本[91], 抗病品种存在产量水平普遍低于非抗病品种[104]及对其他病虫害的兼抗性差[105]等局限性。引入生防菌株调控土壤微生态的另一个重要措施是施用微生物菌剂, 微生物菌剂通过调控土壤微生态, 有效改良土壤微生物区系和防治青枯病, 其专一性、低毒性可以保障农业的可持续发展和提高农业生产效率与质量[60]。生物防治是目前防治青枯病的主流方法(占比高达54%)[106], 被认为是最有前景的青枯病防治手段[107]。生物防治通常运用具有生物防治作用的植物根围促生菌对青枯病进行防治, 其具有诱导植物系统抗性[108]和促生的作用。这些菌株通过与致病菌竞争营养源、供给根际和土壤养分、分泌拮抗物质、诱导植株抗性、杀灭致病菌等抑制青枯病的发生, 具有经济、绿色、安全、可持续的优点, 同时也有见效慢、专一性强、稳定性差的局限性。目前已知的生防根围促生菌包括芽孢杆菌、假单胞杆菌、链霉菌等。除上述生防菌株外, 还可以利用产细菌素的无致病力茄科雷尔氏菌(ABPS)来抑制青枯病, 这类菌株可以从自然变异的菌株中筛选分离, 也可以经诱变获得。ABPS可以入侵植物, 但不会引起植物萎蔫, 其主要防治机制为产生抗菌素作用、生存位点与营养源的竞争和诱导植株抗病性。有研究将ABPS作为植物疫苗在植物苗期进行接种, 可以提高花生的过氧化物酶活性[109], 形成植株的免疫抗病特性, 达到延缓和防治青枯病的目的。此外, 还可以采用噬菌体组合的方式降低茄科雷尔氏菌的数量[110], 从而抑制青枯病发生。微生物菌株除了防治病害以外, 还能改善土壤理化性质、提升土壤品质, 例如微枝形杆菌(Microvirga)具有固氮作用[111]、多噬伯克霍尔德氏菌(Burkholderia multivorans)可以降解磷酸盐[112]。近年来, 根际菌群移植已经成为防控青枯病的重要方向之一。研究表明, 根际微生物组在抵抗茄科雷尔氏菌方面具有重要作用, 例如减少茄科雷尔氏菌致病相关基因[91], 还能较土壤中病原菌的丰度更早地预测青枯病的发生[95]。有学者从处于营养生长阶段的寄主根际菌群中分离获得了部分菌株, 将这些菌株进行移植后, 发现其能降低30%~100%的青枯病发病率[113]。另外, 有研究将具备根际免疫能力的抗性植株的根际菌群移植到易感敏感植株受体根际, 发现青枯病的发生率降低了47%, 且移植成功的根际菌群均以供体的核心拮抗型有益细菌为主, 此方法有效提高了植株的根际免疫能力[57]。
由此可见, 国内外许多学者已通过农业、化学、生物等措施调控土壤微生态, 其中生物调控手段应用最为广泛, 可构建健康的、可持续的土壤微生态区系, 目前已经获得较多的理论基础。在根际环境中, 土壤理化性质通过影响微生物装配间接增强土壤抑病能力[114], 土壤微生物才是土壤抑病能力的主导核心[99]。土壤微生物失衡被认为是花生连作障碍和青枯病发生的主要原因之一[8-9]。因此, 土壤微生态调控对于防治花生连作障碍和青枯病具有重要意义。基于土壤微生态调控的生防技术研发, 可能是实现花生连作障碍和青枯病可持续治理的有效途径(图2)。
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图 2 土壤微生态调控防治花生连作障碍和青枯病Figure 2. Control of peanut continuous cropping obstacles and bacterial wilt based on soil micro-ecological regulation5. 总结与展望
花生是我国重要的油料和经济作物, 因连作诱发的青枯病导致了极大的产量和经济损失, 青枯病的防治也成为了花生研究的重点和难点。土壤微生物失衡是花生连作障碍和青枯病发生的主要原因, 而土壤微环境作为微生物的生存与营养载体, 在青枯病土壤微生态调控中也有着同等重要的作用。因此, 明晰花生青枯病病原菌特性、土壤微生态相关因素(土壤理化性质、土壤养分、根系分泌物、酶活性、微生物群落特征等)及其调控措施对科学、可持续地防治花生青枯病具有现实意义。青枯菌能在土壤中存活较长时间且易发生迁移, 农业和化学调控方法存在防治周期长、环境代价大等问题, 导致防治难度大且效果有限。生物防治主要通过改善花生根际微环境和微生物群落功能, 抑制病原菌的入侵和生长, 兼具精准、高效、生态等特点, 成为花生青枯病土壤微生态调控的重要方法。当前, 利用生物农药、生防菌剂等调控青枯病土壤微生态已具备较多的理论基础, 以根际微生物群落组成与功能定向筛选为核心的土壤微生态调控途径, 为花生连作障碍和青枯病的防治提供了新思路。因此, 未来的花生青枯病应注重从土壤微生态调控的角度切入, 更加注重高效生物农药、拮抗菌剂的研制、应用及作用机制解析。同时, 在生物防治基础上, 结合育种、轮作种植、栽培管理等农业防治方法, 构建合理的花生根际微生物群落结构和功能, 改善土壤微生态环境, 提高花生根际对青枯病的免疫能力, 实现可持续、多样化、常态化的综合绿色防治体系, 促进花生产业的可持续、高质量发展。
致谢 感谢中国农业大学侯喜庆、刘岩、张辰煜、杨威对论文撰写和修改提出的宝贵意见和建议。
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图 2 土壤微生态调控防治花生连作障碍和青枯病
Figure 2. Control of peanut continuous cropping obstacles and bacterial wilt based on soil micro-ecological regulation
表 1 茄科雷尔氏菌的分类
Table 1 Division of Ralstonia solanacearum
方法
Method名称
Name分支
Branch依据
Basis1 生理小种
Physiological race生理小种1、生理小种2、生理小种3、生理小种4、
生理小种5
Physiological race 1, Physiological race 2, Physiological race 3, Physiological race 4, Physiological race 5病原菌侵染寄主的范围[18]
Range of host plants infected by Ralstonia solanacearum[18]2 生化变种
Physiological biovar生化变种I、生化变种Ⅱ、生化变种Ⅲ、生化变种Ⅳ、生化变种Ⅴ
Physiological biovar I, Physiological biovar Ⅱ, Physiological biovar Ⅲ, Physiological biovar Ⅳ, Physiological biovar Ⅴ病原菌对3种二糖(麦芽糖、乳糖、纤维二糖)的利用能力和对3种己醇(甘露醇、卫矛醇、山梨醇)的氧化产酸能力[20]
Utilization ability of R. solanacearum to three disaccharides (maltose, lactose, cellobiose) and oxidative acid production ability to three ethanol (mannitol, galactitol, sorbitol)[20]3 地理种系演化型
Phylotype of geographical lineage亚洲型、美洲型、非洲型、印尼型
Asiaticum, Americanum, Africanum, Indonesian采用地理种系系统方法, 综合病原菌的进化特征、地理起源、分子指纹技术和系统发生学[22]
Using the method of geographical lineage phylogeny with the evolutionary characteristics, geographical origin, molecular fingerprint technology and phylogenetics of R. solanacearum[22]4 遗传差异演化型
Phylotype of genetic differences演化型I、演化型Ⅱ、演化型Ⅲ、演化型Ⅳ
Phylotype I, Phylotype Ⅱ, Phylotype Ⅲ, Phylotype Ⅳ依据病原菌的遗传物质结构和功能, 从种、演化型、序列变种和克隆4个水平划分[23]
According to the genetic material structure and function of R. solanacearum, it is divided into four levels: species, phylotype, sequevar, and clone[23]
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