封面文章 | 连作根系分泌物加剧土传病害的机制和缓解措施研究进展

学术   2024-09-25 10:04   江苏  

作者:游川,杨天杰,周新刚,王孝芳,徐阳春,沈其荣,韦中.

单位:南京农业大学资源与环境科学学院;东北农业大学园艺园林学院

卷期:《土壤学报》2024年第61卷第5


引  言

基于植物-土壤反馈理论,连作体系中的根系分泌物必然在加剧土传病害发生中起重要作用,但相关研究证据尚缺少系统总结。本文梳理了连作加剧土传病害发生的现象以及连作累积典型根系分泌物组分的案例。从有利于土传病原菌由土体向根际迁移、增殖和致病(“利病”)、破坏根际有益微生物群落防线(“压益”)和毒害根系免疫系统(“自毒”)等三个方面,阐述连作根系分泌物中某些物质促进土传病原菌入侵的机制。并提出了鉴定“利病”、“压益”和“自毒”物质以及构建对应的消减技术途径,可为土传病害绿色高效综合防控提供科学支撑。

01

根系分泌物中的“利病”、“压益”和“自毒”物质

本文将对病原菌有趋化作用、促进病原菌快速增殖和根际定殖的根系分泌物组分统称为“利病”物质。根系分泌物中的“压益”物质指扰乱根际微生物群落,抑制有益微生物类群丰度或功能的物质。连作根系分泌物的积累不仅影响根际病原菌和土著微生物的生长与功能,也会直接影响植物的生长和抗性,该类物质称为“自毒”物质(表1)。 

1 代表性“利病”、“压益”和“自毒”物质的来源和功能 

02

连作根系分泌物促进土传病害发生机制

土传病原菌侵染作物的前提是能够在土壤存活并在根际定殖,这依赖于土壤和根际中一些能够促进病原菌生长的小分子物质。某些根系分泌物可被土传病原菌高效利用,保障病原菌在休耕土壤中的存活,病原菌受到这些信号物质(趋化性物质)的刺激后,从土体向寄主植物根际迁移,在根际定殖形成生物膜,并发挥其致病能力(图1,假说1)。土壤微生物群落是帮助植物根际抵御病原菌入侵的重要防线。连作积累的根系分泌物可通过抑制根际有益微生物丰度,使群落产抑菌次生代谢物的能力减弱,同时根际有益微生物的丰度降低,释放出大量生态位,增加土传病原菌的入侵概率(图1,假说2)。自毒物质对植物根系造成的生理毒害,如损伤植物根系细胞膜通透性、根系活力和系统抗性等能力,使其抵御病原菌入侵的最后一道“防线”破损,难以阻碍病原菌的入侵,最终加剧土传病害的爆发(图1,假说3)。

1 根系分泌物加剧土传病害发生的假说

03

基于根系分泌物的连作障碍缓解策略

间套作和轮作等方式主要通过提高根际分泌物多样性、减少主栽作物分泌自毒物质和分泌“抑病”根系分泌物三个方面缓解主栽作物土壤生物障碍(图2,栽培措施)。采用抗病砧木嫁接作物、筛选低自毒和抗病基因型品种可调控根系分泌物,进而实现土传连作障碍的消减(图2,品种改良)。采用生物降解技术是克服植物“利病”、“压益”和“自毒”三大类物质的一种有效措施(图2,有益菌筛选与应用)。生物质炭、有机肥等功能性物质也能通过直接或间接调控根系分泌物来缓解作物连作障碍(图 2,功能性物质的施用)。    

2 基于根系分泌物的连作障碍缓解策略

04

展 望

根系分泌物对植物的影响具有两面性,既可招募有益微生物促进生长,也累积有害物质阻碍植物根系发育和养分吸收并加剧病害发生。目前在利用有益微生物增强植物抗病能力或优化根际微生物群落等方面解决连作障碍的研究取得了较大的进展,进一步系统鉴定“利病”、“压益”和“自毒”物质,探究其在介导“植物-土壤-微生物”反馈互作中的作用机制,建立相应的根际靶向调控策略,对连作土传病害的综合解决具有重要意义。   

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