摘要：作物土傳病害已經(jīng)成為集約化農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的瓶頸，在糧食安全、資源高效和生態(tài)健康多目標(biāo)協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)思想下，系統(tǒng)的綠色防控理論和技術(shù)體系構(gòu)建是破解該難題的重要前提。作為植物-土壤互作的熱點區(qū)域，根際棲息著較土體土壤更豐富的微生物群落，是土傳病原物入侵作物根系的必經(jīng)之路。根際微生態(tài)系統(tǒng)中的植物、土壤、微生物組和病原物之間的交互作用必然影響著植物健康。筆者將根際微生態(tài)系統(tǒng)抵御土傳病原物入侵的現(xiàn)象和能力，稱之為“根際免疫”。本文重點梳理根際免疫概念形成的4個重要階段：(1)抑病土壤概念的提出與發(fā)展;(2)抑病微生物篩選與作用機制;(3)抑病土壤核心微生物組及互作機制;(4)根際免疫概念的形成與發(fā)展思考。最后從關(guān)注根際微生態(tài)、注重學(xué)科交叉和系統(tǒng)揭示根際免疫機制三方面進行展望，以期為提升土壤-植物系統(tǒng)健康和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞：土傳病害;抑病土壤;根際;微生物組;根際免疫

　　土傳病害是指由生活史中一部分或大部分存在于土壤中的病原物(病原細菌、病原真菌、病原卵菌、病原線蟲等)在條件適宜時萌發(fā)并侵染植物根系而導(dǎo)致的病害。隨著集約化農(nóng)業(yè)高速發(fā)展，單一作物連作及氮肥、農(nóng)藥等化學(xué)品過量施用等因素導(dǎo)致的土傳病害日益嚴(yán)重，環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品安全以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展受到了很大的威脅。以土傳青枯病(致病菌為青枯菌Ralstoniasolanacearum)為例，該細菌性土傳病害在我國僅3個省及地區(qū)(西藏、內(nèi)蒙古、澳門)未報道，淮河以南尤為嚴(yán)重[1]。

　　尤其在全球變暖以及集約化農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的背景下，土壤中植物病原物的風(fēng)險將會進一步增大[2]。長久以來，植物病理與保護、農(nóng)學(xué)、園藝、土壤、植物營養(yǎng)、微生物等領(lǐng)域工作者均參與到土傳病害的研究與防控中，所開發(fā)的抗病品種、化學(xué)農(nóng)藥和熏蒸、嫁接、輪作、營養(yǎng)平衡、生物菌劑和生物有機肥等單一和綜合措施對土傳病害的有效控制做出了重要貢獻，但當(dāng)前及未來土傳病害的防控形勢依然面臨著巨大壓力[3-4]。

　　相對于地上部植物病害，由于土壤物理、化學(xué)和生物環(huán)境的復(fù)雜性，土傳病害的發(fā)生和防控更加復(fù)雜。從土壤學(xué)角度闡釋土傳病害發(fā)生的機制，揭示土壤各因子對土傳病害防控的影響，系統(tǒng)梳理各個學(xué)科領(lǐng)域的優(yōu)勢，將相關(guān)理論和技術(shù)體系進行整合，將有助于科研工作者有效解決土傳病害問題。大量研究[5-7]表明，土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性均影響著土傳病害的發(fā)生。根際是受植物根系機械作用及其分泌物顯著影響的土壤微域，其物理、化學(xué)和生物學(xué)特性與土體土壤顯著不同。根際是土傳病原物入侵作物根系的必經(jīng)之路[8]，必然受定殖在該區(qū)域復(fù)雜多樣的微生物的影響。為此，根際這一特殊微域中植物、土壤、微生物組、病原物之間的交互作用必然顯著影響植物健康。筆者將上述四者在根際互作形成的抵御土傳病原物入侵的現(xiàn)象和能力，稱之為“根際免疫”(rhizosphereimmunity)[9]。

　　本文重點梳理根際免疫概念形成的4個重要方面或階段：(1)抑病土壤概念的提出與發(fā)展;(2)抑病土壤微生物篩選與作用機制;(3)抑病土壤核心微生物組及互作機制;(4)根際免疫概念的形成與發(fā)展思考。在此基礎(chǔ)上，呼吁關(guān)注根際微生態(tài)、注重學(xué)科交叉并系統(tǒng)揭示根際免疫機制，以期為提升土壤-植物系統(tǒng)健康和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。1抑病土壤概念的提出與發(fā)展雖然Atkinson[10]于1892年就已報道存在抑制棉花枯萎病發(fā)生的土壤，且于1931年指出土壤微生物與土壤的抑病能力有關(guān)[11]，但直至1974年才由Baker和Cook[12]首次提出抑病土壤(diseasesuppressivesoil)的概念，明確其定義為“土壤中病原物不能定殖，或能定殖但危害很小或無危害，或能定殖并一時造成危害但隨后即使在病原物存在的情況下發(fā)病也很輕的土壤”。與之相對應(yīng)的是非抑病土壤，也稱感病土壤(diseaseconducivesoil)，指容易感病的土壤。

　　自此，先后在多種作物及多種土傳病害發(fā)生的農(nóng)田系統(tǒng)中證實了抑病土壤的存在。依據(jù)病原物的不同，目前已有以下四種類型的抑病土壤：(1)抑制細菌性病害發(fā)生的抑病土壤，如土豆瘡痂病鏈霉菌[13]、番茄青枯病[14]的抑病土壤;(2)抑制真菌性病害發(fā)生的抑病土壤，如小麥全蝕病[15]、香蕉枯萎病[16-17]、豌豆根腐病[18]、花菜立枯病[19]的抑病土壤;(3)抑制線蟲病害發(fā)生的抑病土壤，如萵苣根結(jié)線蟲[20]、桃根結(jié)線蟲[21]的抑病土壤;(4)抑制原生生物病害發(fā)生的抑病土壤，如根腫病[22]的抑病土壤。值得注意的是，田間抑病土壤可能會呈斑塊化特征，即在同一田塊會出現(xiàn)某些健康的植株周圍全是發(fā)病植株的現(xiàn)象[23]。研究[23-24]發(fā)現(xiàn)在斑塊化抑病土壤中細菌和原生動物群落以及它們的互作在抑病中發(fā)揮著重要作用。

　　自1931年Henry[11]提出微生物是抑病土壤的基礎(chǔ)之一后，大量研究通過土壤加熱滅菌、使用殺菌劑、土壤移植等方式逐漸證實微生物參與了抑病土壤的形成與功能維持[25-30]。如Mendes等[26]將甜菜立枯病的抑病土壤按照10%的比例與感病土壤混合后，再次種植甜菜后，立枯病的發(fā)病率顯著降低;而經(jīng)50℃加熱滅菌1h后再次種植甜菜發(fā)現(xiàn)，該土壤丟失了抑病能力，導(dǎo)致立枯病發(fā)病率顯著升高。盡管抑病土壤的物理化學(xué)性狀，如pH、有機質(zhì)含量、黏粒含量可直接作用于病原物而提升土壤抑病能力[31-32]，但它們更多則是通過影響土壤微生物的裝配而間接作用于病原物，進而提升土壤抑病能力[33]。因此，抑病土壤的形成與功能維持是由土壤中生物與非生物因素共同決定的[27]。

　　2抑病土壤微生物篩選與作用機制

　　明確微生物在抑病土壤形成與功能維持中的重要作用之后，大量研究開始探索抑病土壤的微生物學(xué)作用機制。根據(jù)抑病機制的不同，抑病土壤一般分為廣譜抑病(generalsuppression)和特異抑病(specificsuppression)土壤[29]。廣譜抑病能力的形成通常與土壤中較高的微生物活性有關(guān)，其抑病能力不能轉(zhuǎn)移，可因土壤有機質(zhì)的增加而提升[34]。特異抑病能力是由于土壤中某類微生物主導(dǎo)形成的，可轉(zhuǎn)移性是其主要的特征。當(dāng)接種一定比例的特異抑病土壤至感病土壤中后，感病土壤能逐漸轉(zhuǎn)化為抑病土壤[35]。因此，挖掘抑病土壤中發(fā)揮抑病作用的有益微生物及其作用機制，為土傳病害的防控提供微生物資源與理論指導(dǎo)，成為研究的熱點。

　　抑病土壤中諸如假單胞菌(Pseudomonas)[15,26]、鏈霉菌(Streptomycete)[36]等有益細菌，木霉(Trichoderma)[37]、非致病性鐮刀菌(non-pathogenicFusarium)[38]等有益真菌以及病原細菌的專性噬菌體[39]等多種功能微生物被陸續(xù)分離篩選出來，隨后有益微生物通過拮抗和營養(yǎng)競爭、寄生、捕食、誘導(dǎo)植物抗性以及干擾病原物致病信號等方式抑病的機制也逐漸被揭示。

　　例如，假單胞菌通過產(chǎn)生2,4-二乙酰基間苯三酚、吩嗪、吡咯菌素及氰酸等物質(zhì)拮抗病原物從而提升土壤的抑病能力[27,40-41]。芽孢桿菌通過分泌脂肽類物質(zhì)、表面活性劑以及小分子揮發(fā)性物質(zhì)(volatileorganiccompounds,VOCs)等直接殺滅病原物或抑制病原物，從而提升土壤的抑病能力[42-45]。

　　Gu等[46]研究發(fā)現(xiàn)，鐵載體介導(dǎo)的根際細菌與病原青枯菌的鐵營養(yǎng)競爭決定著番茄青枯病的發(fā)生與否，在育苗階段加入高產(chǎn)且鐵載體不會被病原青枯菌“竊取”的有益微生物，可有效保護作物健康。

　　3抑病土壤核心微生物組及互作機制

　　土壤微生物在抑病中發(fā)揮重要作用，但田間實踐研究[55]表明單一有益菌常因根際定殖能力不強而無法實現(xiàn)穩(wěn)定抑病的目標(biāo)，說明在實際抑病土壤中可能是多個核心微生物協(xié)同發(fā)揮抑病作用。為此，解析抑病土壤核心微生物的組成及功能特征成為當(dāng)前的研究前沿和熱點。

　　自2010年以來，隨著16S/18S/ITS擴增子測序(16S/18S/ITS-ampliconsequencing)、宏基因組(metagenomic)、宏轉(zhuǎn)錄組(metatranscriptomics)、宏蛋白組(metaproteomics)和宏代謝組(metabolomics)、DNA穩(wěn)定性同位素示蹤(DNAstableisotopeprobing)、基因芯片技術(shù)(phyloChip/geochip)等多組學(xué)研究技術(shù)的發(fā)展，抑病土壤核心微生物組結(jié)構(gòu)和功能解析不斷取得突破(圖3)。例如，甜菜立枯病[26]、香蕉枯萎病[16]、草莓枯萎病[36]、小麥全蝕病[56]等抑病土壤的核心微生物組被解析出來。次生代謝產(chǎn)物合成、脅迫響應(yīng)等與抑病相關(guān)的核心功能基因也被挖掘出來[23,57]。

　　上述研究表明，土壤抑病能力與土壤微生物的核心菌群結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)，但不同區(qū)域、不同病害的抑病土壤核心微生物組成與功能存在顯著差異。因此，利用多組學(xué)技術(shù)解譯抑病核心微生物組仍是抑病土壤研究領(lǐng)域的一大重點。盡管組學(xué)技術(shù)能解析出自然菌群中潛在的核心抑病菌群，但它們協(xié)同抑制病原物的機制很難用自然菌群來驗證。為此，近年來學(xué)者們利用合成微生物群落探究群落互作及協(xié)同抑病機制。

　　Li等[58]基于合成菌群，發(fā)現(xiàn)相對于便利型菌群，競爭型的微生物群落有利于抑制病原細菌的入侵。Wei等[59]及Hu等[60]分別從營養(yǎng)競爭和拮抗競爭的角度進一步闡述了合成菌群抵御病原細菌入侵根際的機制，指出功能菌群在營養(yǎng)資源利用上的互補效應(yīng)和在拮抗物質(zhì)抑菌中的協(xié)同效應(yīng)，對合成菌群的抑病能力起關(guān)鍵作用。Durán等[61]通過宏基因組、宏培養(yǎng)組學(xué)(分離篩選大量細菌和真菌)和合成菌群的方法闡述了細菌和絲狀真菌之間的跨界競爭互作對作物抵御真菌和卵菌等植物病害的影響。Wang等[39]通過構(gòu)建特定病原細菌的噬菌體組合，發(fā)現(xiàn)噬菌體可通過靶向消滅病原細菌，降低其生存競爭能力，同時還可重新調(diào)整根際土壤菌群的結(jié)構(gòu)，恢復(fù)群落多樣性，增加群落中具有拮抗能力的有益菌豐度，進而提升根際菌群抑制病原細菌入侵的能力。

　　4根際免疫概念形成與發(fā)展

　　4.1根際免疫的提出背景

　　盡管科學(xué)家已開發(fā)出環(huán)境友好的方法以控制植物土傳病害，如生物農(nóng)藥、抗性植物品種、土壤改良方法和微生物接種劑等，但上述策略大多仍是孤立的應(yīng)用，導(dǎo)致其效果不能充分體現(xiàn)。

　　經(jīng)過近50年的發(fā)展，尤其是“土壤記憶”(soilmemory)[63]及“土壤遺留效應(yīng)”(soillegacy)[64]等概念提出以后，抑病土壤的內(nèi)涵、邊界等方面均有了質(zhì)的變化。學(xué)者們研究[65-66]發(fā)現(xiàn)，病原物入侵后通過激活植物系統(tǒng)誘導(dǎo)抗性，富集多種特異性的根際有益菌，而這些有益菌相互合作并作為一個整體可共同參與抵抗植物病原物;且上一代受到病原物入侵的植株通過土壤遺留效應(yīng)協(xié)助下一代植株抵御同種病原物的入侵。上述復(fù)雜的植物-土壤-微生物組-病原物互作關(guān)系，讓人們逐漸認識到抑病土壤的實質(zhì)是植物、土壤、微生物組和病原物四大因子在根際交互作用的結(jié)果。

　　Wei等[9]提出的根際免疫是將根際作為一個生態(tài)系統(tǒng)或者“超有機體”(meta-organism)，強調(diào)整個根際微生態(tài)系統(tǒng)抵御病原物入侵的能力，其核心是根際形成了能夠抵御土傳病原物入侵和維持植物健康能力的特定微生物群落。值得注意的是，近期Zhang等[67]提出的根際免疫(rhizosphericimmunity)是以植物為中心，主要從植物本身根組織和細胞出發(fā)，重點闡述延伸蛋白(主要在植物根部表達的細胞壁糖蛋白)與邊界細胞共同形成“根細胞外陷阱”網(wǎng)絡(luò)等根際免疫在植物防御中的重要作用。兩個概念有很好的互補作用，豐富了根際免疫的內(nèi)涵。

　　5思考與展望

　　在全球變暖、人類活動加劇和土傳病害日益嚴(yán)重的背景下，開發(fā)新型、綜合、高效的可持續(xù)土傳病害阻控策略，對實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護和食物安全高效生產(chǎn)的多目標(biāo)需求至關(guān)重要。根際免疫作為一個整體的概念框架，以生態(tài)系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，綜合以植物、土壤、微生物組和病原物等為中心的土傳病害管理理論和技術(shù)措施，強調(diào)不僅要獨立了解根際免疫的每個組成部分，更要解析各組成部分如何相互作用和影響，并客觀評估它們對根際免疫和植物健康的貢獻。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，需要從事不同學(xué)科領(lǐng)域的工作者分工協(xié)作，促進多學(xué)科合作，探明根際免疫相關(guān)科學(xué)問題，推動不同學(xué)科知識和理念的相互交融和應(yīng)用。

　　5.1根際免疫呼吁關(guān)注人類活動對根際微生態(tài)的影響

　　關(guān)于土傳病害的發(fā)生，人們的認知在逐步豐富和深入。病三角(diseasetriangle)強調(diào)了自然生態(tài)系統(tǒng)中寄主植物、病原物、環(huán)境三個因素的相互作用。根際免疫將環(huán)境拆分為土壤和微生物組兩部分，強調(diào)了微生物組與植物及病原物互作對病害發(fā)生的影響。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，病三角加上人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動因素則構(gòu)成了“病四面體”(diseasetetrahedron)。在這個四面體中，人類干預(yù)作用對土傳病害發(fā)生的影響越來越大，甚至是起到了主導(dǎo)作用。

　　微生物論文范例：微生物檢驗應(yīng)當(dāng)注意的幾個因素

　　人類活動不僅僅表現(xiàn)在對宿主植物的馴化、改造(嫁接、基因工程等)和對病原物的非特異性殺滅抑制(化學(xué)農(nóng)藥和熏蒸等)等方面，更多的是對植物生長環(huán)境的改變，比如小氣候的調(diào)控(光照、水分、CO2等)、土壤養(yǎng)分供應(yīng)(施肥)、植物種群密度設(shè)置(高復(fù)種指數(shù))及生態(tài)多樣性控制(除草)等。根際免疫將人們對土傳病害認知的焦點轉(zhuǎn)移至地下，呼吁關(guān)注地下微生態(tài)互作以及它們在土傳病害發(fā)生與阻控中的重要作用，探明人類活動所產(chǎn)生的區(qū)域環(huán)境改變以及全球變化對植物、土壤、微生物組和病原物以及它們之間(尤其在根際這一微域)互作的短期和長期影響。

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　　作者：韋中，沈宗專，楊天杰，王孝芳，李榮，徐陽春，沈其榮