人参化感自毒作用与连作障碍机制研究进展△

王梓，李勇，丁万隆

(中国医学科学院 北京协和医学院药用植物研究所，北京 100193)

·综述·

人参化感自毒作用与连作障碍机制研究进展△

王梓，李勇，丁万隆*

(中国医学科学院 北京协和医学院药用植物研究所，北京 100193)

本文在阐述连作障碍的概念、危害及其与化感效应关系的基础上，结合最新研究进展，从根际土壤环境、植株生长代谢和基因调控三个层面对人参连作障碍的成因和自毒作用机制进行分析，并进一步指出了对人参化感自毒作用分子机制深入研究的途径。

人参；连作障碍；化感自毒；分子机制

连作障碍是指在正常栽培管理措施下，同一块地连续种植相同作物会造成产量下降、品质变劣、生长不良、病虫害加剧等现象。据统计，约70%根类药材都存在着不同程度的连作障碍问题[1]，如地黄[2]、丹参[3]、三七[4]、黄连[5]、当归[6]、西洋参[7]等，这严重制约了我国中药产业的可持续性发展。

1 人参连作障碍的危害

人参PanaxginsengC.A.Mey.为五加科多年生草本植物，我国传统名贵中药材，有“百草之王”的美誉。人参主产于中国和韩国，朝鲜、日本及俄罗斯也有分布，其中我国产量最大，产区主要集中在东北三省，约占全国总产量的85%，占世界人参产量的61%[8]。人参连作障碍问题十分突出，不能重茬连作，重茬会使人参须根脱落、主根表皮呈红褐色、病害多发、长满病斑，使其不论表观品质还是内在品质都显著下降[9]，严重时甚至造成绝收。以往研究表明，老参地的恢复需要20～30年甚至更长时间。为了继续发展人参产业，许多参农都采取了“伐林栽参”的生产方式，这对产区林地资源及其生态多样性都造成了非常严重的破坏[10]。因此，深入开展人参连作障碍作用机制相关研究，通过更合理手段缓解人参连作障碍造成的危害，对于提高人参的产量、品质及保护生态环境具有重要意义。

2 人参连作障碍的原因

研究发现，微生物种群-土壤理化性质-化感自毒物质之间的相互作用是造成人参连作障碍的主要原因[11]。人参栽培土壤中微生物种群结构变化是导致土壤生态功能紊乱以及连作障碍形成的关键因子，而人参栽培生长年限能够显著影响根际土壤中微生物的种群结构[12]。李勇等[13]通过对人参栽培土壤中微生物种群遗传多样性的研究发现，人参根系分泌物对土壤微生物的定向选择压力可能是造成土壤微生物种群结构变化的主要原因之一。高群等[14]发现，真菌数量与人参生长年限成正相关，即人参生长年限越长，土壤中真菌数量越多，且有害真菌的种类和数量明显增加。

随着人参栽培年限的延长，土壤的比重、容重增大，总孔度减少，物理性黏粒增加，造成土壤板结，透气透水性变差，同时土壤中的有机质被大量消耗，营养供应失衡，土壤趋于酸化，影响人参的正常生长。金慧等[15]研究发现，栽参过程中，土壤中代换性盐基的含量会逐渐下降，而代换性氢的含量会上升，腐殖质和有效磷的含量会减少，土壤结构发生恶化。于德荣等[16]通过对新林土、老参地土壤微量元素的测定发现，随着栽培年限的增加，硼、锰、铁、锌的含量逐年下降，而这些微量元素的缺失会导致人参抗病性减弱、新陈代谢失调、生长发育受阻，最终引起人参的生理性病害。

人参在栽培过程中会向环境中释放次生代谢产物，随着栽培年限的增长，这些次生代谢产物在土壤中逐渐积累，达到特定浓度时，会对人参正常生长产生化感自毒作用。陈长宝等[17]通过研究证实，人参根际土壤提取物对人参种子发芽有明显的抑制作用，对人参根的伸长也有极显著影响；用甲醇提取法对人参根际土壤中具有生物活性的成份进行分离鉴定，发现参地土壤中含有促进人参病害发生和抑制人参生长的自毒性物质[18]。李勇等[19]研究发现，人参根际土壤提取物对人参种子胚根、胚轴的生长有明显的抑制作用，化感效应表现为人参根际土>老参地土>新林地土。化感物质对人参主要活性成分人参皂苷的含量也有显著影响。研究表明，自毒物质对人参幼根皂苷的合成和积累有显著影响，用酚酸类化合物处理人参幼根能够显著降低其中的皂苷含量[20]。黄小芳[21]收集水培人参根系分泌物，并利用气质联用(GC-MS)对其化学成分进行鉴定，发现其中多种成分对土壤中致病菌的生长和繁殖有促进作用。由此可见，人参的化感自毒作用是导致土壤微生物种群结构、理化性状变化，从而引起连作障碍的主要原因之一。

3 人参的化感自毒作用

3.1 人参化感自毒物质的种类

化感物质是研究植物化感自毒作用的核心，供体植物释放的化感物质可以通过挥发、淋溶、根分泌和残茬降解等途径进人环境中，进而对周围受体发生作用[22]。研究表明，植物释放的化感物质主要是乙酸途径、莽草酸途径或两个途径相结合产生的一些次生代谢产物[23]。Rice将化感物质分为醌类；简单的不饱和内酯；丹宁；水溶性简单有机酸、脂肪醛、醇和酮；氨基酸和多肽；肉桂酸及其衍生物；香豆素类；嘌呤和核苷；简单的酚、苯甲酸及其衍生物；萜类及甾族化合物；黄酮类；生物碱和氰醇；糖苷硫氰酸酯；聚乙炔及长链脂肪酸；其他化合物，共15类。其中酚类和萜类是高等植物的主要化感物质[24]。有研究分析发现，人参根际土壤提取物中含有有机酸类、苯酚类、酯类、醇类、萜类及其衍生物等多种物质[18-19]。

3.2 化感自毒物质的作用机制

大量研究表明，化感自毒作用是造成人参连作障碍的主要原因之一，但化感物质对人参造成毒害的机制尚不明确。本文结合前人对人参及其他植物化感自毒作用的研究，认为化感物质对植物的作用机制主要表现在以下几个方面。

3.2.1 化感自毒物质与土壤微生态环境 土壤生态环境十分复杂，植物根系分泌、地上部淋溶、植物残渣腐解等造成植物根际存在多种化合物，上述物质对土壤营养物质的有效形态、土壤微生物种群结构具有显著影响。人参根系分泌物中含有大量的有机酸类、酚酸类和苷类等物质，上述物质的积累会造成土壤的酸化，进而导致土壤微生物群落结构改变，同时对土壤矿质元素转化和吸收效率、土壤理化性状等也有很大影响[25]。陈龙池等[26]研究了化感物质香草醛和对羟基苯甲酸对土壤养分的影响，发现二者降低了土壤有效氮和有效钾含量，增加了土壤有效磷含量。

土壤中寄居着大量细菌、放线菌、真菌、线虫和病毒等微生物，它们对土壤肥力形成、植物营养转化起着非常重要的作用。土壤微生物的种类、数量和活性是判断土壤活力的重要指标，而自毒物质在土壤中的积累，会造成土壤微生物群落结构逐渐由细菌型向真菌型过渡，群落结构趋于简单，使微生物间的动态平衡遭到破坏[27]。根系分泌物中的氨基酸、多糖等物质能够提供病原菌微生物生存所必需的碳源和氮源，对病原菌孢子的萌发有明显的促进作用，有利于病害的发生[28]。李勇等[29]在研究根系分泌物对人参病原菌的化感效应时发现，苯甲酸、邻苯二甲酸二异丁酯等根系分泌物质在低浓度时对人参致病菌及木霉菌菌落的生长及孢子萌发有促进作用，某些化合物甚至在中、高浓度时的促进作用比低浓度处理还显著。

3.2.2 化感自毒物质与植物生理 化感物质可使植物细胞膜透性增强，选择透过性降低，电解质外渗，导致细胞保护系统受到破坏。余叔文[30]发现，酚酸类物质能使大麦根细胞膜透性增加。黄瓜根系分泌物和根部提取物能够促进黄瓜根细胞的离子渗出，并导致黄瓜根中丙二醛(MDA)含量升高[31]。龙期良[32]用人参化感自毒物质苯甲酸处理植株后发现，人参叶片MDA含量显著高于对照，说明细胞膜可能已被破坏；其次，叶片中脯氨酸含量迅速上升。另有研究发现，自毒物质还导致植物根细胞器异常，阻碍根细胞分裂，导致胚根伸长受到抑制。此外，化感物质还对植物矿质元素、水分吸收、酶活性以及植物激素水平产生影响。Booker等[33]发现，阿魏酸和其他酚酸类物质能够降低黄瓜对矿质元素和水分的吸收。吕卫光等[34]研究发现，对羟基苯甲酸、苯丙烯酸能够抑制黄瓜根系脱氢酶、硝酸还原酶、超氧化物歧化酶活性，并随着处理浓度增加抑制作用明显增强。黄小芳等[35]研究了化感自毒物质对人参根系酶活性的影响，发现苯甲酸能抑制人参幼苗根系过氧化物酶活性，促进过氧化氢酶活性。此外，人参根际土壤提取物被发现能抑制人参种子淀粉酶的活性，降低淀粉水解速率，使种子萌发、幼苗生长过程中物质和能量供应不足，进而抑制幼苗正常生长[17]。刘秀芬等[36]发现，阿魏酸能促进生长素、赤霉素和细胞分裂素积累，并导致脱落酸含量升高。陈长宝等[37]用参根际土壤提取物处理人参的愈伤组织发现，处理组的内源生长素(IAA)的含量显著低于对照组。还有研究报道，化感物质对植物光合作用和呼吸作用有较大影响。化感物质会增加气孔扩散阻力使气孔关闭，减少叶绿素含量，降低叶片水势，使三磷酸腺苷酶(ATP)活性受损，阻碍电子传递，最终导致植物光合速率下降[38]。最后，化感物质会通过抑制氨基酸运输、蛋白质合成而影响植物生长。据研究报道，很多酚酸物质都能够抑制磷与DNA、RNA结合，从而影响核酸和蛋白质合成[39]。

3.3 化感自毒作用与基因表达调控

化感自毒作用实际上是非生物胁迫的一类，必然会引起植物体内特异基因的响应，使某些本来表达量较低的基因被启动，某些正常表达的基因被关闭。如果能针对这些胁迫响应基因进行筛选和研究，将有助于阐明其表达产物在代谢途径中的生物学功能，从而为揭示化感自毒作用的分子机制提供参考依据。转录组学是一门通过在RNA水平上研究生物体中各基因的转录情况及其调控规律来阐述基因功能的科学，可定量分析生物体在受到外界环境影响时不同组织间各个基因的表达量变化。在植物响应逆境胁迫的分子机制研究中，转录组学可用于分析对照组和逆境处理组基因的表达差异，从而筛选得到抗逆相关的新基因[40]。Wu等[41]利用高通量测序技术构建了人参根、茎、叶、花miRNA转录组数据库，分析得到大量与环境胁迫相关的miRNAs。Sathiyaraj等[42]在人参ETS数据库中选取抗氧化基因并进行标记，在非生物胁迫处理后构建了转录组数据库，结果表明，其中相关基因显著上调、下调，阐述了这些基因在植物抗性调节机制中的作用。Subramaniyam等[43]对茉莉酸甲酯处理后的人参不定根进行转录组分析，筛选了人参在茉莉酸甲酯胁迫下的胁迫相关基因及人参皂苷合成途径相关基因。转录组测序目前已成为基因差异性表达检测以及发现新基因的主流技术。本课题组基于转录组学方法，运用高通量测序技术，开展了对自毒物质苯甲酸胁迫下人参差异性表达基因的研究，构建了人参在苯甲酸胁迫后不同时间点的转录组数据库。利用生物信息学方法对转录组数据进行组装和分析，获得了3697个上调、2828个下调表达的基因。对这些基因进行功能注释，发现其中上调表达基因主要是抑制酶活性基因、果胶酯酶基因、活性氧基因、过氧化物酶基因、超氧化物歧化酶基因以及MYB、WRKY等转录因子，而下调表达基因主要集中在细胞壁合成、离子结合、次生代谢及人参皂苷生物合成等过程[44]。通过构建基因文库及初步应用，为进一步筛选调控人参响应自毒物质苯甲酸的关键基因提供了理论依据，也为后期进一步揭示人参化感自毒作用分子机制奠定了基础。

4 展望

连作障碍和化感自毒作用一直是国内外植物生态学领域的研究热点，其中针对大田作物和经济作物的研究报道较多，而针对药用植物的化感作用研究相对较少。药用植物合成的次生代谢产物遍布植物多个器官，因此更容易发生化感自毒作用及连作障碍。人参连作障碍在药用植物中较为突出，目前，针对人参连作障碍问题，曾经用轮作、土壤灭菌、添加有机肥及绿肥等途径来解决，但效果均不理想[45]。说明人参连作障碍问题的成因十分复杂。在现有研究基础上，今后可从以下几方面继续开展研究：一是深入研究化感物质之间的相互作用关系。尽管目前已从人参根际土壤提取物中分离、鉴定出多种化感自毒物质，但上述化感物质在连作障碍中的角色关系尚不明确。现有研究多以单个化感物质为研究对象，忽略了化感自毒物质间的协同作用；二是研究人参化感自毒物质的代谢途径与释放过程。化感作用产生的原因十分复杂，化感自毒物质形成、供体植株释放、受体植物接收并产生变化涉及到生理代谢、信号转导、分子响应等多个过程，明确化感自毒物质的来源，并进一步明确其在植物体内、根际土壤环境中的传递方式及作用机制，才能更有效地改进缓解措施；三是继续针对化感自毒物质的分子调控机制开展研究。通过分析化感自毒物质诱导下人参转录组数据差异，已发现大量与人参生长发育、抗病抗逆等密切相关的差异表达基因，但目前对转录组数据的挖掘还不够深入，对响应化感自毒物质的信号通路尚不明确，需要我们继续研究化感自毒物质在人参中的信号转导途径及其分子作用机制，进而针对性地提出人参化感自毒作用及连作障碍缓解措施。

对化感自毒作用的深入研究将有助于人参连作障碍问题的解决，从而改良人参栽培方式、创造更多的经济价值，同时也有助于实现土地、林地资源可持续发展。此外，人参化感自毒作用机制研究结果对于克服人参属药用植物的连作障碍(如：西洋参、三七等)也有着十分重要的指导和借鉴作用。

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AdvancesinAllelopathicAutotoxicityandContinuousCroppingObstacleofPanaxginseng

WANG Zi，LIYong，DINGWanlong*

(InstituteofMedicinalPlantDevelopment，ChineseAcademyofMedicalSciences&PekingUnionMedicalCollege，Beijing100193，China)

This article illustrated the concept，the harm of continuous cropping obstacle and its relationship with allelopathy ofPanaxginseng.Then，combined with advances on plant allelopathy，the development of ginseng continuous cropping obstacle and the mechanism of autotoxicity were discussed from rhizosphere soil environment，plant growth and metabolism，gene expression and regulation etc.Furthermore，further research approach on molecular mechanism of ginseng allelopathic autotoxicity was elucidated.

Panaxginseng；continuous cropping obstacle；allelopathic autotoxicity；molecular mechanism

国家自然科学基金项目(81373911)；中国医学科学院医学与健康科技创新工程(2016-I2M-3-017)

] 丁万隆，研究员，研究方向：药用植物栽培及病虫害防治相关研究；Tel：(010)57833360，E-mail：wlding@implad.ac.cn

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.7.029

2016-10-31)

*[