作物自毒作用研究进展

钟淑敏，廖晓兰

(湖南农业大学植物保护学院，湖南 长沙 410128)

由于现代化农业的发展，作物的需求量不断增长导致作物单一化种植成为趋势，同一片土地长时间种植单一作物使作物分泌的具有自毒作用的代谢物不断累积，对作物的危害越发严重。自毒作用在作物的很多种中都有出现，主要影响作物自身、土壤环境、土壤微生物3个方面。长期受到自毒作用危害的作物，其自身正常生理活动受到抑制，土壤环境酸化且养分失衡，酶活性降低，病原微生物增多，会导致作物连作障碍的发生，使之大幅度减产且植株发病率显著上升；种植过程中也需要频繁的更换种植作物的土地。为了减少自毒作用对作物产业化种植的限制，需要对自毒作用对作物的危害产生重视。

1 自毒作用

作物可通过根、茎、叶、花等各部位向外界以分泌、挥发、雨水淋溶以及植株残体腐烂等方法释放次生代谢产物。次生代谢物的产生与植物自身适应环境、对外界生物和非生物胁迫产生响应有关[1－2]。如花色素苷是广泛存在的一类色素，属于酚类化合物，花色素苷使植物的花和果实呈现颜色来吸引动物传播花粉和种子[3]。植保素和木质素等物质可作为生化壁垒抵御病原物入侵[4－5]，次生代谢物也能够参与植物的抗病反应信号转导[6]。

次生代谢产物的持续释放可能会与植物生长条件的需求存在矛盾，当释放的次生代谢产物对作物同茬或下茬同种和同科的作物的生长产生抑制作用时，这种现象被称为自毒作用(Autotoxicity)[7]。如在缺氧条件下，桃树根系中的野黑樱苷会水解产生扁桃腈，扁桃腈进一步水解生成苯甲醛，苯甲醛再经过氧化生成苯甲酸，之后随着苯甲酸在土壤中的不断积累，抑制桃树生长[8]。

2 自毒物质的种类

作物的次生代谢产物可以分为萜类、酚类、生物碱、肽类、类固醇、甾体类和醌类7大类[9]。根据次生代谢物合成的起始分子不同可将次生代谢物分为萜类、生物碱、苯丙烷类及其衍生物。酚酸、萜类是报道较多的自毒物质类型，如酚酸中的阿魏酸、对羟基苯甲酸、丁香酸等，萜类中人参属作物释放的皂苷类，还有多种单帖、倍半萜、双萜以及类萜等。萜类化合物由甲羟戊酸途径(mevalonic acid pathway)和甲基苏糖醇磷酸途径(methylerthritol phosphate pathway，MEP)产生。酚类化合物由莽草酸途径(shikimic acid pathway)和丙二酸途径产生。如表1所示，近年来在多种不同植物中鉴定出了多种自毒物质，主要为酚酸和萜类，也有硫化物、酯类、酰胺类。单子叶植物纲百合科(LiliaceaeJuss.)和禾本科(PoaceaeBarnhart.)、双子叶植物纲中的茄科(SolanaceaeJuss.)和五加科(AraliaceaeJuss.)中都有多种作物发生了自毒作用。而百合、枸杞、丹参、当归、人参、三七等传统中药中也有关于自毒作用的报道。

表1 2017—2022年自毒作用的相关报道以及自毒物质的种类Table 1 Reports on autotoxicity and types of autotoxic substances from 2017 to 2022

3 自毒物质的影响

3.1 对植物自身的影响

自毒物质对植物自身最先引起的影响主要在细胞膜、叶绿体、线粒体等结构上，使液泡分解，细胞膜和细胞器被破坏，影响细胞的渗透性。在对细胞结构造成影响后，再影响到植物中的激素平衡、氧化应激反应、细胞呼吸与光合作用等生理过程，如表2所示。

表2 近年来关于作物自毒物质造成影响的相关报道(不完全统计)Table 2 Relevant reports on the effects caused by autotoxic substances in recent years(incomplete statistics)

进入植物细胞的自毒物质能影响植物叶片中叶绿素的总含量，导致植物光合能力下降。由于细胞结构受到损伤，细胞内活性氧的含量增多，也会使细胞发生膜脂过氧化，胞内其他结构也受到影响[29，31，37]。Zhang等利用根系分泌物处理后的甜瓜瓜苗转录组分析发现，自毒物质主要影响甜瓜根系形态的建成，诱导活性氧的过量累积以及脂质过氧化，激活大量抗氧化酶[34]。通过分析转录组数据，自毒物质能影响植物叶绿素的正常功能，结合植株生理指标的变化，采用甜瓜叶绿素a荧光瞬变的参数，可评价自毒物质对作物的影响程度[38]。Bu等利用病毒诱导基因沉默技术(VIGS)沉默GPAT6基因后，通过透射电镜观察肉桂酸处理后的黄瓜叶片叶绿体，发现实验组的黄瓜叶片中的叶绿体和类囊体数量显著增加，可减轻肉桂酸对黄瓜的胁迫[39]。

自毒物质胁迫造成植株内稳态的改变，作物体内激素水平也随之发生变化，以保证植物在逆境条件下能正常生长发育[40]。而植物的某些次生代谢物并不是在整个合成途径中都具有毒性的，在合成次生代谢物的途径中的中间体，可能才是有毒次生代谢物的来源。烟草中的17－HGL－DTGS是一种萜类次生代谢物，参与烟草对外界昆虫的防御反应[26]。对其合成途径研究发现，在17－HGL－DTGS产生过程中，沉默其中参与糖基化(NaUGT74P)或丙二酰化(NaMaT1)的基因会导致自毒，而沉默香叶基芳樟醇合成酶基因(NaGLS)则没有，这表明17－HGL或上游生物合成中间体可能具有植物毒性[41]。植物中特殊的糖基化修饰有助于解决植物自身防御反应造成的自毒作用。

3.2 对土壤理化环境和微生物群落结构的影响

植株分泌次生代谢物质到土壤中会导致土壤pH降低[48]，和土壤中微生物群落结构改变[49]。受到自毒作用的影响，导致作物抗病能力降低，病原菌等更容易侵染作物。作物枯萎死亡后在土壤中腐解导致病原生物在土壤中的累积。由于酸碱性等环境条件的改变，土壤中原有的微生物种群逐渐失去优势，而对作物生长有害的微生物种群会后来居上[50]。微生物优势种群的改变、土壤养分、酸碱度等条件的变化导致土壤关键酶活性降低，包括水解酶类的脲酶、蔗糖酶、磷酸酶等和氧化还原酶类中的过氧化物酶类等。土壤养分减少且比例失衡，pH值降低导致土壤中重金属元素溶解和释放、酶活性降低，以及微生物群落发生改变等原因共同导致了作物连作障碍(continuous cropping obstacles)的发生[51]。

4 缓解自毒作用的措施

4.1 改善土壤环境和微生物群落结构

4.1.1 增施生物肥料

为了缓解部分植物根系分泌的酸性自毒物质在土壤中的累积造成的自毒作用，根据不同作物、不同的生理特性施用特殊配方的生物肥料，改善土壤环境是近年来使用较多的方法。在土壤中添加高粱茬使黄瓜的成活率提高[52]，利用生物炭和蚯蚓堆肥的有机改良剂改善大棚中栽种黄瓜的土壤中微生物群落结构，提高了土壤pH和黄瓜的果实质量[53]。玉米秸秆和污泥堆肥可缓解西瓜连作引起的土壤退化，改善了土壤环境，增加了缺失的养分[54]。

4.1.2 改进种植农艺

燕麦和黄芪轮作能显著促进黄芪的生长，提高土壤中有机质、氮、磷、钾的含量，促进土壤养分平衡[55]。黄瓜与大蒜间作与单一种植黄瓜相比显著提高了土壤转化酶和碱性磷酸酶的活性[56]。广藿香与生姜间作可以提高土壤优势菌数量，改善土壤细菌代谢和土壤酶活性，从而改善土壤微生物的丰度、多样性和群落结构[57]。Cheng等通过模拟番茄和大蒜间作，发现大蒜中的主要化感物质二烯丙基二硫化物(DADS)增加了番茄根系活力和叶绿素含量，提高了抗氧化酶(超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和苯丙氨酸氨裂解酶(PAL))的活性和非酶抗氧化剂(谷胱甘肽，GSH)的代谢，并促进番茄生长，减少番茄的自毒性[58]。嫁接也可以缓解茄类和瓜类蔬菜的连作障碍，同时能减少根部病害的发生，但嫁接植物的表现与选择的砧木密切相关[59]。

4.1.3 筛选微生物制剂

通过筛选能分解植物自毒物质的菌种制成微生物制剂，利用微生物分解土壤中的自毒物质。黄孢原毛平革菌分泌的木质素过氧化物酶(LiP)，能氧化多种酚类物质，在连作7年黄瓜的土壤中施用黄孢原毛平革菌菌剂后，土壤中酚酸的含量降低，修复处理后的黄瓜根部病害明显减轻[60]。杨小琼等筛选得到的邻苯二甲酸二丁酯高效降解菌，能降解土壤中的邻苯二甲酸二丁酯。实验结果表明，降解菌的施用可以显著降低土壤中青枯菌丰度和烟草青枯病的发病率。土壤消毒剂配施微生物有机肥及生防菌剂的联合使用也能改善茄子连作障碍的发生，增强茄子的根系吸收能力，从而提高产量[61]。

4.2 选育抗性作物品种

高粱的自毒作用会抑制种子的萌发和生长[62]，在不同品种高粱中高粱素(sorgoleone)对高粱自身影响的研究表明，不同品种高粱中的高粱素含量不同，且3种不同品种中的高粱素使对应的高粱品种的发芽率分别降低了76.1%、69.4%、58.9%。产生高浓度高粱素的高粱品种会发生更严重的自毒作用，所以选育低自毒物质含量的品种有助于减轻自毒作用的影响。

5 展望

自毒物质的不断累积致使土壤环境和微生物群落发生变化，是导致作物连作障碍的主要原因，也对作物道地性保护构成威胁。现有的研究中还没有关于自毒作用机制系统的探索与总结归纳，缺少有效的防控作物自毒作用的方法。选育抗性品种是解决自毒作用和连作障碍的最有效方法。作物是否是通过某些关键基因响应自毒物质的影响，进一步改变自身的某些性状?作物内何种基因与环境互作后，引起了自毒物质的产生?不同作物产生的自毒物质种类相差无几，产生自毒物质的基因和通路是否也有一定规律?这些都是今后研究的方向。找到相关的关键基因，通过分子生物学技术的应用，培育抗性品种，是解决自毒作用导致连作障碍的新思路。