与尖孢镰刀菌枯萎病相关的抑病型土壤研究进展

乔帆 陈汉清 李恒 畅文军 曾会才

摘  要  由尖孢镰刀菌引起的枯萎病是制约作物生产的世界性重要土传维管束病害，危害的作物种类多，损失严重，生产中尚无经济有效的防治方法。抑病型土壤是指对土传作物病害有抑制作用的一类土壤，具有有益微生物种群结构稳定、对土传病害防效持久等特点，因此国内外专家进行了许多卓有成效的研究。本文對尖孢镰刀菌枯萎病相关抑病型土壤的形成因素、作用机制等方面的研究进展进行综述，并对今后尖孢镰刀菌枯萎病抑病型土壤研究的重点方向及应用前景进行了分析和展望，以其为下一步深入研究尖孢镰刀菌枯萎病抑病型土壤的微生物种群结构、有益微生物种类构成、抑病型土壤的构建方法及复合微生物菌肥研制提供新的参考。

关键词  尖孢镰刀菌;枯萎病;抑病型土壤

中图分类号  S471      文献标识码  A

Abstract  Fusarium oxysporum wilt is a worldwide important soil-borne vascular disease that restricts crop production. It harms many kinds of crops and causes serious losses. There is no effective control method in crop production. Disease suppressive soil is a kind of soil which can inhibit soil-borne crop diseases. It has the characteristics of stable structure of beneficial microbial population and a lasting control effect on soil-borne diseases. Therefore， experts in China and abroad have carried out many fruitful studies on disease suppressive soil. In this paper， the research progress on the formation factors and mechanism of F. oxysporum wilt related disease suppressive soil was reviewed， and the key research directions and application prospects of F. oxysporum wilt related disease suppressive soil in the future were analyzed and prospected. It would provide a new reference for the further study of the microbial population structure， beneficial microbial species composition， the construction method of disease suppressive soil and the development of compound microbial fertilizer for F. oxysporum wilt related disease suppressive soil.

Keywords  Fusarium oxysporum; Fusarium wilt; disease suppressive soil

DOI  10.3969/j.issn.1000-2561.2019.08.031

土传病害是制约农业发展的一类重要病害，其中由尖孢镰刀菌引起的作物枯萎病是一类典型的真菌土传病害，其危害会导致作物品质的降低和产量的下降。目前，在世界范围内受尖孢镰刀菌枯萎病危害的作物有很多，如棉花、黄瓜、番茄、辣椒、西瓜、香蕉、甘蔗、虹豆等[1-2]。作物被病原菌侵染后，叶片和茎秆变黄，根系腐烂，植株枯萎、长势衰弱，严重时枯死[3-4]。近年来研究发现，尖孢镰刀菌枯萎病的危害程度有逐年加重的趋势[5-8]。

目前，尖孢镰刀菌枯萎病的防控方法包括施用化学农药、间作、轮作以及抗病育种等，但是这些方法在田间应用时均存在一定的缺陷，难以规模化推广。抑病型土壤是指对土传作物病害有抑制作用的一类土壤[9-10]，构建和维持该类土壤对病害具有抑制作用好、持久性强、环保无污染等优点，是当前该类病害防控技术研究中的热点。目前，国内外在抑病型土壤的形成因素、作用机制等方面开展了大量研究[11-14]，本文综述了该领域的研究进展。

1  抑病型土壤的概念及分类

在植物病害的长期研究中，不少植病学家发现，病害危害严重的区域中，会有部分区域的植株发病相对较轻或是不发病，说明该区域的土壤可能具有一定的抑病作用。1934年Fellow和Glyun分别在美国和英国发现对小麦全蚀病具有抑病作用的土壤，随后1968年荷兰科学家Gerlagh验证了该类抑病土的存在，同时说明了小麦连作可使部分病田土壤转变为抑病土[15]。日本学者小林纪彦认为，在多年连作的条件下，发生病害的区域会出现发病轻或者不发病的地块，这样的地块土壤可称为抑病土壤[16]。

1.1  抑病型土壤的概念

1974年Baker等[17]提出了抑病型土壤（disea s e  suppressive soil）的概念：病原菌不能在土壤中存活;病原菌即便可以在土壤当中存活，但其对作物的危害较小或是没有危害;病原菌可以在土壤当中存活并对作物造成一定的伤害，但随种植时间的增加，病害会逐渐减轻的土壤。与之相反的是非抑制病型土壤，或称导病型土壤（conducive soil），指容易发生病害的土壤。

1.2  抑病型土壤的分类

抑病型土壤可以分为2类，既普通抑病型土壤（generally disease suppressive soil）和特异抑病型土壤（specifically disease suppressive soil）[18]。普通抑病型土壤被认为与土壤中微生物的总体活动以及土壤的理化性质有关，而特异抑病型土壤则是与土壤当中的某类微生物的存在有关。同时，两者之间的不同还在于特异抑病型土壤具有转移性，它可以把导病型土壤转变成抑病型土壤，而普通抑病型土壤只能保持自身的抑病性，不能在土壤之间转移[19]。

2  抑病型土壤的形成因素

土壤是作物生长的关键因子，提供空间、水分、热量、空气和养分来保障作物生长，同时土壤又为微生物、动物、植物提供生命活动所必须的场所。抑病型土壤的形成因素有很多，主要包括土壤的生物因素、非生物因素以及农业栽培措施[20]3类。

土壤的生物因素包括微生物生物量、活性水平、种群多样性以及作物的根际分泌物等[21-23]。微生物生物量是土壤当中微生物总量，它决定着土壤当中微生物的种群多样性和微生物的活性[24]。当土壤当中微生物生物量降低时，土壤微生物的多样性和土壤微生物的活性等相关指标也会下降，同时植物土传病害的发病率就会上升，反之发病率就会下降[25]。木霉在土传病害的防治方面发挥着重要作用，木霉的防控效果和木霉菌的种类以及施肥措施有关，将木霉制成菌肥或是菌剂不仅可以改善土壤微生物的群落结构，增加微生物的生物量和多样性，还可以增强土传病害的防治效果[26-28]。

非生物因素主要涉及土壤的环境因素、理化性质和养分水平等[29-31]。良好的土壤环境会使土壤当中有益微生物的量增加、活性增强、种类增多。由于自然界各种竞争关系的存在，土壤当中有益微生物的增加会造成病原菌生物量的减少甚至灭绝[32]。土壤的酸碱度决定着土壤的养分、活性以及土壤微生物的种群结构。例如香蕉的长期种植会导致土壤酸化严重，其带来的结果是土壤当中尖孢镰刀菌的含量增加，细菌等有益菌群的含量减少[33]。

在诸多的农业措施中，轮作、间作、翻耕、添加有机修复物等措施可以影响土壤的抑病性。曾莉莎等[34]研究表明，在连年种植香蕉的田园轮作甘蔗，能明显降低后茬香蕉枯萎病的发病率，同时随着甘蔗轮作年限的增加，香蕉枯萎病的发病率逐年降低。东北农业大学的潘凯等[35]采用小麦伴生的方法不仅可以有效地控制西瓜枯萎病的发生，而且能够促进西瓜的生长。

3  抑病型土壤的作用机制

作物与土壤之间存在着复杂的互作关系，影响着土壤的健康水平。土壤健康[36]（soil health）指的是：土壤为一个基本的生物系统，健康的土壤具有支撑生物生产力、改善土壤环境质量、促进动植物健康成长的能力。只有到达健康水平，土壤才会发挥其抑病性。当采取合理适当的农业措施后，土壤的非生物因素和微生物生物因素就会达到抑病型土壤的标准，这种情况下的土壤将不利于病原微生物生存。因此，想要探究尖孢镰刀菌枯萎病抑病型土壤的防控效果，就必须要清楚病原尖孢镰刀菌与抑病型土壤作用机制之间的关系。

3.1  抑病型土壤非生物因素的作用机制

抑病型土壤非生物因素包括环境因素、理化因素和养分等。同一种病害，在不同的土壤环境条件下，其病原菌的增殖和病害发生情况都是不同的。枯萎病的发病率会随着土壤水分的增加而逐渐增大，如含水量为35%时，苜蓿枯萎病的发病率为50%;当含水量增加到55%时，发病率也相应增加到80%[37]。

温度是控制植物生长的关键因素，同时也会影响着病原菌的活性。当出现低温气候时，感病作物不表现出发病状态;当温度升高到一定程度时，感病作物开始出现枯萎病发病状态。通常情况下，尖孢镰刀菌最适生长温度在25～30 ℃之间。当土壤温度达到25～28 ℃时，作物开始出现明显的发病状态，叶片从叶边缘到叶脉开始黄化，然后迅速枯萎，叶片下垂。当温度超过33 ℃或者低于17 ℃时，镰刀菌的生长就会受到抑制[38-39]。

尖孢镰刀菌在pH为5左右的弱酸性环境下最为适宜生存。当土壤呈弱酸性时，有利于病害的发生。田间适当喷洒碱性物质或者施用碱性肥料，可以降低枯萎病的危害情况。李进等[40-41]发现施用碱性肥不仅可以降低土壤当中镰刀菌的数量，增加细菌、放线菌的数量，改善土壤微生物种群活性及多样性，还可以为香蕉提供氮、磷、钾等养分，从而更加有效的防控香蕉枯萎病的发生。

化学农药的大量使用，不仅破坏了农田的生态环境，还造成了尖孢镰刀菌耐药性的产生，使得枯萎病的发生更加严重[42-43]。近年来，随着生物有机肥的研制，镰刀菌枯萎病也得到了有效的防控。在西瓜枯萎病的研究方面，研究者通过使用生物有机肥，改变了西瓜根际微生物群落组成，降低了尖孢镰刀菌的种群数量，减少了西瓜枯萎病的发病率[44]。赵兰凤等[45]的研究表明，施用生物有机肥可以延缓香蕉枯萎病的发生，同时不同的生物有机肥会对根际微生物的群落有不同的影响。

3.2  抑病型土壤微生物等生物因素的作用机制

土壤不仅为作物的生长提供支撑，还为微生物的生存和繁殖提供重要场所。微生物在土壤中大量分布，其生命活动会对土壤的理化性质以及养分产生重要影响[46]。土壤当中的微生物是一个动态变化的系统，通过研究土壤当中的微生物，利用微生物種群之间的竞争关系、有益菌株对病原菌的拮抗作用、微生物种群代谢产物作用机制等来遏制病原菌的生长，从而控制病害的发生，提高土壤的抑病性。

土壤微生物种群之间存在着竞争关系，土壤环境变化时，一些微生物种群就会增加，随之另一些微生物种群就会减少。通过改变土壤的环境因素，能够使土壤呈现出不利于病原菌的生长而利于非病原菌生长的状态，最终在土壤当中会形成非病原菌数量增多，病原菌的数量减少的效果。周登博等[47]研究表明甲基营养型芽孢杆菌对尖孢镰刀菌具有拮抗作用，通过香蕉盆栽实验发现随着该菌株接种时间的增加，尖孢镰刀菌在香蕉根际土壤内的数量逐渐减少。

胡海嬌， 魏庆镇， 王五宏， 等. 茄子枯萎病研究进展[J]. 分子植物育种， 2018， 16（8）： 2630-2637.

裴月令， 曾凡云， 彭  军， 等. 尖孢镰刀菌与寄主互作机理研究进展[J]. 热带生物学报， 2014， 5（1）： 92-100.

廖咏梅， 张桂英， 罗家立， 等. 土壤条件与番茄青枯病发生的关系探讨[J]. 广西植保， 1997（3）： 13-16.

曹桂艳， 叶景凯， 李长兴. 棉花枯萎病抑菌土生物抑菌的研究[J]. 辽宁农业科学， 2001（2）： 31-32.

Schlatter D， Kinkel L L， Thomashow L S， et al. Disease Suppressive Soils： New Insights from the Soil Microbiome[J]. Phytopathology， 2017， 107（11）：1284-1297.

Kinkel L L， Bakker M G， Schlatter D C. A coevolutionary framework for managing disease-suppressive soils[J]. Annual Review of Phytopathology， 2011， 49： 47- 67.

柳红娟， 黄  洁， 刘子凡，等. 木薯轮作年限对枯萎病高发蕉园土壤抑病性的影响[J]. 西南农业学报，2016， 29（2）： 255-259.

Hayden H L， Savin K W， Wadeson J， et al. Comparative metatranscriptomics of wheat rhizosphere microbiomes in disease suppressive and non-suppressive soils for Rhizoctonia solani AG8[J]. Frontiers in Microbiology， 2018， 9： 859.

台莲梅， 金  红， 贾锡云. 农作物病害生物防治研究进展[J]. 黑龙江八一农垦大学学报， 2002（3）： 21-24.

小林纪彦， 朱熙樵. 抑病土壤及其抑病机制[J]. 世界农业， 1988（1）： 42-43.

Baker K， Cook R J.Biological Control of Plant Pathogens[M]. San Francisco： W H Freeman， 1974： 433.

Cook R J， Baker K F. The nature and practice of biological control of plant pathogens[M]. St Paul， Minnesota：  American Phytopathological Society， 1983： 539.

张瑞福， 沈其荣. 抑病型土壤的微生物区系特征及调控[J]. 南京农业大学学报， 2012， 35（5）： 125-132.

龚明福， 贺江舟， 孙晓棠， 等. 土壤微生物与土壤抑病性形成关系研究进展[J]. 新疆农业科学， 2007（6）： 814-819.

周  桔， 雷  霆. 土壤微生物多样性影响因素及研究方法的现状与展望[J]. 生物多样性， 2007（3）： 306-311.

王  岩， 沈其荣， 史瑞和， 等. 土壤微生物量及其生态效应[J]. 南京农业大学学报， 1996（4）： 48-54.

周丽霞， 丁明懋. 土壤微生物学特性对土壤健康的指示作用[J]. 生物多样性， 2007， 15（2）： 162-171.

朱菲莹， 田  程， 张  屹， 等. 不同施肥处理对土壤微生物群落结构及西瓜枯萎病发生的影响[J]. 中国生物防治学报， 2018， 34（4）： 589-597.

Philippot L， Raaijmakers J M， Lemanceau P， et al. Going back to the roots： the microbial ecology of the rhizosphere[J]. Nature Reviews Microbiology， 2013， 11（11）： 789-799.

王  涛， 乔卫花， 李玉奇， 等. 轮作和微生物菌肥对黄瓜连作土壤理化性状及生物活性的影响[J]. 土壤通报， 2011， 42（3）： 578-583.

贺字典， 宋士清， 高玉峰， 等. 棘孢木霉Trichoderma asperellum在土壤中定殖量的荧光定量PCR检测[J]. 植物保护学报， 2016， 43（4）： 552-558.

贺字典， 武春成， 沈江洁， 等. 棘孢木霉菌肥对黄瓜枯萎病的防治效果及对连作黄瓜根际土壤微生物种群的影响[J]. 植物保护学报， 2018， 45（3）： 528-535.

Amir H， Alabouvette C. Involvement of soil abiotic factors in the mechanisms of soil suppressiveness to fusarium wilts[J]. Soil Biology and Biochemistry， 1993， 25（2）： 157-164.

H?pe rH， Steinberg C， Alabouvette C. Involvement of clay type and pH in the mechanisms of soil suppressiveness to fusarium wilt of flax[J]. Soil Biology & Biochemistry， 1995， 27（7）： 955-967.

黄永辉， 陈琦光， 迟远丽， 等. 土壤理化因素对香蕉枯萎病菌生长和侵染的影响[J]. 华中农业大学学报， 2016， 35（2）： 30-34.

彭  双， 王一明， 叶旭红， 等. 土壤环境因素对致病性尖孢镰刀菌生长的影响[J]. 土壤， 2014， 46（5）： 845-850.

李  虹， 李汀贤， 赵凤亮， 等. 香蕉枯萎病发生区域土壤改良：间作对热带土壤微生物区系和pH相关关系的影响[J]. 园艺与种苗， 2017（9）： 21-27.

曾莉莎， 林威鹏， 吕  顺， 等. 香蕉-甘蔗轮作模式防控香蕉枯萎病的持续效果与土壤微生态机理（Ⅰ）[J]. 中国生态农业学报（中英文）， 2019， 27（2）： 257-266.

东北农业大学. 一种克服西瓜连作障碍的生态栽培方法： 200910072411.0[P]. 2009-12-09.

Doran J W， Sarrantonio M， Liebig M A. Soil health and sustainability[J]. Advances in Agronomy， 1996， 56（8）： 1-54.

Weimer J L. Temperature and soil-moisture relations of Fusaritun oxysporum var. medicaginis[J]. Journal of Agricultural Research， 1930. 40（2）： 97-103.

王振中. 香蕉枯萎病及其防治研究進展[J]. 植物检疫， 2006， 20（3）： 198-200.

董贤慧， 钱  涛， 高维娟， 等. 温度对茄病镰刀菌生长情况及产孢量的影响[J]. 中国真菌学杂志， 2011， 6（1）： 22-25.

李  进， 张立丹， 刘  芳， 等. 碱性肥料对香蕉枯萎病发生及土壤微生物群落的影响[J]. 植物营养与肥料学报， 2016， 22（2）： 429-436.

李  进， 樊小林， 蔺  中. 碱性肥料对土壤微生物多样性及香蕉枯萎病发生的影响[J]. 植物营养与肥料学报， 2018， 24（1）： 212-219.

吴振辉， 黄显达， 王卫平， 等. 松阳县主要农作物施用化肥农药现状及防治水体污染对策[J]. 浙江农业科学， 2015， 56（1）： 38-41.

裴龙飞， 朱发娣， 柴阿丽， 等. 中国华北地区瓜类尖孢镰刀菌对咪鲜胺的敏感性及抗药突变株生物学性状研究[J]. 农药学学报， 2016， 18（5）： 575-581.

Zhao S， Liu D， Ling N， et al. Bio-organic fertilizer application significantly reduces the Fusarium oxysporum， population and alters the composition of fungi communities of watermelon Fusarium wilt rhizosphere soil[J]. Biology and Fertility of Soils， 2014， 50（5）： 765-774.

赵兰凤， 胡  伟， 刘小锋， 等. 生物有机肥对香蕉根际土壤生物多样性的影响[J]. 华南农业大学学报， 2013， 34（2）： 144-148.

Ward D M， Weller R， Bateson M M. 16S rRNA sequences reveal numerous uncultured microorganisms in a natural community[J]. Nature， 1990， 345（6270）： 63-65.

周登博， 陈宇丰， 井  涛， 等. 抗香蕉枯萎病甲基营养型芽孢杆菌的鉴定及定殖[J]. 中国农学通报， 2017， 33（36）： 145-151.

Srivastava R， Khalid A， Singh U S， et al. Evaluation of arbuscular mycorrhizal fungus， fluorescent Pseudomonas and Trichoderma harzianum formulation against Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici for the management of tomato wilt[J]. Biological Control， 2010， 53（1）： 24-31.

Qiu M， Zhang R， Xue C， et al. Application of bio-organic fertilizer can control Fusarium wilt of cucumber plants by regulating microbial community of rhizosphere soil[J]. Biology and Fertility of Soils， 2012， 48（7）： 807-816.

Gil S V， Meriles J， Conforto C， et al. Response of soil microbial communities to different management practices in surface soils of a soybean agroecosystem in Argentina[J]. European Journal of Soil Biology， 2011， 47（1）： 55-60.

高晓敏， 王琚钢， 云兴福， 等. 西芹醇层物对黄瓜枯萎病菌的化感作用及化感物质鉴定[J]. 中国生物防治学报， 2017， 33（2）： 281-288.

Reiss A， Fomsgaard I S， Mathiassen S K， et al. Weed suppressive traits of winter cereals： Allelopathy and competition[J]. Biochemical Systematics and Ecology， 2018， 76： 35-41.

杨江舟， 张  静， 胡  伟， 等. 韭菜根系浸提液对香蕉枯萎病和土壤微生物生态的影响[J]. 华南农业大学学报， 2012， 33（4）： 480-487.

沈宗专. 抑制香蕉土傳枯萎病土壤的微生物区系特征及调控[D]. 南京： 南京农业大学， 2015.

Kinkel L L， Bakker M G， Schlatter D C. A coevolutionary framework for managing disease-suppressive soils[J]. Annual Review of Phytopathology， 2011， 49（49）： 47-67.

李  虹， 李汀贤， 赵凤亮， 等. 香蕉枯萎病发生区域土壤改良：间作对热带土壤微生物区系和pH相关关系的影响[J]. 园艺与种苗， 2017（9）： 21-27.

柳  影， 文  娟， 曹  群， 等. 套种韭菜配施生物有机肥对香蕉枯萎病及土壤微生物的影响[J]. 农业环境科学学报， 2015， 34（2）： 303-309.

赖朝圆， 杨  越， 陶成圆， 等. 不同作物-香蕉轮作对香蕉生产及土壤肥力质量的影响[J]. 江苏农业学报， 2018， 34（2）： 299-306.

Pankhurst C E， Mcdonald H J， Hawke B G， et al. Effect of tillage and stubble management on chemical and microbiological properties and the development of suppression towards cereal root disease in soils from two sites in NSW， Australia[J]. Soil Biology & Biochemistry， 2002， 34（6）： 833-840.

李  彤， 王梓廷， 刘  露， 等. 保护性耕作对西北旱区土壤微生物空间分布及土壤理化性质的影响[J]. 中国农业科学， 2017， 50（5）： 859-870.

Paulitz T C， Smiley R W， Cook R J. Insights into the prevalence and management of soilborne cereal pathogens under direct seeding in the Pacific Northwest， U.S.A.[J]. Canadian Journal of Plant Pathology， 2002， 24（4）： 416-428.