连作模式下甜菜土壤微生物研究进展

崔汝菲，李 泰，王宇光

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）

0 引言

连作(Continuous cropping)指同一土地上连续多年栽培同种作物的农艺措施[1]。连作障碍，又称再植病害(Replant disease)[2]，是指连作后即使正常栽培管理也会对作物生长产生不利影响，使其出现产质量降低、病虫害加剧的现象[3]。连作障碍使土壤微生物群落失衡及其区系恶化，从而导致病原微生物数量增加，病虫害严重。国内外研究发现连作下黄瓜[4]、辣椒[5]、大豆[6]、棉花[7]、花生[8]、百合[9]以及茶树[10]等病害发病率增加，造成作物减产和经济损失，严重阻碍现代农业的可持续发展[11]。

甜菜(Beta vulgaris L.)是忌连作的直根系深根作物，属藜科甜菜属，作为世界第二大糖料作物[12]，其种植面积约占全球糖料作物种植面积的1/3[13]，且提供世界30%的糖产量。由于甜菜为直根系深根植物，因此，甜菜受连作影响较大。魏良民等[14]研究发现，甜菜连作4年糖度较单作下降6.5度，根产量较单作下降50%。连作导致甜菜根部病害严重，立枯病、根腐病等土传病害发病率随连作年限的增加而增加[14]。大量研究表明，连作会影响根际土壤微生物结构[15-17]，反过来，这种改变进一步加剧了连续种植障碍。因此，根际土壤微生物群落结构与连作障碍之间的关系引起了越来越多的关注。本研究综述甜菜连作下土壤微生物群落区系和根际微生态研究进展，以期为解决甜菜连作障碍提供理论基础。

1 土壤微生物

土壤具有丰富的微生物资源，是微生物种群最多元化的生态环境，被称为“微生物种子库”[18-19]。土壤微生物在生态系统中起着重要作用，是影响土壤质量、肥力和生产力的关键性因素，能够在某种程度上反映土壤的理化性质和养分组成[20-22]。土壤微生物以群落形式存在于土壤中，可促进重要养分的循环，影响植物的生长[23]。其是土壤养分转化的动力，可参与土壤有机质分解、腐殖质形成、土壤养分转化等过程，也是土壤生态系统稳定性和持续性的保障[24]。Kazuyuki等[25]研究表明甜菜地下组织（主根和侧根）微生物α多样性显著高于地上组织（叶片和叶柄），甜菜地上部分微生物群落主要受植物代谢影响，而地下部分微生物不仅受植物代谢影响，而且也受土壤因素影响。因此，研究根际微生物群落对连作甜菜有着重大意义。大量研究表明，造成连作障碍的重要因素是土壤微生物种群失衡及其区系恶化，其表现为土壤微生物群落中有益微生物减少，有害微生物增多，使有害微生物成为优势菌群的现象[26]。

刘来等[27]研究表明，连作使土壤微生物数量明显高于单作，且随着连作年限增加，土壤中细菌呈下降的趋势，而真菌数量显著増加，真菌/细菌比值增大，土壤生态系统稳定性降低。根际土壤微生物区系发生变化，从“细菌型”高肥力土壤转变为“真菌型”低肥力土壤，使有害微生物成为优势种群，从而导致连作障碍[28-32]。安玉兴等[33]研究发现随着甜菜连作年限增加，不同类群水平的微生物群落组成和根际土壤多样性发生了显著变化，病原微生物明显增加，从而加速土传病害的发生，严重影响甜菜产质量。

1.1 土壤细菌变化

在根际土壤中，土壤细菌数量最多、分布最广，在土壤生态系统中发挥着十分重要的作用。土壤细菌与植物互作在土壤的肥力、可持续性和植物生长发育中起着关键作用[34]。其对植物生长发育有着不同的作用，有些细菌为植物病原体，危害植物健康。而根际促生细菌(PGPR)[35]，可作为生物防治剂，促进植物生长[36-38]。Mark等[39]研究通过细菌与甜菜根系分泌物实验表明在根际微生态环境中细菌对于有益和病原微生物的定殖至关重要，并对植物健康产生相关影响。Rodrigo等[40]研究表明假单胞菌在土壤中对甜菜植株立枯丝核菌的抑制中起着重要的作用，且观察到细菌菌株在单独测试时缺乏对病原体的活性，当构成部分微生物群落可以协同作用，这进一步证明依靠微生物群落的特定成分来保护自己免受病原体感染。郑秀云等[41]研究表明重茬会降低土壤中有益细菌的丰度，产生有害细菌。杜秉海等[42]研究表明连作会降低有益细菌群落的多样性和丰度，并简化细菌群落功能，从而造成植物病害加剧、产量下降的现象。张子龙[43]等研究表明，连作使土壤微生物中固氮菌和分解菌数目减少，反硝化细菌数目增加，从而导致连作障碍影响植株正常生长。安玉兴[33]等研究发现连作甜菜土壤微生物优势细菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和酸杆菌门(Acidobacteria)，随连作年限的增加，假单胞菌(Pseudomonas)丰度呈现先增加后减少的趋势，芽孢杆菌(Bacillus)丰度呈下降趋势，而酸杆菌门丰度显著增加。这些研究都表明连作模式下根际微生物群落中细菌多样性和丰度显著下降，有益细菌减少而致病菌增加，从而影响植株生长。

1.2 土壤真菌变化

真菌是土壤微生物群落的重要组成部分，在土壤生态系统发挥着重要作用，是动植物的病原体和共生体[44]。根际是土传病原体与植物建立寄生关系的发生场所，病原体与根际微生物相互竞争。Emilie等[45]研究发现入侵的病原真菌直接或通过甜菜诱导根际细菌群落产生应激反应，导致微生物群落组成发生变化并产生拮抗性状。郑毅[46]研究认为土壤微生物中有益菌减少和病原菌增加是引起植物连作障碍的关键性因素。顾松松等[47]研究表明连作条件下，土壤微生物中真菌丰度较单作明显增加，由此推测土壤中真菌数量增加，导致连作障碍的发生。连作病害的致病菌大多是真菌，研究较多的真菌致病菌有镰刀菌属(Fusarium)、腐霉属(Pythium)、丝核菌属(Rhizotonia)、柱孢属(Cylindrocarpon)、疫霉属(Phytophthora)等[48]。连作增加了潜在致病菌尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)的相对丰度[49]，而其他有益菌（如青霉菌）的丰度降低[50]。魏丹丽[51]研究认为连作条件下三七栽植过程中微生物致病菌为真菌性病菌，发病率为5%～20%，严重时发病率更高。师桂英等[52]研究表明百合连作4～5年是真菌群落结构发生实质性变化的关键过渡时期，此时土壤真菌多样性丧失和结构简化，这对百合连作种植造成严重影响。有研究表明，造成甜菜种植产质量下降和经济损失的主要原因是真菌性病原微生物[53]。随着甜菜连作年限的增加，链格孢属、镰孢属和枝孢属丰度显著富集，与休闲土壤相比，甜菜连作根际土壤中的有益真菌毛壳菌明显较低，致病菌尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、立枯丝核菌(Rhicoctonia solani)丰度明显增加[33]。

2 根际微生态

在植物—土壤—根际微生物相互作用下形成了以植物为主体，根际为核心的根际微生态系统[54]。根际微生物组(rhizosphere microbiome)是植物根系与土壤环境在物理、化学及生物因素的共同驱动选择下形成的与根际相关的微生物组[55]。在根际微生态系统中，三者之间相互联系和制约，形成了一个层次分明的复杂整体。根际微生态对连作植物土壤微生物的影响主要包括以下两个方面，一方面使土壤理化性质变化，导致土壤某些养分匮缺，从而影响微生物种群丰度；另一方面连作植物根系产生化感效应，分泌根系分泌物，影响植物生长发育，对根系造成自毒作用，导致土壤微生物群落结构失调[56]。

2.1 土壤理化性质对土壤微生物的影响

土壤理化性质是衡量土壤质量的重要指标，连作导致土壤肥力降低、土壤结构退化，并且会扰乱植物生长发育各阶段，从而加剧植株病害发生程度[57]。敖金成[58]研究认为环境因素对重茬土壤微生物群落有着巨大的影响，具有时空异质性。大量研究表明长期单作降低了土壤pH和速效氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)含量，有机质(SOM)升高[59-60]。连作导致土壤pH下降，土壤从中性变为酸性，酸性土壤有利于真菌的生长，并抑制细菌和放线菌的繁殖[61]。李维华[62]将草莓连作时期分为3个阶段，第一阶段（连作2～6年），土壤理化性质恶化，pH逐年降低，养分失衡；第二阶段（连作6～8年），真菌丰度发生显著变化，土传病原体（如尖孢镰刀菌）积累；第三阶段（连作8年以上），细菌和自毒物质发生显著变化，酚酸开始积累，土壤呈现养分匮缺。

2.2 根系分泌物对土壤微生物的影响

根际是一个动态环境，能够促进植物与附着在植物根部的土壤之间的资源交换[63-64]。根际和植物根系中存在的微生物可以利用其密切的联系来实现互惠互利。例如，根际微生物可吸收植物根系分泌物中的碳代谢产物，大豆根系分泌物异黄酮会导致互生菌慢生根瘤菌和病原菌大豆疫霉的产生[65]。Louise等[39]研究认为甜菜根系分泌物是影响微生物群落在根部定殖和在根际存活的能力的信号，不同品种甜菜根系分泌物介导特定根际种群（假单胞菌）的选择。连作植物根系通过向外界分泌化学物质对植物自身产生毒害作用，即自毒作用(Autotoxicity)，其是导致植物连作障碍的重要原因，可通过影响植株土壤微生物结构来抑制植物生长[66]。在连作下，植物代谢产物和根系自毒物质分泌的增加，促进了病原细菌的繁殖，并增加了有害微生物的多样性和丰度，且其使有益细菌群落丰度和多样性减少，使土壤微生物菌群的平衡遭到破坏[67-69]。重茬条件下，土壤微生物群落受同一作物的根系分泌物影响，可能会使土壤中特定于作物的微生物富集[70]。谢奎忠等[71]研究表明连作下，马铃薯根系分泌物可以显著促进尖孢镰孢菌的生长，且可增加植物病情指数。吴林坤等[72]研究表明，施加模拟根际土壤中酚酸混合物比例的外源物质，可以明显促进病原性尖孢镰刀菌的菌丝体生长。杨焕文等[73]研究表明连作降低了土壤的pH，从而刺激了酚酸的积累，以至于改变了细菌群落的结构和多样性，最终影响了烟草生长发育。Miller等[74]研究表明芦笋根系提取物的咖啡酸可增加尖孢镰刀菌的活性。连作植物根系会分泌有机酸，降低根系土壤pH，使好酸微生物大量繁殖，从而导致土壤根系微生物群落组成发生改变[75]。安玉兴等[33]研究表明甜菜长期连作的土壤微生物群对土壤中酚酸的降解能力较低，酚酸可能大量积累。重茬作物的根系分泌物会影响根际土壤微生物群落的结构和多样性，从而影响作物的生长发育，造成连作障碍。

3 总结与展望

根际微生态各因子之间的互作对于地上植物健康生长至关重要。甜菜连作障碍的产生，是土壤根际微生态各因素之间相互作用、相互影响的结果（图1）。连作模式下，甜菜土壤微生物群落和结构发生变化，由细菌型高肥土壤转化为真菌型低肥土壤，有益菌多样性和丰度减少，而病原菌则开始增加，其中毛壳菌丰度呈下降趋势，尖孢镰刀菌、立枯丝核菌丰度呈上升趋势。土壤根际微生态环境对甜菜土壤微生物的影响主要包括土壤理化性质恶化和根系分泌物中自毒物质积累，其使微生物群落结构发生变化，打破平衡。

图1 对比甜菜连作与单作对各因子的影响

连作是甜菜产业发展过程中不可忽视的一大障碍。目前，在连作甜菜土壤理化性质、化感作用及病害防治研究取得较多成果，而甜菜土壤微生物研究仍处于初始阶段，针对根际微生物研究甚少，相关研究理论大多来源于其他作物。因此，阐明连作障碍下土壤根际环境中微生物和根际微生态之间的关系，是揭示甜菜连作障碍机理的重要内容。甜菜连作障碍影响因素较多，各因素之间相互作用，形成复杂机理，探究甜菜连作障碍还需进一步探索。因此，建议在未来甜菜连作研究应关注以下几个方面：（1）以甜菜连作导致的病原微生物为靶标，筛选目的微生物，研发新型微生物菌剂。（2）利用根际微生态环境及化感作用原理生产土壤改良剂。（3）利用分子生物学技术综合分析连作甜菜根际微生物组和微生态之间的相互作用，进一步揭示甜菜连作机制，从而有效防控甜菜连作障碍。