間作下根際微生物控制土傳病害的研究進(jìn)展

楊 陽，姚槐應(yīng)*，2

1.武漢工程大學(xué)環(huán)境生態(tài)與生物工程學(xué)院，湖北 武漢430205；2.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門361021

一個(gè)地區(qū)長期種植單一農(nóng)作物會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的連作障礙問題，主要表現(xiàn)為土傳病害頻繁發(fā)生，作物生長情況差、產(chǎn)量低等問題。使用農(nóng)藥可以暫時(shí)緩解連作障礙帶來的不利影響，但是長期施用農(nóng)藥會(huì)導(dǎo)致病菌產(chǎn)生耐藥性，從而降低農(nóng)藥的抑菌能力。不僅如此，農(nóng)藥的濫用會(huì)嚴(yán)重污染土壤生態(tài)，增加土壤中有毒化合物的含量，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)失衡，土壤性狀惡化。所以，從根本上防治土傳病害，并解決連作障礙問題，必須改變作物的長期單作模式，采取對(duì)環(huán)境友好的種植制度。

間作是指按照指定的行距在同一田塊同時(shí)種植兩種不同作物品種的種植管理方法［1］，如圖1所示。作為一種傳統(tǒng)有效的生態(tài)農(nóng)業(yè)種植制度，間作具有高效利用光照、熱能、土壤、養(yǎng)分、水資源以及其他自然資源的優(yōu)勢(shì)，這種優(yōu)勢(shì)不僅能夠促進(jìn)植物的生長發(fā)育，在有限的耕地下提高作物的單位面積產(chǎn)值和土地當(dāng)量比，同時(shí)還能避免長期單一化種植帶來的連作障礙問題，有效抑制多種病蟲害，促進(jìn)農(nóng)田生物的多樣性，維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)種植能力。因此，間作具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)促進(jìn)作用［2］。近年來，多種間作方法和間作作物組合方式在增產(chǎn)抗病方面的作用已經(jīng)被世界各國學(xué)者所認(rèn)可。例如，西瓜和小麥［3］或水稻［4］間作能夠明顯抑制了枯萎病對(duì)西瓜的侵害，玉米和大豆間作能有效控制大豆的紅冠根腐病等［5］。但是，不同的間作模式達(dá)到的抗病效果不同，只有深入研究間作抗病機(jī)理，合理地設(shè)計(jì)間作組合和間作方法，才能有效提高作物的抗病能力。

針對(duì)間作抗病的各種機(jī)制，學(xué)者們已經(jīng)取得了多方面的成果［6-8］，如圖1所示。間作作物之間存在的隔擋效應(yīng)和稀釋效應(yīng)，能有效控制病菌孢子的傳播。此外，不同作物之間對(duì)生存空間和養(yǎng)分的競爭會(huì)增強(qiáng)作物對(duì)病害的抵抗能力，而且間作時(shí)不同株高和作物間距會(huì)增加植物的光合利用效率，降低空氣濕度，損害病菌的生存空間。間作除了改變作物間的微環(huán)境之外，還能促進(jìn)根系分泌物的多樣化，直接影響高感作物或者影響作物根際微生物，從而促進(jìn)高感作物的抗病作用。間作甚至能激發(fā)宿主植物的抗性基因表達(dá)，提高防御酶活性，從而增加對(duì)病害的抗性。

目前，大量國內(nèi)外關(guān)于間作抗病機(jī)理的研究主要是針對(duì)地上部分的討論。然而，對(duì)于間作抗病的地下部機(jī)理，研究尤其是根際土壤微生物和間作作物的相互作用方面的報(bào)道十分有限（圖1）［9］。這可能是由于植物根際效應(yīng)復(fù)雜、根際分泌物的收集受限、可培養(yǎng)微生物所占比例極低，根際微生物多樣性分析不夠深入等原因造成。但是，根際微生物的群落結(jié)構(gòu)、種群豐度以及特定代謝功能的探究是研究間作系統(tǒng)抗病機(jī)理的重要一環(huán)。隨著DNA測(cè)序技術(shù)精確度的不斷提高，成本不斷下降，越來越多的學(xué)者開始利用高通量測(cè)序技術(shù)分析土壤微生物的群落分布，此技術(shù)有助于深入開展對(duì)間作模式下土壤微生物層面抗病機(jī)理的研究。

本文綜述了間作系統(tǒng)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝功能的影響，介紹了間作作物組合、品種選擇和間作方式對(duì)土壤根際微生物的影響，并且從根際微生物層面總結(jié)了間作模式下的植物地下部抗病機(jī)理，為未來間作抗病研究提供新的角度，也為間作模式的合理運(yùn)用提供理論基礎(chǔ)。

1 間作系統(tǒng)對(duì)根際微生物的影響

1.1 間作系統(tǒng)對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

植物根際定殖的微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性很大程度上受植物種類的影響。當(dāng)玉米和馬鈴薯間作以及圓蔥和番茄間作時(shí)，土壤微生物群落的α多樣性和β多樣性明顯增加，香農(nóng)指數(shù)、豐富度以及均勻度都高于單作作物［10-11］。此外，具體的優(yōu)勢(shì)微生物類群也發(fā)生改變。當(dāng)百合與玉米間作時(shí)，微生物多樣性在屬水平上發(fā)生顯著變化，病菌如尖孢鐮刀菌、摩西斗管囊霉菌和柱孢菌的豐度減少，而抑制病害，促進(jìn)植物生長的菌群如鞘氨醇單胞菌屬和溶桿菌豐度增加［12］。圓蔥和番茄間作時(shí)，有益菌如酸桿菌亞組-6、節(jié)桿菌、芽孢桿菌和假單胞菌的相對(duì)豐度增加，而病菌如枝孢霉菌的數(shù)量減少［11］。因此，間作模式下根際土壤微生物的數(shù)量與群落結(jié)構(gòu)多樣性發(fā)生的變化能夠影響土傳病害的發(fā)生。辣椒和玉米間作時(shí)，酸桿菌門和浮霉菌門的相對(duì)豐度顯著提高，黃單胞菌目相對(duì)豐度顯著下降。并且研究發(fā)現(xiàn)，酸桿菌門和浮霉菌門和土壤抑病功能相關(guān)，而黃單胞菌目部分細(xì)菌屬于植物病原菌，因此間作時(shí)根際微生物的改變影響了土壤的抑病能力［13］。在和毛苕子或小麥間作時(shí)，黃瓜根際土壤的微生物群落多樣性有效提高，并且顯著降低了病原菌尖孢鐮刀菌的數(shù)量，緩解了黃瓜的枯萎病、角斑病等多種病害［14］。蘇世嗚等［15］通過盆栽實(shí)驗(yàn)研究水稻/西瓜間作時(shí)發(fā)現(xiàn)，西瓜根際的土壤微生物群落大幅改變，通過對(duì)磷脂脂肪酸（PLFAs）的檢測(cè)和對(duì)可培養(yǎng)微生物的平板計(jì)數(shù)得知，革蘭氏陽性菌和放線菌相比單作明顯增多，而真菌數(shù)量減少，病原菌數(shù)量顯著降低，西瓜枯萎病也得到有效抑制。

在間作系統(tǒng)下，多種植物的根系交織在一起，構(gòu)成錯(cuò)綜復(fù)雜的根際環(huán)境。不同植物品種的根系分泌的代謝產(chǎn)物存在差異，因此間作時(shí)植物的根系分泌物種類和含量遠(yuǎn)高于單作水平。這為微生物提供了更多類型的碳源，拓寬根際生態(tài)位，減少了各個(gè)物種間的生態(tài)位重疊，使更多菌群能夠共同生存，從而改善根際微生物群落的生存環(huán)境（圖2）［16］。由于生存環(huán)境的改善，作物根際土壤中微生物群落的整體數(shù)量和多樣性增加，降低了單一病菌品種在單位體積土壤中的占比，并且根際微生物豐度和多樣性越高，能夠占據(jù)病菌的生存空間越大，病菌的生存環(huán)境越惡劣，也就很難作為優(yōu)勢(shì)菌種占據(jù)主要生態(tài)位，從而降低對(duì)作物的侵害能力。除此之外，有益微生物種群如假單胞菌、芽孢桿菌和木霉菌等豐度增加，也會(huì)通過競爭、拮抗等作用有效抑制病原菌的生長，從而在防治植物土傳病害方面發(fā)揮關(guān)鍵性的作用（圖3）［17］。因此，在間作模式下，根際微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)多樣性的增加是抑制植物土傳病害的主要原因之一。

圖2 單作和間作系統(tǒng)下的根系分泌物和微生物多樣性的關(guān)系Fig.2 Relationship between root exudates and microbial diversity under monocropping system and intercropping system

圖3 間作系統(tǒng)下微生物控制植物病害的途徑Fig.3 Pathways of microbial control of plant diseases under intercropping systems

1.2 間作系統(tǒng)對(duì)根際微生物代謝功能的影響

在間作系統(tǒng)下，除了根際微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變外，其代謝活性和代謝功能也會(huì)受到影響。在采用Biolog ECO微平板法檢測(cè)土壤微生物群落代謝功能多樣性時(shí)，通常用平均顏色變化率（average well color development，AWCD）來表征微生物利用碳源的能力和代謝活性的大小［18］。董艷等［19］指出，間作模式下作物根際微生物群落對(duì)糖類和氨基酸類碳源的利用增加，微生物活性和單作相比更高，而病原菌數(shù)量和單作相比顯著減少，從而有效抑制了病害。玉米和馬鈴薯間作和單作相比，增加了玉米根際微生物對(duì)羧酸類、氨基酸類和聚合物類碳源的利用，降低了對(duì)糖類的利用，而馬鈴薯根際微生物對(duì)糖類、氨基酸和胺類碳源的代謝強(qiáng)度降低［10］。Wahbi等［20］通過測(cè)定原位分解代謝潛能來評(píng)估土壤微生物群落代謝功能的多樣性時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于單作，間作模式下微生物對(duì)糖類、羧酸的代謝性能明顯增強(qiáng)。研究表明，在間作模式下，作物根系高度互作，增加了根系分泌物中的各種糖類、氨基酸和羧酸等物質(zhì)的種類和含量，為根際微生物群落中利用不同基質(zhì)的菌群的生長提供充足的能源，從而增強(qiáng)了多種土壤微生物的代謝活性，促進(jìn)微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣化［21］。

此外，Lian等［22］研究發(fā)現(xiàn)，間作顯著影響了原核生物的固碳作用、細(xì)菌的檸檬酸循環(huán)過程和木質(zhì)腐生菌的作用，間作過程中微生物這些代謝功能的過度表達(dá)會(huì)大量積累代謝產(chǎn)物和養(yǎng)分，這不僅能促進(jìn)有益微生物的生長，還能夠抑制病菌的繁殖。Guo等［23］發(fā)現(xiàn)，玉米和花生間作時(shí)，一些和病害免疫有關(guān)的代謝通路增加，如谷胱甘肽代謝、類黃酮生物合成、細(xì)菌趨化性等，可能和間作模式下的病害控制存在關(guān)聯(lián)。因此，間作模式能夠增加微生物的代謝活性，促進(jìn)多種代謝功能的表達(dá)，并對(duì)植物病害的控制起到重要作用。

1.3 不同間作模式對(duì)根際微生物的影響

在不同的間作模式和條件下，根際微生物的群落結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著的變化，從而影響間作作物對(duì)病害的抵抗能力。不合理的間作方法設(shè)計(jì)，不僅不能起到增產(chǎn)抗病的作用，還可能使間作喪失抗病作用，甚至造成土傳病害惡化。因此，不同作物的搭配組合以及同一作物的品種選擇都是影響根際微生物群落的重要因素。例如將豆科作物綠豆、大豆和燕麥間作后，燕麥根際固氮微生物多樣性明顯提高，nifH基因拷貝數(shù)相比于單作情況下增加了1倍［24］。通過田間實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黍和紅豆間作時(shí)，根際土壤中放線菌屬的豐度明顯少于和其他豆類（如紅蕓豆、黃豆）間作，而變形菌屬的情況則相反。此外，在同一種間作模式下，在作物的開花期和灌漿結(jié)實(shí)期，擬桿菌屬的豐度少于其他生長時(shí)期。通過功能多樣性分析也發(fā)現(xiàn)，代謝通路豐度的差異性和微生物群落結(jié)構(gòu)類似，說明微生物群落結(jié)構(gòu)的變化、不同的作物間作組合以及作物生長階段高度相關(guān)［25］。在以花生為主要作物，與蕎麥、高粱和黃米構(gòu)成3種組合的研究中，根際細(xì)菌群落多樣性明顯高于單作，其中花生蕎麥間作擁有最高的多樣性指數(shù)［26］。

不僅不同植物間作時(shí)根際微生物群落結(jié)構(gòu)存在差異，同一作物不同基因型的植物間作時(shí)，根際的微生物群落結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生顯著變化［27］。例如小麥跟蠶豆間作時(shí)，小麥的品種差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成明顯的影響。云麥42品種、云麥47品種和蠶豆間作，相比綿陽29品種，顯著提高蠶豆根際微生物群落的多樣性，并且緩解了蠶豆枯萎?。?8］。除此之外，作物的間作方式也會(huì)對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)造成一定的影響。在小麥和蠶豆間作的溫室盆栽實(shí)驗(yàn)中，相比于條帶間作制度，完全混合間作模式下作物根際的細(xì)菌真菌多樣性顯著提高［29］。玉米/大豆以2∶1方式間作（每排大豆作物之間種植兩排玉米作物）時(shí)，根際真菌OTUs數(shù)量明顯超過其他比例，玉米產(chǎn)量也明顯增加［30］。綜上所述，選擇好作物的品種、間作搭配組合以及間作的方式，能更好地改善根際土壤微生物的生長環(huán)境，從而發(fā)揮間作增產(chǎn)抗病的優(yōu)勢(shì)。

2 基于根際微生物的間作抗病機(jī)理

根際微生物能夠通過多種方式抑制病原菌的定殖，進(jìn)而增強(qiáng)植物對(duì)土傳病害的抵抗能力。其中，主要的抗病機(jī)理包括養(yǎng)分和宿主感染位點(diǎn)的競爭、生防菌對(duì)病原菌的拮抗作用、化感自毒作用的緩解以及激發(fā)植物的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性（圖4）。植物間作時(shí)，這些機(jī)理可以同時(shí)存在，協(xié)同產(chǎn)生抗病作用［31］。

圖4 以根際微生物為中心的間作抗病機(jī)理Fig.4 Mechanisms of inhibiting diseases by intercropping centered on rhizosphere microorganisms

2.1 競爭養(yǎng)分與宿主感染位點(diǎn)

植物的病原菌需要吸收多種外源性營養(yǎng)物質(zhì)如碳水化合物、氨基酸和鐵離子等才能順利萌發(fā)［32］。當(dāng)根際土壤中的有益微生物和病原菌爭奪營養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，最終會(huì)減少病原菌生長所必需的養(yǎng)分，從而抑制病原菌的定殖和對(duì)植物的侵染。Borrero等［33］研究發(fā)現(xiàn)，番茄青枯病的發(fā)病率和Biolog ECO板中碳源的利用率呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)根際微生物大量消耗碳源時(shí)，通過競爭作用抑制了病原菌的生長。

而在間作系統(tǒng)下，當(dāng)根際土壤微生物的數(shù)量、多樣性以及活性顯著增加時(shí)，對(duì)能源消耗量增加，從而加大了病原菌生長的競爭壓力，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)病原菌的抑制效果，顯著緩解土傳病害。在蠶豆和小麥間作的地塊中，根際微生物能夠利用多種糖類和氨基酸類碳源，并且利用效率較高，大量消耗根際的能源和碳源，與病原菌產(chǎn)生競爭作用。此外抑氨基酸和總糖的分泌量減少，導(dǎo)致病原菌可利用的能源減少，生長繁殖受到抑制，從而使蠶豆枯萎病的病情指數(shù)顯著降低33%～48%［19］。

除此之外，間作時(shí)能夠促進(jìn)根際土壤中多種促 生 菌（plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）的生長繁殖，其中包括芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、木霉屬和放線菌屬等。這些生防細(xì)菌或真菌會(huì)搶先占領(lǐng)作物根系適合生長繁殖的有利位點(diǎn)，利用根際養(yǎng)分和根系分泌物大量繁殖，這不僅會(huì)搶奪病原菌所需的養(yǎng)分，還能阻止了病原菌在這些根系位點(diǎn)上的定殖，進(jìn)而抑制病菌侵染［34］。何首烏和穿心蓮間作時(shí)，顯著提高了根際土壤中有益放線菌如北里孢菌屬和分枝桿菌屬的相對(duì)豐度，有力地?cái)D壓了病原菌的生存空間，因此能夠有效控制土傳病害［35］。

病菌除了和有益菌發(fā)生養(yǎng)分競爭外，還要和同種病菌菌群的其他生理小種發(fā)生宿主感染位點(diǎn)的競爭。研究發(fā)現(xiàn)［36-37］，作物在受到病害侵染的過程中，會(huì)產(chǎn)生病原菌的無毒生理小種。這種菌株由于自身無毒的特性，所以對(duì)作物沒有危害，但由于和有毒的病原菌株有相同的生態(tài)位，更容易與其爭奪養(yǎng)分和宿主感染位點(diǎn)，從而抑制病原菌的侵染。當(dāng)單一作物長期種植時(shí)，形成的病菌生理小種種類單一，以具有毒性的病原菌為主，因此受到的競爭壓力較小，不會(huì)影響病菌的生長和對(duì)作物的侵染；而多種作物間作時(shí)，會(huì)形成多種類型的生理小種，種間競爭壓力大，從而加強(qiáng)了對(duì)有毒病原菌的抑制能力。朱有勇等［38］發(fā)現(xiàn)，混合間作多品種水稻會(huì)產(chǎn)生很多稻瘟病無毒小種，無毒小種的增加阻隔了病原小種在水稻群體中大規(guī)模的傳播，一定程度上緩解了稻瘟病的發(fā)生。所以微生物相同物種之間不同的生理小種也會(huì)產(chǎn)生競爭關(guān)系，抑制病原小種的生長繁殖。

因此，在間作模式下，根際土壤中的各種菌群都會(huì)參與爭奪病菌生存必需的空間和資源，影響病菌的生長和定殖，最終將病菌擠出生態(tài)位，起到防治土傳病害的目的。

2.2 生防菌對(duì)病原菌的拮抗作用

生防菌不僅能爭奪病原菌的養(yǎng)分和生存空間，還能產(chǎn)生抗菌物質(zhì)，抑制病原菌生長繁殖或者對(duì)病原菌直接進(jìn)行殺滅。具有拮抗功能的微生物會(huì)產(chǎn)生抗生素（如藤黃綠膿菌素和鏈霉素），產(chǎn)生噬鐵素，剝奪病菌的鐵元素或者分泌溶菌酶（如幾丁質(zhì)酶和蛋白酶）從而破壞病菌結(jié)構(gòu)［39］，進(jìn)而對(duì)病原菌產(chǎn)生拮抗作用，抑制病害。間作模式在豐富根際微生物的整體多樣性的同時(shí)，釋放了多種根系分泌物作為營養(yǎng)來源，吸引了大量拮抗微生物往根際聚集，增加了根際生防菌的數(shù)量、種類和活性，加強(qiáng)了拮抗性能，從而促進(jìn)其對(duì)病原菌的拮抗作用［40］。

例如在玉米和魔芋間作時(shí)，生防菌芽孢桿菌的種群數(shù)量始終比病原菌尖孢鐮刀菌高，并且玉米和魔芋的種植距離越小，生防菌對(duì)病菌的拮抗效果越佳。原因可能是芽孢桿菌定殖于根表面，隨著根的生長而逐漸富集，最后在根外分泌一層由黏膠物質(zhì)組成的天然物理屏障，將病原菌阻擋在外，從而抑制了植物病害的發(fā)生［41］。在連作障礙的果園土中，利用不同小麥品種和佳麗果種植，能夠改善土壤中的熒光假單胞菌的數(shù)量以及拮抗性能，有效抑制土壤中的病原菌，緩解連作障礙［42］。田晴等［43］利用小麥和西瓜根系分泌物的共同作用，有效地增加了西瓜根際中木霉菌的相對(duì)豐度，由于木霉菌是一種能夠分泌針對(duì)真菌細(xì)胞壁的裂解酶的生防真菌，能夠分泌針對(duì)真菌細(xì)胞壁的裂解酶，因此木霉菌的增加，促進(jìn)了對(duì)病原菌的拮抗作用，降低了尖孢鐮刀菌和腐生菌的相對(duì)豐度。

除此之外，叢枝菌根（Arbuscular Mycorrhizae，AM）真菌作為一種特殊的有益真菌菌群，也能夠拮抗多種由真菌、細(xì)菌和線蟲等病原體引起的土傳病害，緩解黃瓜、西紅柿、玉米和馬鈴薯等植物受危害的程度。研究表明，AM真菌能改變宿主植物根系形態(tài)結(jié)構(gòu)，加速植物細(xì)胞壁的木質(zhì)化，阻礙病原菌穿透植物細(xì)胞組織并進(jìn)一步侵染植物根系［44］。另外AM真菌自身細(xì)胞壁上存在的物質(zhì)也能抑制病原菌，球囊霉屬的AM真菌菌絲細(xì)胞壁上存在β-1，3-葡聚糖，對(duì)病原菌起到一定的屏障作用［45］。AM真菌不僅自身能夠?qū)Σ≡鸬睫卓棺饔?，還能改善根際微生物群落結(jié)構(gòu)，激發(fā)其他具有拮抗作用的微生物活性，增加如木霉屬、鏈霉菌屬和放線菌等有益微生物的數(shù)量［46］。例如，利用青蒜、羅勒作為番茄的間作搭配后，能夠發(fā)揮出AM真菌的生物保護(hù)作用。隨著根際土壤中的叢枝菌根真菌數(shù)量的增加，枯萎病病情的嚴(yán)重程度得到緩解［47］。旱作水稻和西瓜間作時(shí)，AM真菌幼套球囊霉提高了細(xì)菌和放線菌的數(shù)量，降低了病原菌尖孢鐮刀菌和其他真菌的數(shù)量，從而改善了根際微生物群落結(jié)構(gòu)，使之從真菌型向細(xì)菌型轉(zhuǎn)化，因此有效抑制了西瓜的枯萎病，并且促進(jìn)了旱作水稻的生長［48］。

然而，拮抗細(xì)菌只對(duì)特定的土傳病原菌有抑制作用，并且這種抑制作用會(huì)受到環(huán)境的限制［49］。比如種群數(shù)量達(dá)不到一定規(guī)模［50］，或者對(duì)養(yǎng)分或根系分泌物的競爭力不如病原菌［51］，會(huì)導(dǎo)致其對(duì)病菌的拮抗作用較弱。抑制植物土傳病害需要根際微生物的群體作用，因此，少數(shù)拮抗菌難以達(dá)到抗病的目的，只有增加根際微生物的多樣性，將不同微生物的拮抗功能集中起來，才能更有效地控制根際病原菌［52］。

2.3 緩解化感自毒作用

化感作用是植物或微生物向環(huán)境中分泌生化物質(zhì)，促進(jìn)或者抑制自身或其他生物生長的一種生態(tài)現(xiàn)象，其中植物自身分泌抑制自身的生長被稱為化感自毒作用［53］。自毒物質(zhì)的種類多樣，但都能對(duì)植物生長直接起到抑制作用或刺激土傳病原菌生長進(jìn)而侵害植物。如黃芩在連作時(shí)的根系提取物黃苓苷不僅誘發(fā)了自毒作用，而且刺激了兩種土傳病原菌的生長［54］。酚酸類物質(zhì)是學(xué)者們公認(rèn)的化感自毒物質(zhì)，因?yàn)榛钚暂^強(qiáng)而且被廣泛研究，對(duì)抑制植物生長、誘發(fā)土傳病起到了關(guān)鍵的作用［55］。

Liu等［51］發(fā)現(xiàn)，煙草根際的病原菌青枯菌能更好地適應(yīng)酚酸物質(zhì)的積累，進(jìn)而在低酚酸濃度下比其拮抗細(xì)菌短芽孢桿菌更加有效地利用酚酸，這也是單作模式下煙草青枯病爆發(fā)的根本原因。在花生長期連作的土壤中，酚酸物質(zhì)如羥基苯甲酸、香草酸和香豆酸的含量明顯增加，與此同時(shí)，花生的干鮮重降低，保護(hù)酶活性增加，病菌感染率增加［56］。這說明，酚酸類物質(zhì)會(huì)刺激病原菌的繁殖，同時(shí)對(duì)植物本身也會(huì)產(chǎn)生極大的毒性，損傷植物組織。除此之外，酚酸物質(zhì)也會(huì)影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，土壤中酚酸類物質(zhì)的加入會(huì)大幅改變根際微生物的群落結(jié)構(gòu)，同時(shí)也誘發(fā)病原菌大量生長繁殖［57-58］。

由此可見，降低酚酸含量是間作模式下通過根際微生物抑制土傳病害、緩解連作障礙的重要機(jī)理之一。將中藥材蒼術(shù)和花生間作后，細(xì)菌的豐度明顯增加，革蘭氏陰性菌的數(shù)量明顯增加，有益微生物的增加促進(jìn)了對(duì)香草酸、對(duì)羥基苯甲酸、以及對(duì)香豆酸的降解效果，因此減少了病原菌的數(shù)量。隨著間作距離的縮短，酚酸降解的越多，抑制花生病害增加產(chǎn)量的效果越好［59］。小麥/蠶豆間作下，微生物的豐度和多樣性在不同時(shí)期都顯著提高，從而加速分解阿魏酸、苯甲酸和肉桂酸等酚酸的含量，顯著降低了蠶豆病原鐮刀菌的數(shù)量［19］。在間作模式下，非宿主植物會(huì)分泌大量養(yǎng)分物質(zhì)到根際土壤中，增加根際土壤整體微生物的豐度和活性。豐富的根際微生物群落能夠更加有效地降解利用土壤中的酚酸類物質(zhì)，減輕其對(duì)土傳病原菌的刺激，從而抑制病害。

但不是所有酚酸物質(zhì)都會(huì)對(duì)植物起到自毒作用，酚酸物質(zhì)的類型和濃度不同，對(duì)病原菌的作用也不同。楊瑞秀等［60］利用高效液相色譜法鑒定甜瓜的根系分泌物發(fā)現(xiàn)，阿魏酸、肉桂酸和苯甲酸會(huì)加速病菌孢子萌發(fā)，而水楊酸會(huì)起到抑制作用。黃豆和玉米間作時(shí)，肉桂酸反而會(huì)抑制寄生帚梗柱孢菌的生長，緩解大豆的紅冠腐病病情，并且抑制效果跟肉桂酸濃度成正比［5］。在西瓜和水稻的間作系統(tǒng)下，非宿主植物水稻和宿主植物西瓜根系產(chǎn)生的化感物質(zhì)具有完全不同的作用。水稻分泌的對(duì)香豆酸促進(jìn)了根際有益微生物的生長，緩解了西瓜病害，而西瓜分泌的阿魏酸卻刺激了鐮刀菌孢子的萌發(fā)［4］。除此之外，酚酸物質(zhì)表現(xiàn)出典型的“低促高抑”現(xiàn)象，丁香酸和阿魏酸在0.05～0.1 mmol/L處理濃度下促進(jìn)菌絲生長，在濃度達(dá)到0.5 mmol/L時(shí)開始起抑制作用。水稻和西瓜間作時(shí)，根系分泌的水楊酸在低濃度下促進(jìn)了病菌孢子萌發(fā)，在高濃度下卻抑制孢子萌發(fā)［4］，鄭倩等［61］的研究也出現(xiàn)類似結(jié)果。

總體來說，不同植物根系分泌的酚酸物質(zhì)對(duì)病原菌的作用存在差異，因此只有降低能夠刺激病原菌生長、具有化感自毒作用的酚酸物質(zhì)含量，并且保證特定酚酸物質(zhì)濃度在促進(jìn)植物生長的范圍內(nèi)，才能發(fā)揮抗病增產(chǎn)的最佳效果。此外，由于微生物研究方法有限，尚且無法準(zhǔn)確判斷在根際中分解自毒物質(zhì)的具體微生物菌群以及特定的微生物對(duì)特定酚酸物質(zhì)的代謝分解過程。

2.4 誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性

植物誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性（induced systemic resistance，ISR）是指由于病原菌或草食昆蟲的威脅而激發(fā)的一種植物自我防御系統(tǒng)，它能為植物形成物理或化學(xué)屏障，從而使植物獲得抗性［31］。由于誘導(dǎo)的抗性不只是表達(dá)于誘導(dǎo)區(qū)域，而是在整個(gè)植物體內(nèi)系統(tǒng)性表達(dá)，因此稱為誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性。很多根際促生微生物類群，如假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、類芽孢桿菌屬、木霉屬、放線菌以及叢枝菌根真菌，都和植物誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性的激發(fā)高度相關(guān)［62］。例如熒光假單胞菌WCS417除了能夠直接拮抗病原菌以外，還能有效激發(fā)植物的系統(tǒng)抗性［63］。Niu等［64］研究發(fā)現(xiàn)，促生菌芽孢桿菌AR156能同時(shí)激活水楊酸、茉莉酸和乙烯的信號(hào)通路，誘導(dǎo)植株抗性相關(guān)基因PR1、PR2、PR5和PDF1.2的快速表達(dá)，提高植物對(duì)病害的抵抗能力。當(dāng)植物受到病菌侵染時(shí)，這些有益菌群能刺激轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)基因NPR1表達(dá)，從而激發(fā)與植物防御基因表達(dá)高度相關(guān)的激素乙烯（ethylene，ET）和茉莉酸（jasmonic acid，JA）的代謝通路，調(diào)節(jié)植物分泌病程相關(guān)蛋白（抗菌酶如幾丁質(zhì)酶和葡聚糖酶，氧化酶如過氧化物酶），或者在植物細(xì)胞壁外形成胼胝質(zhì)沉積物，阻礙病菌入侵，提高植物對(duì)多種病原體侵害的抵抗能力，從而控制土傳病害［63，65］（圖5）。

圖5 促生細(xì)菌誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性的代謝通路模型［63］Fig.5 Model for ISR metabolic pathway triggered by PGPR［63］

Chen等［66］發(fā)現(xiàn)，間作時(shí)鄰近的木薯產(chǎn)生的氰化物會(huì)激發(fā)花生根部植物激素乙烯的產(chǎn)生，從而改變花生根際的微生物群落組成，增加了放線菌類群的相對(duì)豐度，調(diào)節(jié)了根際微生物的共生網(wǎng)絡(luò)，改善了植物的生長情況，激發(fā)了植物的系統(tǒng)抗性。此外，在受到間作植物辣椒病原菌以及根系分泌物的刺激時(shí)，玉米自身防御基因的表達(dá)會(huì)被激活，從而加強(qiáng)自身對(duì)玉米小斑病的抗性［67］。植物ISR通過植物自身免疫產(chǎn)生，抗菌范圍廣泛，效力持久，并且能對(duì)病菌特異性免疫，因此能有效提高植物的抗病性［68］。然而目前對(duì)植物ISR抗病的研究大多集中在討論人為添加已知的生物菌劑來提高植物的抗病能力，間作的相關(guān)研究有限，并且很多能激發(fā)植物ISR的微生物種群還沒有被發(fā)現(xiàn)，值得進(jìn)一步的研究［9］。

3 結(jié) 論

間作作為一種生態(tài)農(nóng)業(yè)種植制度，能夠有效地抑制植物的土傳病害。在間作過程中，間作植物類型的多樣性能夠有效增加根際微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝功能的多樣性，從而改善根際微生物生態(tài)，促進(jìn)植物抗病增產(chǎn)，解決連作障礙產(chǎn)生的問題。但是，不同的間作搭配組合會(huì)產(chǎn)生不同的種植成效，為了提高間作抗病的效果，對(duì)參與間作的植物組合和植物品種進(jìn)行深入研究是有必要的。然而，這需要間作抗病機(jī)理研究提供理論支撐。目前，間作機(jī)理研究尤其是根際微生物層面的研究逐漸得到重視。已有研究表明，在間作系統(tǒng)下，微生物能通過對(duì)土壤養(yǎng)分或宿主侵染位點(diǎn)的競爭、對(duì)病原菌的拮抗作用、減輕植物化感自毒作用及激發(fā)植物誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性等途徑控制土傳病害。

然而，現(xiàn)階段由于根際效應(yīng)情況復(fù)雜，根系分泌物采集困難，研究局限性大，實(shí)驗(yàn)效果不佳。此外，微生物影響病原菌和間作植物的方式復(fù)雜，所以針對(duì)某種機(jī)理的研究是不全面的，未來需要結(jié)合多種機(jī)理研究，綜合考慮具體微生物群落在間作抗病中的地位以及對(duì)病害的綜合防效。雖然現(xiàn)在微生物多樣性研究方法已經(jīng)取得很大進(jìn)步，在間作研究中的運(yùn)用日益廣泛，但仍需要從以下方向繼續(xù)深入探究：1）將穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)（stable isotope probing，SIP）和 核 酸 探 針 技 術(shù)（DNA/RNA）結(jié)合起來，研究具體微生物群落特定的結(jié)構(gòu)和功能在間作抗病中起到的作用；2）原位收集與檢測(cè)根系分泌物的組成，研究植物—土壤—微生物互作媒介在抗病機(jī)理研究中的作用；3）利用生物微矩陣芯片技術(shù)，研究參與間作抗病的根際有益微生物的抗病基因表達(dá)過程。隨著上述研究的深入，我們可以從微觀角度進(jìn)一步了解作物抗病的地下部機(jī)理，從而有助于對(duì)間作抗病的具體措施進(jìn)行宏觀調(diào)控，使間作種植模式在可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)農(nóng)業(yè)中不斷發(fā)揮重要作用。