丛枝菌根真菌修复设施蔬菜连作障碍机制

赵秀山 赵秀云 唐艳领 蔡毓新 史宣杰

摘要：连作障碍问题严重制约着我国蔬菜产业的发展，造成连作障碍的原因主要有土壤理化性状恶化、植物自毒作用、土壤微生物区系变化等。解决连作障碍的措施有很多种，生物防治是其中之一。丛枝菌根真菌能与植物形成共生体，研究表明，丛枝菌根真菌能够改善连作土壤的生物环境问题、减少作物连作产生的自毒物质、改变土壤微生物区系等，在一定程度上能有效地防治连作障碍。笔者分析了丛枝菌根真菌缓解蔬菜连作障碍的作用机制，合理评价AM真菌克服蔬菜连作障碍的潜力，为解决蔬菜连作障碍问题提供新的研究方向和生物技术依据。

关键词：蔬菜;设施;丛枝菌根;连作障碍;作用机制

随着人们对农作物产品需求量的增加以及我国设施栽培面积的扩大，还受土地资源短缺、环境和经济利益驱动、单一作物大面积种植等各方面的影响，设施蔬菜栽培连作障碍日益严重。连作障碍是指在同一块土地上连续种植同一种作物或同科作物时，即使在正常管理水平下，也会出现作物生长发育状况变差、产量和品质下降、病虫害严重等现象。连作障碍发生的原因有土壤有害微生物增加、土壤次生盐渍化严重及土壤酸化、植物自毒作用等，这些都会导致作物减产。有研究表明，西瓜长期连作会造成土壤盐渍化、酸化、病虫害泛滥以及西瓜的自毒作用，在西瓜连作田里，一般病害发生率在30%以上，严重的甚至达到80%;生产上园艺作物连作障碍也日益严重，番茄、辣椒、黄瓜、马铃薯等均出现不同程度的连作障碍，蚕豆连作会导致植株生长瘦弱，出苗差，枯萎病发生严重，土壤中會产生多种酚酸物质，产量严重下降。在设施内连续种植芹菜后，芹菜的根结线虫、软腐病、菌核病等病虫害会不断加重，造成产量和品质下降。连作障碍危害不断加剧，严重影响了我国农业的可持续发展。

目前防治连作障碍的措施有多种，主要有合理选择土壤质地、合理轮作与间套作、加强田间管理、改良作物品质、实行生物防治、合理进行化学防治、实行无土栽培等措施。其中，生物防治是利用特定微生物的寄生、竞争营养和空间或产生对病原菌有害的物质等途径来减少病原菌数量，促进植物健康生长的方法。近年来，AM真菌在防治土壤连作方面的作用日益突出，相对于化学防治，它是一种既环保又对作物有益的防治方法。

菌根是真菌与植物根系相互作用建立的互惠共生体，在自然界中非常普遍。AM（arbuscular mycorrhizas，AM）真菌是分布十分广泛的一类菌根真菌，与大多数陆生植物关系密切，能与80%以上的高等维管植物建立共生关系，在一定程度上能改善宿主植物的矿质营养，增强植物抗逆性，降低逆境胁迫;还有改良土壤、改善土壤微生物结构群落等功能。陈可等试验表明，西瓜接种地表球囊菌（Glomus versiforme）能提高西瓜根系内的苯丙氨酸解氨酶（PAL）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）等防御酶活性，使根系对逆境产生快速反应进而提高西瓜抗连作障碍的能力;刘起丽的试验表明，AM真菌与番茄共生后，能减轻番茄黄化卷叶撒丁岛病毒症状（Tomatoyellow leaf curl Sardinia virus， TYLCSV），其根部和芽部聚集的病毒DNA浓度低于处理，表明共生菌根对番茄产生了有益影响，能够减弱TYLCSV病毒的危害。笔者旨在总结该领域的研究进展，合理评价AM真菌在克服土壤连作障碍方面的作用和机制，为当前和今后的工作提供参考。

1 设施蔬菜连作障碍的发生机制

1.1 连作障碍导致设施土壤理化性状恶化

作物长期连作会导致土壤板结，土壤团粒结构降低，土壤容重和非毛细管孔层增大。同时，在设施栽培中，设施内温度较高，土壤水分蒸发量加大，但土壤得不到雨水淋洗，导致在土壤表面次生盐渍化现象严重，土壤含盐量逐渐增强。而且长期种植同种作物，根系对土壤中的微量元素连续吸收利用，致使土壤养分失衡。彭有才等研究表明，长期连作造成土壤中P、S、K等元素明显富集，导致土壤养分比例失调，影响植株的生长。梁银丽等研究表明，随着黄瓜连作年限延长，N、P肥增加与K肥增加的比例失调。作物长期连作也会使土壤酶活性下降，有研究表明，随着连作年限增加，土壤酶也会出现不同变化，土壤脲酶和蔗糖酶活性呈先升后降的趋势，土壤过氧化氢酶和中性磷酸酶活性呈下降趋势。

1.2 植物自毒作用

自毒作用是指作物通过残体分解、淋溶、根系分泌物等方式来分泌或释放有毒化学物质，对同茬或下茬、同种或同科作物产生抑制作用的现象。它能够改变土壤微生物区系，抑制根系活性，促使病害的产生，导致作物生长发育不良。酚酸类化感物质大量积累，可影响细胞膜透性、抑制作物自身种子萌发、影响根系对养分的吸收等，进而加重连作障碍。很多园艺作物如番茄、黄瓜、辣椒等根系可以分泌苯甲酸、肉桂酸、水杨酸等多种自毒物质，这些物质对作物吸收养分有直接的阻碍作用。

1.3 设施土壤微生物区系变化

作物长期连作会使土壤中的生态环境改变。由于连作土壤长期种植同种作物，栽培环境单一，会使土壤中的有益微生物如硝化细菌、氨化细菌等生物活性受到抑制，引起土壤微生物区系发生变化。连作栽培条件下，大棚土壤微生物结构利于土壤肥力由“细菌型”向“真菌型”转化，土传病害加重。乔蓬蕾等研究表明，黄瓜种植后各时期土壤细菌群落多样性指数呈先降后升的趋势，真菌的优势菌群种数量呈先降后升再下降的趋势。同一块土地连年种植同种作物，长期不变的适宜温湿度环境，加上根系分泌物的长期积累，会造成病原菌拮抗微生物减少，使得病原菌数量不断增加。

2 AM真菌克服作物连作障碍的机制

2.1 真菌对连作土壤环境的影响

AM真菌能够改善土壤环境，改善土壤理化性状。AM真菌在土壤中增殖后能提高寄主细胞膜通透性，固定土壤中的营养物质和水分，改善根系微生态环境。研究表明，AM真菌能够促进土壤团粒结构的形成、改善土壤有机质含量、提高土壤透气性等;AM真菌可以增强土壤酶活性（如磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶等），平衡连作土壤的菌群结构、pH及营养元素，从而缓解作物连作危害。研究表明，在连作5年的大棚内先用80% （ω）氯化苦熏蒸，然后每株草莓穴施60gAM菌剂，对草莓连作障碍有较好的缓解作用，在始花期和收获期对枯萎病的防效可以达到91.4%和78%。

AM真菌能促进植物养分和水分的吸收。AM真菌在土壤中有强大的根外菌丝网，能扩大植物对水分的吸收面积，并驱动土壤养分循环，提高植物矿质离子的吸收量，加强作物与土壤的关系，形成互惠共生体。AM真菌能够提高植物抗逆性效应，可增强作物对干旱、水涝、盐渍、重金属、高温、低温等多种环境的胁迫，同时能提高作物的抗病能力。陈潇等的试验表明，接种AM真菌后，在西瓜与辣椒间作体系内，西瓜的地上部鲜质量、株高、茎粗、单瓜质量均有明显提高，并且西瓜叶片和根部的过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等酶活性也明显提高，表明接种AM真菌可提高作物防御酶活性，有效缓解连作障碍。鹿金颖等的试验表明，AM真菌摩西球囊霉（Glomus mosseae）能降低作物的叶片气孔导度，增加实生苗的生长量，显著增强植株的抗旱能力。郭绍霞等的试验表明，接种AM真菌能提高作物可溶性糖和可溶性蛋自的含量，从而提高植株耐盐性。AM真菌的菌丝能够通过对重金属的过滤、固持等方式降低重金属对作物的伤害。扁豆接种AM真菌后能显著降低砷的吸收量，增加对磷的吸收。AM真菌能提高‘金口芹菜的生长，改善品质。试验用50mL AM真菌接种物装入3.5kg的灭菌土中，每盆定植5株芹菜苗，结果表明，AM真菌处理能显著提高芹菜根系活力，芹菜的株高、干鲜质量、根长均优于对照，也可提高芹菜叶片叶绿素和维生素C含量。

2.2 AM真菌对植物自毒作用的影响

AM真菌感染作物后，能够产生酚类化合物、植保素、生物碱等次生代谢物，这些次生代谢物与植物的抗病性有密切关系，还会调节植物根系分泌物，这些能够帮助作物抵御病害。AM真菌可以诱导作物合成信号物质来抵御病害，这些诱导物质包括茉莉酸、过氧化氢、水杨酸等，他们能激活植物防御系统。马通等的试验表明，西瓜接种AM真菌后，不论连作时间长短，AM真菌能有效提高根系内总酚含量，减少土壤中酚类物质积累，增强西瓜抗病能力，而且在一定程度上增加土壤中黄酮物质含量。水杨酸是植物中重要的内源信号物质，能激活植物过敏反应，AM真菌可以诱导水杨酸暂时的数量增加，对植物激活防御系统有显著作用。

2.3 AM真菌对土壤微生物区系的影响

AM真菌参与植物的生理代谢，它不仅影响植物与植物、植物与其他生物的关系，还影响AM真菌本身与微生物之间的关系，所以AM真菌能使植物根系周围微生物区系的种类和数量发生变化。当作物接种AM真菌后，作物根系周围的细菌、真菌和放线菌均发生数量上的变化。试验表明，作物接种AM真菌后，能诱导作物根內过氧化物酶（POD）的合成，提高POD活性，增加根内总酚含量。番茄接种AM真菌摩西球囊霉（Glomus mosseae）后，能显著促进番茄株高和茎粗的增长，同时能增强番茄多酚氧化酶（（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）的酶活性郭修武等的试验表明，每盆4kg连作土加入40gAM菌剂，能明显促进葡萄生长，叶片SOD含量是对照的2.23倍，根系活力比对照提高22.33%。

AM真菌改善连作土壤土传病害的关系，一方面与病原菌的竞争有关：当作物接种AM真菌后，菌丝会迅速占据相应的生态位点，竞争病原物的侵染位点，导致病原物减少，同时会诱导根系内产生脯氨酸糖蛋白，增大细胞壁厚度，降低病原真菌对根系的侵染率;另一方面，AM真菌与其他有益微生物协同作用，共同抵抗病原菌，当作物接种病原菌后，会刺激拮抗微生物活性，增加有益微生物数量，增强作物抵御能力，AM真菌与根际促生菌（PGPR）相互作用可以抑制病原菌、改善植物营养与生长、协同修复土壤。秋季草莓接种Bacillus subtilis M3和Gmossea BEG29能降低组培苗根坏疽程度及冠腐病病情指数。秦芳玲等的试验表明，在对红三叶草同时接种解磷细菌Bacillus megaterium和AM真菌Gmossea时，对红三叶草的生长和磷营养吸收有显著的促进作用，表现明显的协同效应，而单一接种解磷细菌则影响不大。在利用磷矿石对豆科植物的试验中发现，同时接种AM真菌和溶磷细菌，二者能很好地协同利用难溶态磷源。说明AM真菌与其他有益微生物的相互作用在养分循环、利用等方面也发挥重要作用。

3 问题与展望

为了满足人们对农产品全年供应的需求以及随着耕地面积的逐渐减少，连作方式越来越普遍，连作障碍问题也引起科学家们的普遍关注。目前解决连作障碍的方法主要有轮作、防治土传病害、培育抗性品种等，但尚无有效的绿色环保的生物防治方法能缓解连作障碍导致的减产现象。

近年来，随着对AM真菌的开发，大量的试验表明，AM真菌能在一定程度上通过多种相互作用机制缓解连作障碍，从多方面改善连作地土壤环境，提高作物的抗病能力，其在社会生产中有很好的利用价值和广阔的市场前景。但目前充分利用AM真菌还有一些亟待解决的问题。AM真菌目前还不能纯培养，只有依附植株才能共生存，所以也没有经济有效的办法来筛选AM菌种。随着对AM真菌的深入研究，如何克服筛选和增殖问题是未来研究的一部分内容，只有克服了这个问题，才能把AM真菌大量地应用于生产实践中去。另外，在生产中可以把AM真菌与其他有益微生物联合起来，协同缓解连作障碍。不同微生物在时间、空间上有不同的生理功能和群落结构，混合使用将增强菌根围效应，有助于发挥AM真菌与不同微生物的协同能力。如生产上可以将AM真菌与根围促生菌PGPR相结合，未来进一步研发AM真菌与PGPR二元和多元复合微生物制剂系列产品，筛选高效组合菌种，也将成为AM菌剂的发展趋势。在分子水平上，可以利用分子生物学技术、蛋白组学、组织化学分析法等深入研究AM真菌诱导植物产生抗病性、克服连作障碍的作用机制，为下一步田间应用AM真菌提供依据和技术。随着对AM真菌的深入研究和技术上的突破，未来可将AM真菌商业化生产，大量应用到实践中去，作物连作障碍问题有希望得到彻底解决。