杀线植物资源防治植物寄生线虫病的作用机制及其应用

谢倚帆 ，王旋 ，韦柳利 ，黄铭慧 ，常豆豆 ，王从丽 ，姜野 ，于镇华 ，李春杰

（1.中国科学院东北地理与农业生态研究所 大豆分子设计育种院重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150081； 2.中国科学院大学, 北京 100049； 3.铁力市农业农村局, 黑龙江 铁力152500）

0 引言

植物寄生线虫（plant-parasitic nematodes，PPNs）是危害农作物的重要病原物之一，在世界各地均有分布，而且寄主种类繁多。线虫通过危害作物根系，致使植株营养不良、长势弱、抵抗逆境能力下降，进而引发一些复合性病害[1]，防治难度较大，严重影响作物的产量及品质，造成巨大的经济损失。在生产中，植物寄生线虫病害最常见的防治措施有化学防治、生物防治和抗病品种应用，其中，化学防治最为广泛，具有简便快捷、效果显著的优点，但长期大量施用化学高毒杀线虫剂，给生态环境造成了巨大威胁[2]。生物防治可以保持生物的多样性，具备可持续治理的优势，但是经常会因为生态环境的复杂性出现防效不稳定的现象[3]，有时见效较为缓慢。我国对于防治大豆胞囊线虫病的商业性抗性品种非常有限，并且这些品种大多数抗性单一，选用抗病品种虽然可有效降低大豆胞囊线虫的种群密度，但长期连续种植同一个抗病品种，大豆胞囊线虫会因选择压力而改变群体特性，从而出现新的生理小种，造成抗线品种抗性减弱或消失的现象[4-8]，且市场上非常缺少抗性品种。从农业可持续发展来看，现有的防治措施都存在一定的弊端或局限性，因而，研发出低毒、高效的绿色农药或防治措施对于未来生态农业的发展尤为重要，由此，应用一些天然无公害的具有杀线功效的植物资源并结合农艺措施逐渐成为线虫防治的研究重点。

源于植物的生物活性物质在环境中的持久性较低，即容易被降解，且对非目标生物安全，这些天然产物制剂包括植物源杀虫剂、生物肥、有机肥和绿肥等，许多作物和杂草也表现出能抑制线虫活性的化感作用[2]。植物体内含有大量杀虫和抑菌的生物活性物质，这些物质能保护植物免受病原微生物的侵害以及害虫的取食，所以从植物中获得能抑制有害生物，且对有益生物无害、对高等动物安全、对环境友好的活性物质备受广大学者的关注，这类活性物质符合人类发展现代农药所追求的目标[9]，对这类活性物质可开发利用为植物源农药。因此，为了寻找可以替代逐渐被禁用的高毒化学杀线虫剂，具有杀线虫活性的植物资源受到国内外学者的关注。

将杀线植物资源开发成杀线剂具有选择性好、低毒、高效等优点，这些植物资源的开发利用对植物寄生线虫病的绿色防控具有极其重要的应用价值。随着对其作用机制研究的不断深入，发现许多天然产物对线虫行为和发育有明显的抑制作用，如导致线虫死亡、或亚致死、或失去侵染活性，以及干扰卵孵化和蜕皮等发育过程等[10]；因杀线植物种类不同导致其体内含有的抑菌杀虫的活性物质存在较大差异，即使是同一种植物但在不同部位、不同生长环境和不同发育时期的杀线虫活性物质也存在显著差异，所以其防治作用机制和效果存在不确定性。本文综述了杀线植物资源防治植物寄生线虫病的作用机制及其在生产实践中的应用，以期为制定植物寄生线虫病合理有效防控措施提供参考依据。

1 杀线植物资源对植物寄生线虫的毒害作用

1.1 植物根系分泌物对线虫侵染和繁殖的抑制作用

有些杀线植物的根系分泌物通过抑制线虫卵孵化、抑制线虫的趋化运动能力或对线虫的排斥作用，甚至能杀死线虫，进而控制病害发生的严重程度。分析其原因可能是根系分泌物中含有能杀死线虫或者抑制其侵染活性的化学物质，即这些化学物质对线虫具有毒杀作用或产生化感作用[11]。非寄主植物根系分泌物在线虫不能成功定位和侵染植物过程中发挥着重要作用，研究发现非寄主植物的根系分泌物能抑制线虫的侵染和繁殖[12]。抗线品种在大豆连作区种植后的根系分泌物可抑制大豆胞囊线虫（Heterodera glycines）的卵孵化，并且抗线4 号能抑制幼虫在其根内发育[13]。很多植物根系分泌物中具有杀线虫作用的物质，具体植物种类和杀线虫种类详见表1。研究发现，从万寿菊、大豆和辣椒三种植物根系分泌物中，用12%的乙腈进行洗脱的馏分，可以趋避根结线虫[14]。生产实践中的很多间（套）作、轮作和伴生等种植方式都利用了植物根系间的化感作用防治土传根部病害。

表1 具有杀线作用的植物根系分泌物Table 1 The plant root exudates with nematicidal effects

1.2 植物组织提取物对线虫的毒杀作用

多种植物体组织中都能提取出具有杀死线虫或麻痹线虫活性的物质。研究发现，万寿菊的根系提取物对南方根结线虫具有排斥作用，并且对线虫排斥行为的影响存在剂量效应，但对大豆胞囊线虫（H. glycines）却表现为吸引作用[14]；万寿菊叶的提取物可抑制根结线虫和盘旋线虫活性[16,22]；万寿菊根的水提取物比其他部位的活性高。野红花（Cephalanoplos oxycantha）植株和叶片内的水溶性提取物可抑制M. incognita卵的孵化，对水稻干尖线虫（Aphelenchoides besseyiChristie）也具有一定的毒杀活性[17]。毛鱼藤（Derris elliptica）根抽提物对松材线虫（Bursaphelenchus xylophilus）有极强杀线活性[23]。三尖杉（Cephatotaxus fortunei）枝叶提取物对花生根结线虫（M. arenaria）胚胎发育及二龄幼虫的孵化有明显的抑制作用[24]。菜豆（Phaseolus vulgaris）叶和烟草（Nicotiana tabacum）叶的提取物在24 h 内可以完全灭活或杀死95%的纽带属线虫（Hoplolaimusspp.），且其叶子与土壤混合后仍具有杀线虫的能力[25]。葫芦科冷剥皮提取物（CCOPE）可用于保护水稻和番茄免受根结线虫的感染[26]。因此，部分植物组织提取物中杀线活性物质可以通过浸种和灌根等方式施用以达到防治线虫的目的[27]，具有较好的开发和应用前景。

1.3 植物根系分泌物和组织提取物中杀线活性物质鉴定

已有研究报道，可抑制植物寄生线虫活性的植物约有316 种[28]。目前对于植物根系分泌物中的杀线物质主要集中在影响线虫的趋避方面，关于分泌物中的活性物质成分鉴定的研究较少，多集中于植物组织提取物的活性物质研究。辣椒（Capsicum annuum）根系分泌中含有化感物质邻苯二甲酸二丁酯（DBP）能抑制南方根结线虫（M. incognita）的生长和繁殖[15]；迷迭香（Rosmarinus officinalisL.）和马郁兰（Origanum majoranaL.）根系分泌物中的黄酮类化合物和萜类化合物能够减少虫瘿数及根部卵块数，降低繁殖系数，显著抑制南方根结线虫（M. incognita）的卵孵化[18]；大葱（Allium fistulosum）中丁醇提取物对根结线虫的抑制效果显著，其主要成分为4-羟基苯乙醇，且随着4-羟基苯乙醇浓度的升高，对根结线虫卵孵化的抑制作用也逐渐增强，当4-羟基苯乙醇的浓度为9.6 mM 时卵孵化率低于10%，而浓度提高至19.2 mM时几乎没有卵孵化[20]。在健康植物组织中，也含有很多具有杀线虫活性的化合物，如萜类、噻吩类、生物碱、类黄酮、苦木苦素、糖苷、葡糖异硫氰酸盐及其水解物等[29-30]。具有杀线虫活性的植物中菊科种类最多，大约40 种对植物寄生线虫具有生物活性[14]；其次是豆科植物，有32 种豆科植物对线虫具有抑制作用[28]，Bijloo[31]研究发现，毒扁豆碱具有杀线虫活性，主要源于毒扁豆中的一种可逆性乙酰胆碱酯酶抑制剂。从苦参属植物苦参中提取的苦参碱是一种天然植物杀线剂，具有胃毒和触杀作用，可使虫体蛋白凝固、气孔堵塞、神经麻痹，最终导致虫体死亡[32]。从鱼藤属（DerrisLour.）植物中分离获得的鱼藤酮，是一种典型的呼吸代谢抑制剂[33-34]；洋葱和大蒜等百合科葱属植物中也含有抑制线虫活性的多种化感物质。具体活性物质详见表2。

表2 具有杀线虫作用的植物组织内的活性物质Table 2 The plant tissue extracts with nematicidal effects

2 线虫体内的防御反应被抑制

2.1 线虫体内的防御酶活性减弱

线虫体内有很多酶类在其防御系统中发挥着重要作用，如转移酶、氧化还原酶等和纤维素酶、胆碱酯酶、蛋白酶、淀粉酶等水解酶类，对线虫的侵染、为害、生存和繁殖起着重要的作用[10]。段玉玺在《植物线虫学》[1]中将线虫体内的酶按照作用机制分为水解酶类、裂解酶类、连接酶类、氧化还原酶类和转移酶类。现有研究表明，在杀线作用机制方面，主要针对于线虫体内的水解酶类进行研究，其中主要集中于对乙酰胆碱酯酶的研究。乙酰胆碱酯酶在线虫神经兴奋传导过程中起着关键作用，而杀线植物体内含有对线虫卵囊体内的羧酸酯酶和乙酰胆碱酯酶活性具有抑制作用的成分，进而使线虫卵孵化受到抑制[28]。白花曼陀罗（Datura candida）[38]叶片中的总生物碱和三尖杉[23]中的生物碱均可对控制线虫神经系统的乙酰胆碱酯酶活性有明显的抑制作用。从唇形科芳香植物中提取的丁香酚作为一种2-烷基（氧基）苯酚的植物化学物质，对线虫具有很强的毒性，这种化合物可作为乙酰胆碱酯酶抑制剂阻断章鱼胺受体，从而支持基于神经系统靶标的杀线虫作用[39-40]；香芹酮同样也是一种高效乙酰胆碱酯酶抑制剂，属于单萜类化合物，通过破坏线虫的神经系统从而表现出较为显著的杀线虫活性[41]。所以，杀线植物体内的活性物质可以通过抑制线虫体内酶活性来实现对线虫的毒杀作用。

2.2 线虫体内的代谢反应受阻

线虫维持正常的生理代谢，需要必需营养物质如总糖和蛋白质的参与，如果这些营养物质的总量出现不平衡，会阻碍线虫的正常生命活动，致使线虫死亡。在线虫趋性和侵染方面，作为蛋白质的酶在糖类或糖类物质合成过程中可能起着积极的催化作用。从人血草（Stylophorum Lasiocarpum（Olive.）Fedde）中提取的物质3，4-二羟基苯甲酸，可干扰线虫M. incognita幼虫体内蛋白质和糖的合成及代谢途径[16]，并影响线虫的趋性和侵染。从辣根（Armoracia rusticana）中提取的异硫氰酸可作为亲电试剂与线虫体内的蛋白质不可逆地进行相互作用，从而改变蛋白质功能，进而杀死线虫[42]。所以，从植物中提取的活性物质可以通过抑制线虫体内代谢，阻碍线虫正常的生命活动，进而抑制线虫活性。

3 杀线植物资源的利用

近年来，越来越多的学者关注具有抑制线虫生长、发育及侵染活性的植物资源，利用杀线植物提取物防治线虫病害，还可利用杀线植物或非寄主植物进行间（套）作、轮作或伴生等农业种植方式，即通过杀线植物或非寄主植物根系的化感作用降低土壤中有害线虫的种群密度，达到防治线虫病害的目的。

3.1 杀线植物提取物的利用

因天然具有杀线虫的活性物质大多以水作为提取剂，提取物以溶液形式存在，故在存贮、运输及在生产中与其他制剂的混用和田间持效性等方面比活的生物体更有优势，植物源杀线物质对非靶标植物几乎没有伤害，环境因素对其药效通常影响不大[43]。因此，人们利用这些物质的直接作用或通过人工合成化合物来防治植物寄生线虫是当前杀线植物研究的热点之一。徐汉虹等[22]研究发现，施入烟草苗床的菊花（Dendranthema morifolium）植株提取物10 倍稀释液对烟草南方根结线虫病的防效可达80%以上，也有报道菊花对艾氏短体线虫具有杀线虫作用[16]。Vats 和Nandal[44]研究发现，印楝叶子提取液可显著减少番茄根结线虫的根结数。Nadal 和Bhatti[45]用蓖麻叶子提取液还可有效控制茄子（Solanum melongenaL.）上的爪哇根结线虫病。三尖杉枝叶粉末对花生根结线虫的田间小区试验最佳防效达89%[46]。大蒜（Allium sativum）提取物可杀死根结线虫的二龄幼虫，可使根结数和土壤中线虫数明显下降[47-48]；韭菜（A. tuberosum）提取物可显著降低黄瓜和番茄根结线虫的发病率[49]。因万寿菊花中含有大量的叶黄素和根部含有一些具有特殊活性的噻吩类化合物而备受关注[50]，世界各地纷纷引种利用。现今已有多种具有杀线虫活性的植物源化合物研发成植物源杀线剂，如苦参碱、印楝素和BB-1 乳油等产品；也有直接用植物提取物加工成杀线剂产品，如紫茎蓝溶液[51]。

3.2 杀线植物的利用

植物化感作用在利用杀线植物防病的生产实践中起着重要作用。植物化感作用是指一种活体植物供体产生并以挥发、淋溶、分泌和分解等方式，向环境释放次生代谢物从而导致同一生境中植物与植物之间相互促进或排斥的生态学现象[52]。化感作用在农业生产中的应用极为广泛，在作物的单作、间（套）作、轮作、翻埋和覆盖等种植模式中都有化感作用的存在，但因不同种植物释放的化感物质种类的差异，和外界各种环境条件的变化使其作用效果存在差异[53]。

利用化感植物可有效减轻线虫对寄主的为害程度，使作物增产[10]。如万寿菊属植物对多种线虫都有诱杀作用，国外早已开展了将万寿菊植物作为线虫生物源防治的应用研究，且农业生产者已采用万寿菊属植物与农作物间（套）作、轮作等农业措施[27]。万寿菊（T. erecta）与黄瓜（Cucumis sativus）间作密度为2∶1 时使土壤中根结线虫数量较黄瓜单作（对照）降低66.7%，病情指数较对照降低51.4%，增产35.7%[54]。万寿菊与当归轮作对根结线虫（Meloidogynespp.）的防效为44.8%[55]。烟草（Nicotiana tabacumL.）与万寿菊相互轮作，可使线虫病害发生呈下降趋势[56]。茼蒿（Glebionis coronaria）与番茄间作也可减轻线虫对番茄根部的危害，间作后土壤中线虫数量减少26.2%，且番茄根上的根结数降低了37.7%[21]，茼蒿与黄瓜间作，不仅减轻了南方根结线虫的发病程度，还有利于黄瓜的生长[57]。葱属（AlliumL.）作物对线虫病有一定的防控作用，如番茄与大蒜轮作可使田间根结线虫病害的发展得到有效控制[58]。番茄伴生分蘖洋葱可以减轻根结线虫病并能降低土壤中线虫密度[59]。另外，利用抗性与非抗品种混播可以控制大豆胞囊线虫病的发生程度，并且对大豆植株和根系的生长有促进作用。已有研究显示，抗线7 号和黑河43 号品种按1∶1 混种后与其各单种处理产量的平均数相比可增产6.68%[60]；抗线4 号与黑农35 号品种按1∶1 混种后植株群体株高与各单种处理相比分别可增加11.16%和16.9%，同时对于群体根系的生长可增加10.6% ～ 22.2%[61]。也可利用植株破碎残体作为基肥改良土壤，并减少线虫的密度，在防治植物寄生线虫方面取得了很好的效果[22]。有时覆盖作物组织破碎物当作绿肥被施入土壤中，可改善土壤结构，提高土壤中的有机质含量或营养水平，达到增产效果。通过土壤覆盖作物起到的线虫抑制作用，主要归因于覆盖物分解过程中释放到土壤中的产物对线虫具有毒性[62]。

4 展 望

随着人们对食品安全意识的增强、农业可持续发展和生态安全的长远考虑，化学农药在植物线虫病害防治的弊端引发广泛关注，化学杀线虫剂可供选择的产品越来越有限，植物病原线虫病的防治难度也在不断加大。众多学者认为植物寄生线虫病的防治不能依赖传统的化学防治，而应更多的合理利用间（套）作和轮作种植方式，抗性品种和绿肥的应用，同时加大对挖掘新的、更有应用前景的杀线植物资源的力度，尽快取得突破性进展。

目前，多数研究仍停留在粗提物对线虫的作用效果上，对于有效成分的分离与提纯方面的研究报道较少，低成本的人工合成活性物质更是缺乏。因此，应探索新型杀线植物资源种类，将更多有价值的杀线植物资源应用到生产上植物寄生线虫病的防治中。杀线植物对线虫作用机制的研究较多集中在对线虫体内酶活性影响以及对线虫体内营养物质（代谢作用）的影响，还缺乏系统和深入的研究，不利于应用植物源农药来防治线虫病。

关于植物源活性物质作为潜力杀线虫剂的研究报道较多，而商品化的杀线虫剂很少，应用最多的商品化的植物源杀线虫剂主要是印楝素[63]和苦参碱[64]产品。生产实践中对杀线虫植物利用的例子较多，随着对杀线植物防治线虫作用机制的不断深入研究，杀线植物的推广应用也将不断扩大，对极难防治的植物寄生线虫病害的长期治理将起到巨大的推动作用。植物源杀线虫剂与化学合成农药相比，具有选择性高、低毒、可降解等特点，符合当今环境保护和可持续发展的绿色理念。随着市场的迫切需求、研究技术手段的不断创新及杀线植物活性物质的不断挖掘和开发，植物源杀线虫剂的前景广阔，势必会在植物寄生线虫病防治中起着重要作用，为农业生产做出更大的贡献。

尽管天然杀线虫植物资源在作为新的杀线虫剂方面已经显现出巨大的潜力，但目前仍有许多问题值得深入研究。已有研究通过室内生测及温室盆栽试验证实了植物体内的活性物质（如生物碱类、醛类、醇类、黄酮类等）具备杀线作用，但在生物防治应用实践中，面对其他生物和非生物环境的干扰时是否仍具备杀线作用及其效果稳定性有待进一步研究。前人对于活性物质的提取多集中在植物的某一特定组织（如叶、茎、根等）中进行，对于综合比较这些活性物质在同一植物多个组织内的空间分布及含量差异的研究报道甚少，而在这一过程中，转录组学、代谢组学等方法可能成为强有力的研究手段。植物体内的这些天然杀线活性物质的具体作用模式及靶标等还需要进一步明确，为新型杀线虫剂的开发提供理论依据。