2023-08-08 17:41:26
土傳病害是指存在于土壤中的植物病原性真菌、細(xì)菌、病毒和線蟲侵染植物根系而導(dǎo)致的病害，是限制作物正常生長的重要因素之一，防治不當(dāng)會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
采用生物方法防治土傳病害是近些年的熱門研究領(lǐng)域。近日，中國工程院院士沈其榮團(tuán)隊(duì)通過解析番茄發(fā)病植株和健康植株的根際代謝組，挖掘潛在的益生元，并結(jié)合多組學(xué)手段明確了益生元驅(qū)動(dòng)根際微生物維持植物健康的微生態(tài)機(jī)制。該研究成果標(biāo)志著我國土傳病害防控進(jìn)入益生元精準(zhǔn)調(diào)控階段。相關(guān)研究論文在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。
什么是益生元？益生元在防控土傳病害時(shí)發(fā)揮了怎樣的作用？它是否會成為防治土傳病害的“未來之星”？帶著這些問題，記者采訪了有關(guān)專家。
用益生元防治土傳病害具有諸多優(yōu)勢
近年來，集約化農(nóng)業(yè)高速發(fā)展，由于單一作物長期連作及氮肥、農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品不合理使用等，土傳病害日益突出，成為影響作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、土壤健康，以及限制農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的因素之一。
“中國的土傳病害發(fā)生面積占設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)?；N植的20%以上，而且往往伴隨著多種病害交互發(fā)生，大大增加防控難度。土傳病害的‘始作俑者’包括土壤病原微生物，例如細(xì)菌、真菌、病毒和線蟲等，它們影響范圍廣泛，會對各類農(nóng)作物造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授袁軍告訴記者，青枯病就是一種典型的土傳病害，這種病害是由土壤青枯菌侵染導(dǎo)致的，廣泛發(fā)生在番茄、茄子、辣椒、煙草等茄科作物中。
“傳統(tǒng)的化學(xué)防治方法通常會導(dǎo)致土壤和水體的污染，對環(huán)境造成潛在風(fēng)險(xiǎn)，加劇抗生素抗性基因的擴(kuò)散和爆發(fā)，同時(shí)讓土著微生物‘無辜犧牲’，破壞土壤微生物生態(tài)平衡，影響生態(tài)系統(tǒng)健康?！痹娊榻B，生物防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一種環(huán)保、可持續(xù)的病害防治方法，其中，微生物制劑就被廣泛應(yīng)用。但微生物制劑中包含的外源菌株面臨著定殖困難的問題，從而導(dǎo)致對土傳病害的防治效果不夠持久和穩(wěn)定。
益生元的研究起源于腸道研究領(lǐng)域。論文第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院博士后文濤介紹，近年來，益生元的研究擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，有學(xué)者開始研究植物益生元。這是一種能調(diào)控植物微生物群落的組成和功能、維持微生物群落動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而有益于植物的生長發(fā)育和抵抗生物、非生物脅迫的物質(zhì)。
“與傳統(tǒng)的化學(xué)防治方法相比，用益生元防控土傳病害具有諸多優(yōu)勢。首先，益生元是一種環(huán)境友好、可生物代謝的物質(zhì)，不會對土壤和環(huán)境造成污染。其次，益生元靠促進(jìn)有益菌增殖或調(diào)控生態(tài)平衡來抑制病原微生物，因此耐藥性的風(fēng)險(xiǎn)會降低。此外，益生元以促進(jìn)土著有益菌的功能發(fā)揮來實(shí)現(xiàn)病害防控，不存在環(huán)境適應(yīng)性和功能菌定殖困難的問題?！蔽臐f。
聯(lián)合中性微生物與病原菌競爭
如何利用益生元的特點(diǎn)，讓它在土傳病害防控中釋放巨大潛力，科研人員對此進(jìn)行了許多有益探索。
袁軍介紹，此前，他所在的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種根際益生元配方，增加了土壤中假單孢菌的豐度，從而提高了植物的系統(tǒng)性抗病能力。
在最近發(fā)表于《自然·通訊》的這項(xiàng)研究中，他們團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)益生元可激活土壤中的“中性微生物”，即促進(jìn)土壤中大量存在的、無明確有益功能的微生物的增殖，使其與病原菌競爭生態(tài)位，從而抑制病原菌繁殖，實(shí)現(xiàn)“固本培元強(qiáng)根基”。
“我們將益生元添加到土壤里后發(fā)現(xiàn)，植物的青枯病發(fā)病率顯著降低，而熒光定量檢測結(jié)果顯示，根際土壤中的中性微生物總量顯著提升，且中性微生物數(shù)量與發(fā)病率呈顯著負(fù)相關(guān)。試驗(yàn)進(jìn)一步顯示，益生元可以激發(fā)土壤里中性微生物的活力?！痹娊榻B，他們分析發(fā)現(xiàn)，在土壤中添加益生元后，中性微生物通過激發(fā)土壤碳代謝、自毒物質(zhì)降解和抗生素合成等途徑降低了青枯病發(fā)病率。
在袁軍看來，這些有益探索對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土傳病害的防控有著積極的助力?！笆紫?，利用益生元增加有益微生物的豐度和種類，可以提高土壤和植物的健康水平，增強(qiáng)植物的抵抗力，降低土傳病害的發(fā)生率。其次，定向培育中性微生物有助于建立更加穩(wěn)定和健康的土壤微生態(tài)系統(tǒng)，提高土壤抵抗病害的能力。中性微生物雖然沒有特定明確的功能，但確實(shí)是在防控土傳病害過程中最需要團(tuán)結(jié)的‘中間力量’。”
實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚存技術(shù)挑戰(zhàn)
在土傳病害防控領(lǐng)域，益生元被學(xué)者們寄予厚望。
袁軍表示：“我們希望對益生元的開發(fā)應(yīng)用，能在減少農(nóng)藥、化肥投入，改善土壤結(jié)構(gòu)，維持微生物多樣性的同時(shí)，還能調(diào)控和幫助植物—微生物互作關(guān)系向有益方向發(fā)展，使作物栽培更加高產(chǎn)、安全、優(yōu)質(zhì)?！?/p>
沈其榮認(rèn)為，益生元可以很好地與生物有機(jī)肥結(jié)合，使肥效持久、改善土壤環(huán)境、防控土傳病害以及促進(jìn)植物生長。不僅如此，益生元在修復(fù)土壤污染和減輕土壤重金屬毒害方面也有巨大的應(yīng)用前景。以生物方法修復(fù)污染土壤通常依賴于特定微生物對污染物質(zhì)的分解和利用，而益生元可以幫助微生物在本地競爭中取得優(yōu)勢并快速定殖，從而發(fā)揮功能。
然而，益生元在抑制病原菌的戰(zhàn)斗中，也并非所向披靡。科研人員并不諱言，在土傳病害的防控中，益生元的持久性需要持續(xù)關(guān)注。在采用益生元防控土傳病害時(shí)，可能需要多次施用或持續(xù)補(bǔ)充，以保持其有效性。
“也許可以探索包覆技術(shù)，將益生元包裹在特殊的材料中，延緩其釋放速度，從而延長其在土壤中的作用時(shí)間?！蔽臐治?。
此外，對植物地上部分的微生物研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于對以根際微生物為代表的地下部分的微生物研究，因此，針對地上部分病害防控的益生元研究基本是空白。
“當(dāng)前，對農(nóng)業(yè)根際益生元的研究還處在起步階段，亟待開發(fā)防治更多病害的益生元。而且目前的研究往往只針對單一土傳病害的發(fā)生，而在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多種土傳病害往往同時(shí)發(fā)生，因此未來還需關(guān)注能同時(shí)防控多種土傳病害的益生元?！鄙蚱錁s說，未來，益生元的來源也是影響其產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵，開發(fā)原料易得的益生元產(chǎn)品，才能讓其盡快造福我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其是設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
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