三七根系分泌物在连作障碍中的生态效应及缓解方法

李浩成， 左应梅， 杨绍兵， 杨天梅， 李纪潮， 杨维泽， 张金渝*

(1.云南中医药大学中药学院，昆明650500；2.云南省农业科学院药用植物研究所，昆明650200)

三七是五加科人参属植物三七Panaxnotoginseng(Burk.) F. H. Chen的干燥根和根茎，为我国著名中药材，主产于云南省文山州，具有散瘀止血，消肿定痛的功效[1]。现今市场上的三七均为人工栽培品。由于其生长环境独特，品种单一，连作障碍十分严重，道地产区文山州土地资源日渐缺乏，三七种植基地迁移甚远，严重影响了三七的产量、品质以及道地性[2]。因此，探究形成连作障碍的原因以及寻找缓解或克服的措施已刻不容缓[3-4]。

根系分泌物一般通过代谢和非代谢两种途径产生，初级代谢提供能量、物质和信息使植物正常生长和发育，非代谢途径所产生的根系分泌物和次生代谢产物是化感物质的重要组成部分[5]。这些化感物质会引起化感自毒作用，促使连作障碍产生。根系分泌物作为根际土壤中微生物重要的能量物质来源，其种类和数量与根际土壤微生物的种类和数量息息相关[6]。研究发现，植株连作后由于不断累积的根系分泌物和残株降解物产生的自毒物质使根际土壤的微生物群落结构发生变化，土壤酶活性改变[7]。土壤酶活性的下降会阻碍三七吸收营养物质，使土壤中自毒物质的积累程度加剧，诱使三七连作障碍产生[8]。张锡洲等[9]研究发现，植物的根际环境与根系分泌物之间是相互作用的，一方面，植物所处根际环境的变化会影响根际分泌物的种类和数量，另一方面，根际分泌物也会造成根际环境的改变。因此，根系分泌物作为植物、土壤和根际微生物相互作用的媒介，在根际土壤中的分泌过程会使土壤理化特性和微生物群落结构改变，微生物群落的改变又会间接促使土壤酶活性的变化，最终使土壤微生态环境发生变化，其中的化感自毒物质会产生化感自毒作用，抑制植株的正常生长，这些因素在根际环境中共同形成的生态效应是三七连作障碍产生的重要条件。本文拟对现有三七根系分泌物在连作障碍中产生的生态效应及其对连作障碍产生的可能机理和缓解方法研究进行总结分析。

1 三七根系分泌物的种类

1.1 糖类和氨基酸

早期研究从植物的根系分泌物中鉴定出约10种糖和25种氨基酸，分别是土壤微生物主要的碳源和氮源，其数量和种类的变化会造成微生物群落结构在根际土壤中的改变，还会引起一些病原菌的化学趋向性响应，诱发连作障碍的产生。研究表明，化学趋向性响应是一些病原菌对寄主植物信号进行感应并侵入寄主的一种很重要的方式，而且这种化学趋向性响应会改变微生态环境，使菌体大量繁殖[16-17]。鞠会艳等[18]研究发现，经过一段时间的连作后，根系分泌的糖类物质会对大豆根际土壤中的尖孢镰刀菌(Fusariumoxysporum)、半裸镰刀菌(Fusariumsemiteetum)、粉红粘帚菌(Clonostachysrosea)的生长表现出低浓度促进、高浓度抑制的现象，而根系分泌的氨基酸则会显著促进它们的生长，这3种菌都是大豆在连作过程中发生根腐病的主要致病菌。安宁波[19]研究发现，D-阿拉伯糖、L-鼠李糖2种糖和赖氨酸、异亮氨酸、精氨酸、苯丙氨酸、半胱氨酸、甘氨酸6种氨基酸都可以使人参细菌性软腐菌对其表现出化学趋向性响应。在三七根系分泌物成分作用的研究中，其糖类和氨基酸类成分的作用未见报道，但通过对同属人参及其他作物的研究报道，可得知三七根系分泌物中的一些游离氨基酸和可溶性糖类应该也存在某种化学趋向性响应，致使三七连作障碍加剧[14]。

1.2 有机酸

在根系分泌物中，有机酸是非常重要的一种物质，分为芳香族酚酸类物质与脂肪族碳链有机酸，在植物-土壤-微生物的互作关系中起着重要作用[20]。研究发现，脂肪族类有机酸中的苹果酸可以明显地诱导青枯病病菌趋化运动，促使青枯菌在植物根部定殖，并且提高其侵染的活性[21]。芳香族酚酸类物质是有机酸中化感作用最强的，也是种类最多的一类化感物质，在连作障碍中发挥着重要的作用[22]。植物利用根系分泌酚酸类物质到土壤中的过程，是化感物质进入根际环境的一种重要方式。吴立洁等[12]研究发现，香豆酸、阿魏酸等6种酚酸类物质会影响三七的苗高、发芽率、根长等。向维[15]研究发现，邻苯二甲酸、硬脂酸、棕榈酸和苯甲酸对三七种子的萌发及其幼苗的生长具有毒害作用，而且浓度越大，作用越强。由此可见，酚酸类物质在各类植物的连作障碍发生过程中作用明显。

研究发现，三七根系分泌物中最主要的酚酸类物质有香草酸、对香豆酸、丁香酸、阿魏酸、硬脂酸、对羟基苯甲酸、邻苯二甲酸、苯甲酸、棕榈酸9种化学物质[15,23]。这些酚酸类物质对同为人参属的人参和西洋参也有显著自毒作用[24]。因此，三七根系所分泌的这些酚酸类物质对同样为人参属的三七也应该有着明显的自毒作用。由此推断，三七在连作过程中，植株可能通过根系不断向根际土壤中分泌酚酸类物质，并且随着连作时间的增长，分泌到土壤中的酚酸类物质越来越多，和三七残株降解及土壤微生物代谢产生的酚酸类物质共同在根际土壤中积累，严重抑制三七生长，促使连作障碍产生[23]。

1.3 皂苷类物质

皂苷类物质属于萜类化合物，一些具有生物活性的萜类化合物通过根系分泌进入到根际环境中，不但对其他植物产生化感作用，而且还会影响自身生长[25]。张爱华等[26]研究发现，人参二醇组皂苷、人参总皂苷、人参三醇组皂苷，以及人参皂苷Re、Rb族和Rb3对人参种子的发芽均有抑制作用，同时也会抑制幼根鲜重的增加，并且其抑制程度会随浓度的升高而增强。三七根系分泌物中的自毒性皂苷在三七连作障碍的产生中也具有重要作用。拱健婷等[27]研究发现，人参皂苷Rg1和 Rb1，三七皂苷R1这3种皂苷单体会抑制三七种子的萌发，而且人参皂苷 Rg1和 Rb1还会抑制三七的幼苗生长。游佩进等[28]研究发现, 人参皂苷Rh1在一定浓度下会抑制三七幼苗生长。由此可见，皂苷类物质也是一类关键的化感物质，同样会对三七的生长产生化感作用，从而引发三七的连作障碍。

1.4 黄酮类

三七植株中分离得到的黄酮类物质槲皮素被证实对其幼苗的生长会产生自毒作用，该成分属于三七的次生代谢产物，而对三七产生化感作用的化感物质也多来源于其次生代谢循环。因此，槲皮素在三七根系分泌物的化感自毒作用中，应该也具有不可忽视的作用[28-29]。同样从苜蓿种子及其根系所产生的分泌物中提取分离的黄酮类物质可以促进根瘤菌进行结瘤，而且植物中的类黄酮物质提取后，在进行化感试验时发现其可以抑制种子的萌发和细菌的生长[30]。

表1 三七根系分泌物的种类Table 1 The types of root exudates of Panax notoginseng

2 三七根系分泌物的作用机制

2.1 三七根系分泌物对土壤微生态环境的影响

2.1.1对土壤微生物群落结构的影响 在土壤的微生态系统中，微生物是重要的参与者，可以促进土壤中养分的循环和转化以及能量的流动[31]。因此，微生物对土壤微生态系统的可持续和稳定尤为重要[32]。根系分泌物在为根际环境中微生物的生存提供营养的同时，其中一些物质会使微生物的生长、繁殖、代谢等过程受到影响，改变群落结构，破坏微生态系统的稳定，导致植株连作障碍的产生和加剧。苑亚茹等[33]研究发现，根系分泌物中的糖类物质使土壤中的细菌数量显著增加，有机酸和氨基酸类物质使土壤中的真菌数量明显增加。三七根系分泌物中的游离氨基酸、可溶性糖和有机酸类等物质会使土壤中真菌和细菌的数量发生变化，改变根际土壤原始微生物结构。苗翠苹[34]研究发现，三七发生根腐病的根际土壤较健康对照细菌和真菌的数量都有明显增高，根际微生物群落结构发生显著变化，多种病原菌成为优势菌群。赵静等[35]研究发现，在三七重茬根际土壤中，与三七根系分泌物中相同的物质苯甲酸及其衍生物，对三七根腐菌表现为低浓度促进高浓度抑制作用。根系分泌物也会促进如尖孢镰刀菌等病原菌的生长，而且随着连作时间的增长，有益菌减少，病原菌增加，病原菌逐渐成为优势菌群，土传病害发生，植物和微生物之间的互作关系也发生改变，导致土壤肥力、植物健康状况以及生长发育受到影响[36-37]。

2.1.2对土壤理化特性的影响 细菌和真菌对微团聚体和大团聚体的形成和稳定均有重要作用。根际土壤中，低分子量根系分泌物种类和数量的变化会引起真菌和细菌种类和数量的变化，从而影响土壤团聚体大小的分布，而且高分子量根系分泌物粘胶质也会影响土壤团聚体的分布和稳定[38]。因此，植株分泌到土壤中的根系分泌物便间接地影响了土壤团聚体的形成与稳定，改变了土壤物理性状。刘莉等[39]研究发现，种植三七后的土壤胶粒、粉粒和粘粒减少，大的粗砂、中砂、细砂、砾石和粉砂增加，并且三七根冠部及其脱落的根缘细胞和根际微生物分泌的粘液与土壤产生粘结作用形成了土壤颗粒的团聚体，使土壤板结，导致透气性变差。而且根系分泌物中的有机酸以及以酸的形式出现的粘胶物质携带的羧基等酸性基团所释放的H+离子都会使土壤酸化，抑制三七吸收Ca、Mg、P等元素[9,40]。

2.1.3对土壤酶活性的影响 土壤的酶活性可以用来评判土壤肥力的好坏，在维持土壤系统的健康上起着重要作用[41]。简在友等[42]研究发现，三七种植后土壤中的磷酸酶、过氧化氢酶、淀粉酶、多酚氧化酶和蔗糖酶的活性降低。连作过的棉花土壤中多酚氧化酶、蛋白酶、过氧化氢酶的活性出现了先下降后升高的现象，这是因为连作后其根系分泌物以及残株降解物的累积所产生的自毒物质使生物群落结构改变，土壤酶活性受到抑制。随着连作时间的推移，生物适应了环境，使土壤酶保护容量和活性上升[7]。因此，三七连作后产生的根系分泌物使土壤微生物群落结构发生变化，抑制了酶活性，促使连作障碍产生。

2.2 三七根系分泌物对植株的影响

三七根系分泌物中的化感自毒物质会通过破坏植物细胞结构，影响植物的光合作用，干扰活性氧(ROS)和植物激素代谢水平等来影响植株，促使连作障碍的发生[43]。在水培条件下，用三七须根粉末处理，会使三七根尖细胞壁厚度增加，菌丝体出现在细胞内，随处理浓度和时间的增加，细胞发生皱缩乃至破碎，细胞中的细胞器结构受到严重破坏，经检测三七须根粉末中含有与三七根系分泌物中自毒皂苷相同的物质人参皂苷Rg1、人参皂苷 Rb1和三七皂苷R1[44]。植物生长所需的碳水化合物是由植物的光合作用产生的，当植物的光合作用受阻时，便会影响植物的生长[45]。随着三七轮作间隔时间的缩短，土壤中三七根系分泌物残留量增加，三七叶片中过氧化氢酶(catalase, CAT)和过氧化物酶(peroxidase, POD) 活性下降，三七植株长势变弱，光合能力下降，抗性降低[46]。作为植物体内非常重要的信号分子ROS，其对于植物的生长很重要，但也会造成植物细胞的损伤[47]。有研究表明，环境胁迫，会使细胞中ROS的数量增多，从而使细胞的膜脂以及细胞内的生物大分子被氧化，使细胞结构受到损害，影响细胞的正常功能[48-49]。CAT和POD是清除活性氧等生物自由基的主要保护酶，随三七轮作时间变短，CAT和POD活性下降，多余的活性氧不能得到有效清除，使着三七细胞受到损伤[46]。植物激素是一类很重要的物质，在植物的生长与抗逆过程中发挥着不可替代的作用，如果其代谢受到影响，便会影响植物的生长和对逆境的抵抗能力[50]。张秋菊[51]研究表明，如果将林地的土壤和人参的皂苷粉混合后去培养与三七同属的人参幼苗，便会使其叶片中的植物激素吲哚乙酸(IAA)和赤霉素(GA)的含量下降，而脱落酸(ABA)的含量升高。

3 三七连作障碍的缓解与防治

3.1 选育优良抗病品种

选育抗病新品种对解决和缓解三七连作障碍具有重要意义。丁艳芬等[52]研究发现，从云南省大理州南涧县无量山新挖掘的三七种源，连续不施化肥和农药种植多年，不仅没有显著的病害，而且品质优良。所以，选培优质抗病品种可以降低病害的发生率，缓解三七连作障碍，提高药材品质。

3.2 调节土壤微生物群落结构

3.2.1施用微生物菌肥 随连作时间增加，根系分泌物促使根际土壤中病原菌逐渐变为优势菌群。通过施用微生物菌肥可以促进有益菌群生长，使有益菌群代替病原菌群成为优势菌群，让微生物群落结构得到调节，减少土传病害的发生，从而缓解连作障碍。陈冲等[53]研究发现，苹果连作后有益细菌数量减少，有害真菌数量增多，通过施用重茬PK、重茬灵、净地菌、重茬净4种菌肥可以使土壤中放线菌和细菌数增加，真菌数减少，使土壤微生物环境得到有效改善，缓解了连作障碍。三七经过连作后，通过向土壤中施用微生物菌肥，促进有益菌群生长，使有益菌群代替病原菌群成为优势菌群，可以有效缓解三七连作障碍。

3.2.2引入拮抗菌和接种有益微生物 三七连作过程中，土壤中的病原菌是产生菌病的主要原因。可以通过在土壤中施入拮抗菌，或者加入有机物使原有拮抗菌的活性提高来抑制病原菌的活动；利用接种的有益菌来分解土壤中的有害物质并与病原菌竞争生存空间，减少病原菌，控制根系感染的程度；接种弱毒的致病菌株来提高幼苗的的免疫机能，形成生物屏障来抑制致病菌的发展等方法，可以有效缓解连作障碍[54]。有些有益菌还可以降解根系分泌物。喻国辉等[55]研究发现，Cellulosimicrobiumcellulans这种放线菌对大分子的有机物具有降解能力，还能降解苯甲酸、对氨基苯甲酸和苯丙烯酸等这些与三七根系分泌物相同的酚酸类物质。三七也可以通过施用C.cellulans等有益菌来降解酚酸类、皂苷类等三七根系分泌物，达到缓解三七连作障碍的目的。

3.2.3对土壤进行消毒处理 土壤消毒技术主要分为物理、化学和生物消毒技术[56]。物理消毒技术主要利用高温杀死土壤中的病原菌等有害生物。连作后的土壤通过高温煅烧以及日光消毒等物理消毒技术，可以有效减少连作产生的化感物质，控制病原真菌、细菌、线虫和杂草等有害物种，增加有益菌群数量和土壤肥力，有效缓解连作障碍[57]。但高温消毒会使所使用的塑料薄膜等物品产生有毒物质，严重污染环境，高温环境还会使土壤有机质等营养物质完全分解，有益微生物全部消灭，对土壤理化结构的稳定和微生态环境的构建也有着一些负面影响。化学消毒技术主要使用化学土壤熏蒸剂对土壤进行熏蒸处理，以达到消毒的目的。化学消毒剂溴甲烷因危害臭氧层而被禁用，登记在册的化学消毒剂威百亩、氯化苦等虽对细菌、真菌、杂草和线虫有较好杀灭效果，但存在一定暴露风险[58]。生物消毒技术主要使用菊科或者十字花科植物残体所产生的毒气对土壤进行熏蒸，杀死病原菌和害虫[56]。通过对三七连作土壤进行火烧、高温蒸汽处理等物理消毒和化学试剂、毒气熏蒸等化学及生物消毒，三七连作土壤中的病原菌、线虫、杂草等有害菌群及物种能得到有效杀灭，土壤中的速效钾和有机质含量增加，土壤理化性质得到改善，可以很好地缓解三七连作障碍，但这三种消毒方法不能消除连作土壤中的化感物质，在杀灭病原菌的同时也会对有益菌产生影响，而且化学试剂熏蒸处理还会加大土壤中的农药残留[59-61]。所以，在进行三七连作土壤消毒时，尽可能调试好化学试剂的剂量比例，减少农残，在消毒结束后，向土壤中施用一些有益菌剂，补充土壤中有益菌群数量，并结合其他方法，使其对三七连作障碍的缓解效果达到最好。

3.3 改善土壤理化特性

3.3.1施用土壤改良剂 在种植前施用土壤改良剂，改善土壤养分及理化性状，对连作障碍的缓解有着重要作用。肖慧等[62]研究发现, 用草木灰对三七连作土壤进行处理后,可以使三七根系更好地生长，使其须根数增加，对水分、养分的吸收得到提高，同时可以疏松土壤，调节土壤酸化程度。周丽靖等[63]研究发现，在百合的连作土壤中添加生物炭，土壤中有机质、有效钾、碱解氮和有效磷的含量增加，根系活力、土壤酶活性、有益菌的丰度得到了提高，致病菌的丰度下降。土壤改良剂的添加，使连作中由于化感物质的化感作用所产生的不利影响得到了有效地控制和改善。

3.3.2合理轮作和加强田间管理 通过轮作可以减少过剩养分，补充亏缺养分，缓解因连作造成的土壤养分比例失调，使土壤养分得到充分利用，土壤微生物群落结构和理化特性得到明显改善，土壤酶活性得到提高，有效地消减了连作障碍[64]。轮作植物的选择不同，对三七连作障碍的缓解效果也不同。王雄飞等[65]研究发现，在与三七的轮作过程中相对于小麦、油菜等植物，玉米对三七种植产生的化感作用耐受性更强，更适合和三七轮作。加强规范化的田间管理，在种植前彻底清除土壤中的前茬残株，断绝其对后茬三七的化感作用，对于缓解连作障碍也至关重要。

3.4 提高土壤酶活性

如前所述，通过施用生物炭类土壤改良剂对土壤酶活性的提高有一定的作用。轮作通过种植其他作物，使土壤养分结构和理化特性得到改善，改变了土壤的微生物区系，使菌群结构的组成发生变化，间接地提高了土壤酶活性。

4 总结及展望

各国学者针对三七连作后所产生的根系分泌物，主要研究了其大概的种类，其中自毒物质的自毒作用，以及其对植株、微生物群落结构、土壤理化特性的影响，虽然找出了一些有意义的规律，并得出了一些结论。但至今为止，研究都停留在对单一因素的研究。三七根系分泌物中造成连作障碍的具体物质还不是很清楚，其在三七连作障碍中的生态效应及机制研究的还不够透彻。三七连作障碍的产生，可能是三七根系分泌物中自毒物质或其他途径所产生自毒物质的自毒作用加之农药化肥的过度施用，从而造成土壤理化特性改变，土壤微生物群落结构改变，土壤酶活性改变等一系列土壤微生态的劣化造成的。

连作障碍的缓解和防治措施主要有选育优良抗病品种、土壤消毒、施加土壤改良剂、施加菌肥、合理轮作、引入拮抗菌和接种有益微生物等。但大多仍处于试验阶段，部分有效的化学措施对环境的破坏较大，而后期对土壤的生物处理也只能达到缓解的作用，不能完全克服连作障碍。因此有必要从源头出发，即第一轮种植时就要注意如何减少对土壤微生态破坏的角度，来探讨如何克服或缓解三七连作障碍，探讨三七根系分泌物对土壤的生态效应，就显得尤为重要。为了找出三七根系分泌物在三七连作障碍中的作用，必须研究总结诸多因素的作用，以及各因素之间的内在联系。开展三七盆栽、大田试验，向根际土壤中添加已确定最适化感浓度的三七根系分泌物来模拟三七的根际环境，通过测量全钾、全磷、全氮、全硫、有效钾、有效磷、有效氮、有效硫等指标，来了解三七根系分泌物对三七根际土壤理化性状的影响；利用llumina MiSeq高通量测序分析技术对土壤微生物进行检测和分析，确定三七根系分泌物对三七根际土壤微生物群落的改变特点；测定三七根系分泌物最适化感浓度下三七植株抗逆性酶、光合作用等的变化；结合所有相关因素来综合探究三七根系分泌物在植物—根际土壤—根际微生物中的作用，找出三七根系分泌物对土壤的生态效应机制，为从源头寻找缓解和克服三七连作障碍的新方法提供理论依据。