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青枯病發生的土壤影響因素及防治措施研究進展

2023-06-04 07:49李海鵬曹啟民黃月華孫曉東孫楚涵
江蘇農業科學 2023年9期
關鍵詞:生物炭青枯病防控措施

李海鵬 曹啟民 黃月華 孫曉東 孫楚涵

摘要:青枯雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum)侵染植物所引起的青枯病是對全球農作生產活動危害最為嚴重的土傳病害之一,青枯病對農作物危害極大,影響深遠;青枯雷爾氏菌在土壤中存活時間長,可以在植物根系中定殖,通過阻斷植物維管系統水分運輸致使植株枯萎,其對世界農業造成的威脅無法忽視。國內外對青枯雷爾氏菌及青枯病的研究重點集中在土壤對青枯病發生的影響以及青枯病的防控措施,本文將青枯病發生受土壤影響的因素進行系統的梳理,土壤礦質營養物質、理化特性、根系分泌物、微生物多樣性及酶活性是對青枯雷爾氏菌侵染植物(作物)有重大影響的關鍵因素;本文同時也結合土壤影響青枯病發生的因素闡述了國內外對青枯病的防控措施,主要包括農業防治、化學防治與生物防治;在可持續農業發展進程中,可再生的生物炭被廣泛用于土壤改良材料,筆者對近年國內外生物炭防治青枯病的相關研究進行整理,大量研究表明,生物炭能夠對青枯病起到較理想的防控效果。目前,土壤對青枯病的防御還需要營養元素、植物激素、微生物菌劑等外源干擾,但時至今日青枯病仍長期威脅著農業生產活動。筆者展望了未來土壤與青枯雷爾氏菌互作、青枯病的研究與發展方向,也為科學防控植物(作物)青枯病并建立相關理論體系與策略方針提供一定參考。

關鍵詞:青枯雷爾氏菌;青枯??;影響因素;防控措施;生物炭

中圖分類號:S182??文獻標志碼:A??文章編號:1002-1302(2023)09-0025-09

基金項目:海南省省屬科研院所技術創新專項(編號:Jscx202005)。

作者簡介:李海鵬(1996—),男,四川成都人,碩士研究生,主要從事土傳病害防控研究。E-mail:2417289841@qq.com。

通信作者:曹啟民,博士,研究員,主要從事農業土壤面源污染物遷移變化研究,E-mail: 271093491@qq.com;黃月華,博士,副教授,主要從事環境微生物與自然界物質元素循環研究,E-mail:sunflower-001@163.com。

青枯雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum)是一種革蘭氏陰性的植物致病菌[1],因其侵染植株所引起的青枯病是目前為止對世界各地農作生產活動危害最為嚴重的土傳病害之一。青枯病這類細菌性病害對農作物影響廣泛、宿主眾多,已有超過50科屬下200多種植物遭受過青枯雷爾氏菌的侵染,而青枯病也是茄科作物(辣椒、番茄、茄子等)易發的主要病害之一[2-3]。青枯病在我國除澳門、西藏、內蒙古外的31個省級行政區均有報道,其中南方地區面臨青枯病肆虐情況較其他地區更為嚴峻[4]。青枯雷爾氏菌在土壤中生存能力極強,有報道顯示,在15、28 ℃ 環境溫度下,青枯菌在土壤中存活時間至少可以達到5個月以上[5];青枯雷爾氏菌以土壤作為介質侵染植株根系,利用根系傷口、根尖、次生根等部位進行定殖,經過一定時間的滲透,到達植株維管系統,在植物木質部內側大量繁殖,并分泌大量胞外多糖,使得植株內部水分運輸受阻,最終導致植株枯萎死亡[6-7]。作為全球十大植物致病菌之一[8],青枯雷爾氏菌對我國乃至全世界的農業生產活動都構成了持續且無法忽視的困擾,制定降低和消除青枯雷爾氏菌對農作物的影響與危害的針對性方案迫在眉捷。大量研究表明,青枯病這類土傳病害的發生與土壤的理化、生物特性關系十分緊密,包括土壤酶活性、酸堿度、營養元素、根系分泌物、土壤微生物多樣性等影響因素[9-16],病原菌會由于這些關鍵性指標在一定環境條件下發生的驟變表現出致病特征從而對寄主植物進行侵染(圖1)。前人已有對青枯雷爾氏菌在土壤存活影響因素及防治方法分別進行了較為系統的分析[17-18],卻并未將二者結合再進行針對性分析,筆者從作物發生青枯病受土壤影響因素與對其防治策略2個方面來探討總結,以期明晰青枯雷爾氏菌傳播與土壤理化、生物特性之間的聯系,并為防治青枯雷爾氏菌傳播所導致的作物細菌枯萎病提供相關理論體系與技術支撐。

1?土壤相關因子對青枯病發生的影響

1.1?土壤礦質營養物質

土壤為植物生長提供大量的營養物質,植物體內的營養水平與青枯雷爾氏菌對其的侵染情況聯系緊密。尤其是土壤養分元素對土壤中青枯雷爾氏菌的侵染以及植物對其的防御體系有著深遠的影響。碳、氮是土壤必不可少的元素,大量研究表明,碳氮比(C/N)會顯著影響土壤環境[19-20]。土壤中有機碳的比例決定著土壤肥力與植物抗病能力[21-22],相關研究表明,C/N(范圍:C/N<22)與植株疾病指數呈負相關關系[23];而氮素既是植物生長所需的關鍵營養元素,也是病原菌的能量來源;青枯雷爾氏菌對氮素的利用率以及植物所處土壤環境氮素供給能力決定了植物的抗病水平[24]。高升升研究發現,氮素水平的升高反而會促進煙草青枯病的發生[14];Wang等通過對比施加一定量氮肥和未施加氮肥芝麻植株,發現未施加氮肥的植株發病率更高[25];植株吸收的土壤中磷、鉀元素也在一定程度上鞏固了作物應對病原菌入侵的防御機制,土壤氮磷比值(N/P)<5時,也與植株疾病指數呈負相關關系[23,26]。植物根系通過吸收土壤中硅、鎂、錳、鈣、鐵元素均可以對青枯病起到預防和降低感染概率的作用[27],其中過氧化鈣在鐵多酚的催化下可以抑制土壤中青枯雷爾氏菌的增長,降低青枯病發生概率[28];鐵元素可誘導青枯雷爾氏菌發生非致病表型轉換(PC)[13]。鄭世燕研究發現,鉬元素對植物青枯病田間控病率最高可達到62.23%[29];高于400 mg/L的鋁離子溶液對青枯雷爾氏菌的生長有較為顯著的抑制作用,而酸性土壤環境下,100~300 mg/kg的鋁離子溶液則會加速青枯病發生的進程[30]。

1.2?土壤理化特性

土壤理化特性變化對土壤中青枯雷爾氏菌存活、植株青枯病發生的影響不可忽視。土壤pH值、孔隙度、溫度、濕度等非生物因子會隨著環境氣候及當地植物資源的變化發生劇烈或微弱的改變,對病原菌構成非生物脅迫,此時病原菌的自我保護機制的啟動將會削弱其毒力[31]。如青枯菌在冬季溫度較低時,會自動轉化為存活但不可培養狀態(VBNC)[32];在環境溫度為21.1 ℃,土壤濕度達到58.5%,維持16 d以上,田間植株便會出現青枯病癥狀[33];酸性土壤(pH值范圍:4.5~5.5)中營養成分流失嚴重,青枯雷爾氏菌在這種環境下生長更迅速,而有益菌群則難以生存[12,34]。土壤低孔隙度不利于土壤微生物菌落生長[35],Mi等研究發現,土壤孔隙度、持水量的提升以及容重的下降能夠改善土壤微生物群落結構多樣性,間接增強作物對病原菌的抗性,減輕作物受土傳病害的影響[36]。作物青枯病的發生還與土壤電導率、顆粒粒徑有潛在的聯系,但其具體與青枯雷爾氏菌的互作機制與程度還需要進一步的探索與研究。

1.3?根系分泌物

自然界中植物根系向周圍介質釋放的不同化合物被稱為根系分泌物。根系分泌物中有的是植物抵御青枯病防線的重要組成,而還有部分則是青枯雷爾氏菌侵染植株的“援兵”[37-38],這與根系分泌物的物質組成及特異成分有關。如嫁接辣椒根系分泌物中的鄰苯二甲酸二異辛酯(DIOP)和二苯并呋喃(DBF)能夠抑制青枯雷爾氏菌的生長從而降低青枯病的發病率[39];谷益安通過溫室盆栽試驗發現,番茄根系分泌物中咖啡酸對青枯雷爾氏菌有明顯抑制作用,當咖啡酸濃度達到80 μmol/L時,對青枯雷爾氏菌的抑制率最高[40]。根系分泌物也可以通過誘導土壤有益菌群對青枯雷爾氏菌產生抑制作用。Tian等通過超高效液相串聯質譜儀(UPLC-MS/MS)分析得出,根際分泌物賴氨酸含量升高、水楊酸含量降低后的土壤-根際微環境便不適宜青枯雷爾氏菌生存[41];煙草根系分泌物中較低濃度的酚酸物質苯甲酸(≤2 μg/L)與苯丙酸(≤3 μg/L)均能夠促進青枯雷爾氏菌與拮抗菌短短芽孢桿菌(Brevibacillus brevis)的生長,但2種酚酸分泌量升高后,拮抗菌相比青枯雷爾氏菌受到酚酸的抑制作用更顯著,所以青枯雷爾氏菌比拮抗菌適應高濃度酚酸類根系分泌物環境更快,這解釋了煙草連作容易引起青枯病發生的現象[42];根系分泌物化學組分中碳氮比的增加有助于土壤固碳,促進土壤呼吸,提升植株對土傳病害的抗病力[43]。而根系分泌物化學組分碳磷比(C/P)越高,青枯雷爾氏菌存活率也會升高[44]。此外,土壤微生物群落雖然對根系分泌物中氨基酸利用率很高,但土壤環境氨基酸濃度上調也會導致土壤pH值降低,土壤溶解性有機碳(DOC)釋放[45],為青枯雷爾氏菌入侵植株制造了契機。

1.4?土壤微生物

土壤微生物多樣性在植物-土壤生態系統中扮演著舉足輕重的角色,土壤微生物群落組成與多樣性是衡量土壤環境質量的重要指標。青枯雷爾氏菌侵入土壤后,土壤微生物多樣性也將發生顯著變化。健康土壤與煙草青枯病感病土壤間的生化差異為:健康土壤中有益微生物(Bradyrhizobium、Nocardioides、 Micromonospora)相對豐度也高于感病土壤[46];桑樹青枯病根際土壤真菌(Mortierellomycota)、細菌(Acidobacteriota、Actinobacteriota、Verrucomicrobiota、Latescibacterota)相對豐度均低于健康土壤,尤其是Acidobacteriota、Actinobacteriota與抗病能力相關微生物在健康根際土壤中相對豐度比染病植株根際土壤分別高5.92%、3.71%[47];番茄青枯病發病高峰期,土壤中Gemmatimonas、Chujaibacter、norank_f_Chitinophagaceae和Ralstonia相對豐度明顯升高,norank_o_Vicinamibacterales、norank_f_Vicinamibacteraceae、Bacillus和 Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia明顯降低[48]。土壤有益微生物能夠直接或間接地改善土壤理化性質、維持土壤質量和肥力[23],相關研究證明,有益微生物群落如谷氨酸棒狀桿菌(Corynebacterium glutamicum)降解同化芳香族化合物的功能,Microvirga的固氮作用以及多噬伯克霍爾德氏菌(Burkholderia multivorans)對磷酸鹽的降解功能促進了土壤養分循環,提升土壤品質,間接降低了包含青枯病在內的土傳病害發生的風險[49-51];而當土壤中青枯雷爾氏菌相對豐度升高時,Noviherbaspirillum、Reyranella和Thermus的相對豐度也隨之上升,而這3種菌屬在土壤氮循環中均起到反硝化作用,使土壤中氮素流失[52]。

1.5?土壤酶

土壤酶是土壤環境變化的關鍵指標,反映了土壤生化變化過程的方向和強度,影響著土壤的理化性質、肥力;土壤蔗糖酶、纖維素酶高度參與碳代謝進程,土壤脲酶與土壤生態系統氮循環相關,土壤磷酸酶除了促進磷循環外還能作為預測土傳病害的指征,而土壤中可利用碳、氮的增加同時促進磷酸酶活性的提高[53-57]。健康土壤的土壤脲酶、過氧化氫酶、轉化酶明顯高于煙草青枯病感病土壤[46],桑樹染病植株根際土壤中β-葡萄糖苷酶、磷酸二脂酶活性較健康土壤顯著降低[47],李得銘向已施加微生物復合肥(含Bacillus、Trichoderma)的番茄植株土壤與未施肥番茄植株土壤接種青枯雷爾氏菌后發現,施肥土壤中脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性遠高于未施肥植株土壤,且已施肥植株發病率低于未施肥土壤[58];Chen等研究發現,脲酶及土壤營養物質的提升可以降低煙草青枯病的發病率,其中緣由是土壤肥力的增強促進了植物和根系的生長發育,保證了土壤自身生產力的可持續性[52]。

2?青枯病防治措施

長期以來,集約化農業迅速發展,在單一連作的栽培方式以及氣候變暖的環境條件下,植物受青枯病威脅的風險逐步增高[4,59],土傳病害的防控涉及植物病理學、土壤學、農學、微生物學等多學科領域,各領域學者對作用于青枯病的防控機制進行了深入研究。值得一提的是,“土壤免疫”被提出后,科研工作者揭示了土壤免疫機制的部分環節[60],可就青枯病而言,還沒有系統完整的土壤免疫機制報道。據現有研究來看,仍需要強有力的特定外部干擾[61],前文提到的礦質元素,微生物以及部分根系分泌物(植物激素)等物質來創造激發土壤免疫應答響應的環境[2 46, 62]。目前,對于植物青枯病較為成熟的防治措施主要基于消滅病原菌、阻斷傳播、侵入及提升寄主抗病性3個方面實施,包括農業防治、化學防治、生物防治3類[15,63-65]。由于農業環境與經濟的矛盾仍舊存在,當前全球生態承載能力接近閾值,人類對綠色發展的追求愈加強烈[66]。近年來,包括生物炭在內的環境友好型防治措施逐漸成為青枯病防治研究的熱點。

2.1?常用防治措施

2.1.1?農業防治?輪作是農業生產中常見的種植方法[67]。如將茄科作物與非茄科作物進行3~4年的輪作,前作以韭菜、大蔥為主,后作以禾本科、十字花科為主;這樣的輪作方式可以有效改善土壤生態環境與非毛管孔隙[68],但由于作物輪作的供應有限,這種防治方法受到病原體宿主范圍的限制[69]。嫁接同樣能提高作物對青枯病的抗病力:砧木品種夏威夷7996是經典的抗性遺傳研究的經典抗原[70]。將其用于嫁接培育,番茄青枯病發病率下降97.3%,增產超過100%[64];趙文宗接種青枯雷爾氏菌到砧穗嫁接植株與砧木自根嫁接植株中,青枯病發病率均低于15%[71]。在新農業發展背景下,通過生物技術工具開發穩定的抗青枯病的植物(作物)是當下主流農業防治措施,主要通過體細胞雜交、標記輔助育種、轉錄組學、遺傳轉化和基因沉默等技術實現[72]。而對夏威夷7996番茄品種就使用的全基因組轉錄組學技術,使根介導對茄科植物的抗性,從而導致防御基因的激活和生長素途徑的轉變[73]。

2.1.2?化學防治?化學防治在我國一直是對作物青枯病的重要防治技術?;瘜W防治具有直接、快速、高效的特點。如質量濃度為1 g/L的3, 4, 5-三羥基苯甲酸甲酯(MG)溶液和當前農業生產活動普及的20%噻菌銅懸浮劑對番茄青枯病的防效都在60%以上[74],相關研究表明,青枯雷爾氏菌細胞壁會遭到MG的破壞,細胞糖酵解-三羧酸(TCA)循環被抑制[75],從而無法入侵植物(作物);土壤熏蒸也是一種防控效果較好的化學防治措施,早期普遍使用溴甲烷(MB)作為土壤熏蒸劑,MB對土壤熏蒸效果可以達到72%~100%[76],但在2018年,我國已禁止將MB用于農業生產。棉?。―Z)是一種較為環保的土壤熏蒸劑,施加80 g/m2 DZ至生姜種植區后,青枯病發病率僅為3.1%(未施加熏蒸劑處理組為100%)[77],但其滅殺病原菌的具體機制還未有深入探究。值得一提的是,諸如二甲基二硫醚(DMDS)、1, 3-二氯丙烯(1, 3-D)等土壤熏蒸劑因為環境毒性等級過高被禁用,目前僅有三氯硝基甲烷(Pic)是我國唯一注冊登記的生姜土壤熏蒸劑[78-79]。綜上所述,化學藥劑雖然對青枯病都有一定抑制效果,但是作用也是有限的,如MG誘導番茄產生的抑菌物質如香葉醇、豆甾醇等含量過低導致青枯病在施藥后再次暴發[80];而DZ、Pic等土壤熏蒸劑除作用于病原菌外也會消殺掉大量非目標微生物,損害土壤生態系統[81]。

2.1.3?生物防治?青枯病生物防治具體分為功能微生物通過供給根際-土壤營養、分泌拮抗化學因子、誘導植株抗性及同病原菌競爭營養源等方式來抑制、消滅植物病原菌以防控青枯病大范圍傳播[82]。將摻加綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa) NXHG29的生物有機肥與種植煙草的土壤混合,使土壤中含有1×108 CFU/g綠膿桿菌NXHG29,再接種青枯雷爾氏菌,最終發現經綠膿桿菌NXHG29處理的煙草植株發病率最高為34.37%(對照組發病率為43.05%)[83];另外土壤中的解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)能產生抗菌物質直接作用于病原菌,阻滯青枯病的傳播[84],Li等研究發現,菌株B. amyloliquefaciens SQRT3能夠誘導番茄系統抗性(ISR)作為植株潛在的抑病機制之一,用該菌株菌懸液浸根后,番茄對青枯病生防效果達到84.1%[85];而B. amyloliquefaciens與枯草芽孢桿菌(B. subtilis)共同作用于青枯雷爾氏菌,相比于對照組(未施用微生物菌劑)將青枯雷爾氏菌數量降低近1 000倍[86];Zheng等利用無毒的青枯雷爾氏菌(aRS)與一種微生物修復基質(MRS,成分:33%咖啡粉、33%椰殼、34%秸稈)混合后加入到種植番茄土壤中,發現aRS+MRS處理的番茄植株比未處理植株的疾病指數約降低88.89%[87]。此外沃氏葡萄球菌(Staphylococcus warneri)、哈茨木霉(Trichoderma harzianum)、灰銹赤鏈霉菌(Streptomyces griseorubiginosus)也被證實對青枯雷爾氏菌有拮抗作用[88-90]。從環境友好角度來說,上述微生物菌劑是化學農藥的第一替代品,其既具有專一性、低毒性,又能保障農業可持續發展、提高農業生產活動效率與質量[68],但許多微生物菌劑僅能起到預防作用,對已發生土傳病害的植物(作物)效果甚微[91],而且實際農業生產過程中為使生防菌株快速定殖于土壤,一般是將其與肥料混合后再施入土壤。前文提到的B. subtilis與B. amyloliquefaciens需要與液體生物肥料一并施用于作物;Boonraeng等也是將MRS作為基質與aRS混合[86-87]。因此,生物防治方法目前仍無法做到即插即用,所以研究防效持久的青枯病微生物菌劑仍是一個待解的難題[3]。

2.2?生物炭防治

為保證全球尺度下生產活動的品質、衍生品數量提高的同時,環境質量也得以改善;生物炭逐漸成為實現經濟目標、滿足生產力、可持續發展的輔助工具[92]。生物炭是生物質在完全或部分缺氧的條件下經熱解、烘烤或氣化得到的一種穩定、高度芳香化的固體木炭類材料[93-94]。在諸多報道中,生物炭兼具農業防治與化學防治的雙重功效,其通過自身特性可以提高土壤有機質含量與養分利用率,同時能夠使土壤比表面積擴大,吸附能力、保水保肥能力進一步增強[95-96],尤其是吸附能力,生物炭可以吸附植株根際的青枯雷爾氏菌從而減少其在根際的定殖數量[40];相關研究表明,生物炭可以改善土壤理化性質及微生物群落結構。Zhu等將秸稈生物炭添加到熏蒸后土壤中60 d后發現土壤細菌總數恢復到熏蒸前水平[97];Gao等將生物炭與土壤按1 ∶?50(質量比)混合,再接種青枯雷爾氏菌1×108 CFU/mL 到土壤與植株根系,7 d后,發病程度遠低于CK(土壤未混入生物炭),Flavisolibactor、Ohtaekwangia、Proteobacteria、Bacteroidetes、Nitrospirae、Gemmatimonadetes等微生物的相對豐度高于CK,這與Cao等的研究結果[10,52]類似;Medeiros分別用以木薯皮、豆秸稈、甘蔗秸稈、玉米秸稈為原材料的生物炭與沙土混合后,種植番茄后接種青枯病病菌,發現4種生物炭對青枯病均有抑制作用,其中豆秸稈與玉米秸稈生物碳處理土壤青枯病發病率最低,青枯雷爾氏菌的活性也顯著下降[98]。相關研究表明,生物炭還可以改善土壤酸堿度與土壤中聚合物、羧酸的資源利用率促進土壤有益菌群的生長以防控青枯?。?9-100]。綜上所述,生物炭不僅具有成本低廉,來源廣泛的優點[94],而且生物炭可以調節根際微生物群落結構,富集有益微生物,促進土壤微生態健康發展,同時減少青枯病的發病率(圖2)[52,101-102]。

3?結論與展望

青枯病是全球集約化農業發展下的巨大隱患。明晰青枯病這類土傳病害的防治措施(農業防治、化學防治、生物防治)與土壤相關因素(土壤礦質元素、理化特性、根系分泌物、酶活及微生物多樣性)對青枯雷爾氏菌侵染的影響,對構建防控青枯病的理論體系與策略方針具有實際意義。在可持續農業發展進程中,可再生的生物炭也被廣泛用于土壤改良,其對青枯病的防效也與土壤質地(類型)、原材料和植物(作物)緊密相關;土壤免疫則是近年來提出的新概念,響應機制由土壤-根際微生態環境發出的信號啟動,然而關于青枯病的土壤免疫機制與途徑還未有相關報道。在當前全球變暖的氣候條件下,防治作物病害,保障作物健康是保證農業可持續發展的前提,未來需要不同學科交叉融合,

結合植物、土壤、微生物的相互作用去統籌規劃科學防治青枯病的方案:(1)探明全球變化(氣溫、人口活動)下,青枯病對當前農業生產影響的變化,研究對于青枯病最適宜的防控措施;(2)探明青枯病的土壤免疫機制,并研究在沒有外源干擾下,植株根際-土壤微生態環境受病原菌侵襲后的最大承載力;研究土壤多因素互作下增強土壤-根際免疫的途徑;(3)探討包括生物炭在內的土壤改良材料防控不同植物青枯病的適宜施用量的閾值,在理論研究的基礎上,也需要綜合考慮實際防控中環境條件的變化,明確土壤改良材料對植物(作物)施用量的“最優解”。

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