变土壤“中间力量”为病害防治中坚力量

2023-08-08 18:21:14 来源 : 科技日报

土传病害是指存在于土壤中的植物病原性真菌、细菌、病毒和线虫侵染植物根系而导致的病害，是限制作物正常生长的重要因素之一，防治不当会造成巨大的经济损失。

采用生物方法防治土传病害是近些年的热门研究领域。近日，中国工程院院士沈其荣团队通过解析番茄发病植株和健康植株的根际代谢组，挖掘潜在的益生元，并结合多组学手段明确了益生元驱动根际微生物维持植物健康的微生态机制。该研究成果标志着我国土传病害防控进入益生元精准调控阶段。相关研究论文在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》。

【资料图】

什么是益生元？益生元在防控土传病害时发挥了怎样的作用？它是否会成为防治土传病害的“未来之星”？带着这些问题，记者采访了有关专家。

用益生元防治土传病害具有诸多优势

近年来，集约化农业高速发展，由于单一作物长期连作及氮肥、农药等农用化学品不合理使用等，土传病害日益突出，成为影响作物优质高产、土壤健康，以及限制农业绿色可持续发展的因素之一。

“中国的土传病害发生面积占设施农业规模化种植的20%以上，而且往往伴随着多种病害交互发生，大大增加防控难度。土传病害的‘始作俑者’包括土壤病原微生物，例如细菌、真菌、病毒和线虫等，它们影响范围广泛，会对各类农作物造成严重的经济损失。”论文通讯作者、南京农业大学资源与环境科学学院副教授袁军告诉记者，青枯病就是一种典型的土传病害，这种病害是由土壤青枯菌侵染导致的，广泛发生在番茄、茄子、辣椒、烟草等茄科作物中。

“传统的化学防治方法通常会导致土壤和水体的污染，对环境造成潜在风险，加剧抗生素抗性基因的扩散和爆发，同时让土著微生物‘无辜牺牲’，破坏土壤微生物生态平衡，影响生态系统健康。”袁军介绍，生物防治是农业生产中一种环保、可持续的病害防治方法，其中，微生物制剂就被广泛应用。但微生物制剂中包含的外源菌株面临着定殖困难的问题，从而导致对土传病害的防治效果不够持久和稳定。

益生元的研究起源于肠道研究领域。论文第一作者、南京农业大学资源与环境科学学院博士后文涛介绍，近年来，益生元的研究扩展到农业领域，有学者开始研究植物益生元。这是一种能调控植物微生物群落的组成和功能、维持微生物群落动态平衡，进而有益于植物的生长发育和抵抗生物、非生物胁迫的物质。

“与传统的化学防治方法相比，用益生元防控土传病害具有诸多优势。首先，益生元是一种环境友好、可生物代谢的物质，不会对土壤和环境造成污染。其次，益生元靠促进有益菌增殖或调控生态平衡来抑制病原微生物，因此耐药性的风险会降低。此外，益生元以促进土著有益菌的功能发挥来实现病害防控，不存在环境适应性和功能菌定殖困难的问题。”文涛说。

联合中性微生物与病原菌竞争

如何利用益生元的特点，让它在土传病害防控中释放巨大潜力，科研人员对此进行了许多有益探索。

袁军介绍，此前，他所在的团队开发出了一种根际益生元配方，增加了土壤中假单孢菌的丰度，从而提高了植物的系统性抗病能力。

在最近发表于《自然·通讯》的这项研究中，他们团队发现益生元可激活土壤中的“中性微生物”，即促进土壤中大量存在的、无明确有益功能的微生物的增殖，使其与病原菌竞争生态位，从而抑制病原菌繁殖，实现“固本培元强根基”。

“我们将益生元添加到土壤里后发现，植物的青枯病发病率显著降低，而荧光定量检测结果显示，根际土壤中的中性微生物总量显著提升，且中性微生物数量与发病率呈显著负相关。试验进一步显示，益生元可以激发土壤里中性微生物的活力。”袁军介绍，他们分析发现，在土壤中添加益生元后，中性微生物通过激发土壤碳代谢、自毒物质降解和抗生素合成等途径降低了青枯病发病率。

在袁军看来，这些有益探索对农业生产和土传病害的防控有着积极的助力。“首先，利用益生元增加有益微生物的丰度和种类，可以提高土壤和植物的健康水平，增强植物的抵抗力，降低土传病害的发生率。其次，定向培育中性微生物有助于建立更加稳定和健康的土壤微生态系统，提高土壤抵抗病害的能力。中性微生物虽然没有特定明确的功能，但确实是在防控土传病害过程中最需要团结的‘中间力量’。”

实现产业化应用尚存技术挑战

在土传病害防控领域，益生元被学者们寄予厚望。

袁军表示：“我们希望对益生元的开发应用，能在减少农药、化肥投入，改善土壤结构，维持微生物多样性的同时，还能调控和帮助植物—微生物互作关系向有益方向发展，使作物栽培更加高产、安全、优质。”

沈其荣认为，益生元可以很好地与生物有机肥结合，使肥效持久、改善土壤环境、防控土传病害以及促进植物生长。不仅如此，益生元在修复土壤污染和减轻土壤重金属毒害方面也有巨大的应用前景。以生物方法修复污染土壤通常依赖于特定微生物对污染物质的分解和利用，而益生元可以帮助微生物在本地竞争中取得优势并快速定殖，从而发挥功能。

然而，益生元在抑制病原菌的战斗中，也并非所向披靡。科研人员并不讳言，在土传病害的防控中，益生元的持久性需要持续关注。在采用益生元防控土传病害时，可能需要多次施用或持续补充，以保持其有效性。

“也许可以探索包覆技术，将益生元包裹在特殊的材料中，延缓其释放速度，从而延长其在土壤中的作用时间。”文涛分析。

此外，对植物地上部分的微生物研究远远落后于对以根际微生物为代表的地下部分的微生物研究，因此，针对地上部分病害防控的益生元研究基本是空白。

“当前，对农业根际益生元的研究还处在起步阶段，亟待开发防治更多病害的益生元。而且目前的研究往往只针对单一土传病害的发生，而在实际农业生产中多种土传病害往往同时发生，因此未来还需关注能同时防控多种土传病害的益生元。”沈其荣说，未来，益生元的来源也是影响其产业化和大规模应用的关键，开发原料易得的益生元产品，才能让其尽快造福我国的农业生产，尤其是设施农业的可持续发展。

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