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菌根生物技术克服设施蔬菜连作障碍浅析


菌根生物技术克服设施蔬菜连作障碍浅析
菌根是自然界中土壤中植物根系与真菌所形成的一种互惠共生体。 菌根真菌 一端伸入到植物根系中,另一端伸入到土壤中。共生真菌主要从寄主植物中获取 碳水化合物和其他营养物质, 而寄主植物也可以从共生真菌那里获得无机营养和 水分。目前依据菌根真菌在植物体内的着生部位和形态特征可分为内生菌根、外 生菌根、内外生菌根。丛枝菌根是一种常见的内生菌根,其真菌菌丝在土壤中形 成根外菌丝网,侵入皮层的孢间菌丝经过连续的双分叉式的生长,最后在菌丝顶 端形成许多树状结构的丛枝, 部分真菌在菌丝顶端膨大形成类似口袋状结构的泡 囊。 丛枝菌根真菌对植物具有广泛的侵染性, 世界上约 90%以上的维管植物都可 与丛枝菌根真菌形成“菌根”(arbuscular mycorrhiza,简称 AM)[1]。 近年来,人们对 AM 菌根生物技术研究的深度和广度进一步提高,AM 菌根 真菌与寄主植物之间相作用机制研究的不断深入,越来越多的研究证明,AM 真 菌在提高植物的抗逆性和抗病性、维护植物健康方面发挥着关键作用,这些研究 结果为 AM 菌根生物技术在克服设施蔬菜连作障碍中的应用提供了新的思路。 1 设施蔬菜主要连作障碍 设施蔬菜是一种高度集约化生产方式。随着农业产业结构的调整,中国设施 蔬菜栽培面积不断扩大。 但由于耕地数量、 气候条件的限制及对高产高效的追求, 导致设施蔬菜多年连续种植, 土地难以做到轮作倒茬, 土壤有害微生物不断积累, 土传病害逐年加剧。随着工业污染和化肥使用不当等原因,加上设施条件下土壤 得不到雨水淋洗,从而导致设施内土壤逐渐次生盐渍化,土传病害和土壤盐渍化 是设施蔬菜主要连作障碍,蔬菜种子的发芽、根系的吸水吸肥均不能正常进行, 蔬菜产量和品质下降,严重影响了设施蔬菜生产的可持续发展,设施蔬菜连作障 碍问题亟待解决。多年来,国内外许多专家学者都在寻找安全、高效、持久治理 设施蔬菜连作障碍的有效途径,但至今尚未找到根治连作障碍的方法。轮作和间 套作在保护地生产上通常难以做到;茄果类嫁接防病技术,虽然对土传病害有一 定的防效,但嫁接苗对蔬菜的品质有一定影响;太阳能消毒可有效的杀灭土传病 原菌,但同时也杀死了土壤中的有益菌群;化学药剂防治,有一定的防效,但也

杀死了大量有益微生物,破坏了土壤生态平衡,且化学药剂不同程度的污染了环 境和产品,同时促进了病原菌抗药性的产生;传统的生物防治,常造成将拮抗菌 进入土壤后生存竞争能力远低于土壤习居菌,不能很好定殖,导致防治失败。 2 AM 菌根与植物土传病害的关系 AM 菌根与植物真菌性病害的关系一直为人们所关注。多数研究结果证明 AM 菌根可以提高植物的抗病性。郝永娟等[2]在研究 AM 真菌对黄瓜生长和枯萎 病的影响时发现,AM 菌根能减少枯萎病菌在植株根系及根围土壤中的数量,抑 制镰刀菌的侵染,降低黄瓜枯萎病的发病率,在感病品种上的效果尤为明显。 Cordier 等[3]研究了接种 AM 真菌后番茄对晚疫病的抗性,结果发现接种 AM 真 菌漏斗孢球囊霉后, 对番茄晚疫病有一定的防效, 且防效与病原的接种时间有关; Slezack[4]等研究发现漏斗孢球囊霉与豌豆丝囊根腐霉的接种顺序同样会影响 AM 真菌的防效。 优先接种 AM 真菌摩西球囊霉可以减少番茄枯萎病菌对番茄的 危害[5]。刘润进[6]等研究表明,AM 真菌中球囊霉属的聚生球囊霉、幼套球囊霉、 大果球囊霉、 珠状球囊霉和美丽巨孢囊霉等都能不同程度地减轻腐霉属、 疫霉属、 镰刀菌属、丝核菌属、根串珠霉属的病原真菌对菜豆、洋葱、烟草、草莓等引起 的土传病害。李敏[7]等在研究 AM 真菌与西瓜枯萎病关系时发现,AM 真菌能使 西瓜根围及根内镰刀菌群体的数量及枯萎病的发病率和病情指数显著降低。 李树 林等[8]研究 AM 真菌对茄子黄萎病的影响结果表明, 接种 AM 真菌降低了茄子黄 萎病的发病率。 关于 AM 真菌对线虫作用的研究国外多有报道,中国在这方面的研究起步 较晚,且以番茄南方根结线虫研究为多。Pinochet 等[9-10]研究表明 AM 真菌可以 减轻由南方根结线虫、根腐线虫、穿孔线虫等线虫引发的病害。Ratti 等[11]的研 究结果表明,对薄荷接种 AM 真菌漏斗孢球囊霉使南方根结线虫的密度显著降 低。Elsen 等[12]在研究 AM 真菌对感病性不同的香蕉品种抗线虫病害的影响时发 现,接种漏斗孢球囊霉可明显抑制线虫在香蕉根中的定殖,从而减轻咖啡根腐线 虫对植株根系造成的危害。王艳玲等[13]研究了 AM 真菌对番茄根结线虫的影响, 结果发现,接种 AM 真菌漏斗孢球囊霉后,菌根化的番茄植株根部线虫的侵染 率显著降低。 3 AM 菌根与植物耐盐性的关系

许多现象都表明,在盐胁迫下,接种丛枝菌根菌能促进植物的生长[14-16],提 高植物的耐盐性[17-22]。A1-karaki[14]的研究表明,在不同盐浓度压力下,菌根化 植株地上部和根的干重以及叶面积均大于非菌根化植株。Duke 等[23]采用分根培 养法,分别给柑橘的一半根和全部根接种,在不同水平的 NaCl 胁迫下,无论部 分还是全部根系接种菌根菌,植株干重及含磷量均高于不接种处理,而脯氨酸含 量则低于不接种处理,表明在盐胁迫下,AM 菌根提高了植株对磷元素的吸收。 冯固[24]等研究了不同 NaC1 水平下,接种 AM 真菌对棉花、玉米、大豆、甜瓜耐 盐性的影响,结果表明,接种后植株生物产量比对照产量均有不同程度的增加。 在莴苣[24-26]、黄瓜等植物上都获得了类似的结果[27]。这些研究结果表明,盐胁 迫下菌根菌促进了植物的生长,菌根化的植株提高了植物的耐盐性,而且随着土 壤中 NaCl 水平的提高,菌根菌对植物生长的促进作用也增强了。 4 4.1 AM 菌根提高植物抗病、耐盐作用机制 提高植物对营养元素的吸收,促进植株体内元素平衡 AM 真菌能够通过调节植株体内的离子平衡,降低有害盐离子的相对含量, 提高 P、Zn 的含量,减轻盐离子对植株生理毒害作用。在低温、干旱、盐胁迫 和病原菌侵害等各种逆境条件下,会影响到植株对营养元素的吸收,导致营养失 调,抑制生长。菌根化植株可利用分布于土壤中的菌丝提高植物根系的吸收表面 积,同时根细胞内 AM 真菌的形成维持了根细胞的活性。通过这些方式使得受 逆境因子伤害的植物根系功能在一定程度上得到了改善, 促进了植株对水分和养 分的吸收,因而间接提高植株对生物逆境(病虫害)和非生物逆境(干旱、盐碱、 低温等)不良环境的抵抗能力。 4.2 改善植株吸水能力,增强植株耐盐性 改善植物吸水能力或提高水分利用效率,能间接提高植物的耐盐能力。盐渍 化土壤中可溶性盐分过多提高了土壤溶液的渗透压,降低了水势,导致植物水分 吸收困难,甚至出现体内水分外渗,造成生理干旱。AM 真菌菌丝体形成的菌丝 网,可以代替宿主植物的细根或根毛吸收水分和养分,扩大根的吸收面积,增强 植物对水分的吸收,缓解由盐胁迫引起的生理干旱。菌根通过改变水分代谢增加 植物体含水量或植物体细胞水势, 达到增强宿主植物耐盐性目的。 Rosendal 等[28] 研究发现,盐胁迫下,AM 真菌通过改变植物体内碳水化合物和氨基酸的含量和

组成,改变根组织中的渗透平衡,减少植物对 Na+和 Cl-的吸收,提高植物耐盐 能力。 Jindal 等[29]研究了不同浓度盐胁迫下 AM 真菌对豆科植物氮代谢的影响发 现,低盐条件下菌根化的豆科植物 Moong 在开花期叶片脯氨酸含量高于非菌根 化植株,AM 真菌通过影响植物氮代谢途径中的关键酶活性,提高植物对氮的吸 收能力,从而增加植株的耐盐性。在高盐条件下,菌根植株的叶片的含糖量高于 非菌根植株。 他们认为叶片脯氨酸含量增加是植物对盐胁迫的适应能力增强的表 现。Feng 等[30]研究表明,盐胁迫下 AM 真菌侵染使植物根系中的可溶性糖含量 明显提高,从而改变了根系渗透压,增强了植物根系抵抗盐害的能力。 4.3 改变植株根际微生物区系 植株根区真菌数量的减少使其受病原菌侵染的几率随之降低, 从而减轻植株 真菌病害。AM 真菌与植物形成的菌根共生体会使植株根际微生物种群在数量、 性质及空间分布上发生变化[31-33],根际微生物区系组成得以显著改善。菌根分泌 物引起土壤中原菌的游动孢子囊和游动孢子数量显著降低[34]。朱红惠等[35]利用 平板与 DGGE 相结合的技术证实,接种地表球囊霉的番茄根际细菌数量和 DNA 总量都高于对照,而对应的青枯细菌的数量却显著低于对照。AM 菌根通过改变 植物根际微生物环境和区系,增加有益微生物种群数量促进植物生长。 4.4 提高植株体内抗病、抗逆相关酶的活性 Ghorbanli 等[36]发现在盐胁迫下,菌根植物体内 SOD 酶和 POD 酶活性比非 菌根植物显著提高, 因而认为 SOD 酶和 POD 酶活性的增加也许是提高植物耐盐 能力的机理之一。Slezack 等[4]研究发现 AM 真菌可诱导寄主产生与抗性有关的 几丁质酶和 β-1,3 葡聚糖酶及其同功酶。Cordier 等[3]采用分根方法研究菌根化番 茄在受到寄生疫霉攻击的抗性反应时发现,未接种 AM 真菌的根系对侵入细胞 的病原也做出了相应的抗性反应;同时,在接种 AM 真菌的根系,含有 AM 真 菌的细胞对病原菌表现出明显的抗性, 而在只接种病原菌处理的非菌根化分室中 却没有观察到类似的反应。以上研究结果表明,菌根还可以激活植物体内酶的活 性,影响植物的代谢速率,从而影响植物的耐盐性和抗病性。大多数 AM 真菌 加强了菌根植物体内保护酶类的活性。 AM 菌根能提高植物的抗病性和耐盐性已被许多研究者证实, 随着分子技术 的发展,AM 菌根提高植物抗病、耐盐的作用机制也得到了更深入的了解[37],为

AM 菌根生物技术在克服设施蔬菜土传病害和土壤盐渍化等连作障碍中的应用 提供了可能。 5 问题与展望 AM 菌根生物技术对农业生产的重要性及其作用正日益受到人们的关注, 尤 其在盐碱、干旱、贫瘠的恶劣环境下,菌根作用更加显著。尽管国内的有关研究 起步较晚,且大多局限于实验室阶段,但近年来发展迅速。从目前国内外应用情 况看,除了十字花科蔬菜以及禾本科水稻以外,豆科、茄科、伞形花科蔬菜,禾 本科的玉米、小麦,所有果树及花卉都可应用 AM 菌根技术。鉴于 AM 菌根技 术在农业生态系统中分布的广泛性和其在抗病、抗逆中表现出的积极作用,可望 将 AM 菌根技术引入设施蔬菜的生产中。 AM 菌根技术的引入可以为设施蔬菜生 产中病害的防治、盐渍化土壤的改良利用寻求一条经济有效的途径。 在蔬菜育苗过程中进行幼苗接种,形成菌根化植株幼苗,可促进蔬菜幼苗抵 御各种生物逆境和非生物逆境等不良环境的伤害,促进设施蔬菜生产健康发展。 AM 菌根生物技术在设施 随着中国设施栽培面积的扩大和科学水平的不断提高, 蔬菜生产中必将会发挥越来越重要的作用。

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