土傳病害是指存在于土壤中的植物病原性真菌、細菌、病毒和線蟲侵染植物根系而導致的病害，是限制作物正常生長的重要因素之一，防治不當會造成巨大的經(jīng)濟損失。
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隊通過解析番茄發(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)合多組學手段明確了益生元驅(qū)動根際微生物維持植物健康的微生態(tài)機制。該研究成果標志著我國土傳病害防控進入益生元精準調(diào)控階段。相關(guān)研究論文在線發(fā)表于國際學術(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。
(資料圖片僅供參考)
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)作物造成嚴重的經(jīng)濟損失?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⒛暇┺r(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學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)的化學防治方法通常會導致土壤和水體的污染，對環(huán)境造成潛在風險，加劇抗生素抗性基因的擴散和爆發(fā)，同時讓土著微生物‘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)大學資源與環(huán)境科學學院博士后文濤介紹，近年來，益生元的研究擴展到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，有學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、維持微生物群落動態(tài)平衡，進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，因此耐藥性的風險會降低。此外，益生元以促進土著有益菌的功能發(fā)揮來實現(xiàn)病害防控，不存在環(huán)境適應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，讓它在土傳病害防控中釋放巨大潛力，科研人員對此進行了許多有益探索。
袁軍介紹，此前，他所在的團隊開發(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》的這項研究中，他們團隊發(fā)現(xiàn)益生元可激活土壤中的“中性微生物”，即促進土壤中大量存在的、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，實現(xiàn)“固本培元強根基”。
“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)病率呈顯著負相關(guān)。試驗進一步顯示，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。“首先，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，但確實是在防控土傳病害過程中最需要團結(jié)的‘中間力量’。”
實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用尚存技術(shù)挑戰(zhàn)
在土傳病害防控領(lǐng)域，益生元被學者們寄予厚望。
袁軍表示：“我們希望對益生元的開發(fā)應用，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，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)。”
沈其榮認為，益生元可以很好地與生物有機肥結(jié)合，使肥效持久、改善土壤環(huán)境、防控土傳病害以及促進植物生長。不僅如此，益生元在修復土壤污染和減輕土壤重金屬毒害方面也有巨大的應用前景。以生物方法修復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，可能需要多次施用或持續(xù)補充，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間?！蔽臐治觥?/p>
此外，對植物地上部分的微生物研究遠遠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，而在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多種土傳病害往往同時發(fā)生，因此未來還需關(guān)注能同時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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