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求索回眸6:辣椒疫霉发生机制及生物防治研究

已有 663 次阅读 2021-2-1 09:47 |个人分类:科研感悟|系统分类:论文交流

 

 一个偶然的机会,启动了一项长达20余年的重茬土壤生物退化机制及微生物修复研究。

 2000年,因参加青海省农科院土壤肥料研究所科研项目,我带领研究生蔡艳去青海采集土壤样品。项目主要内容为青海高原土壤微生物资源调查。我们承担了土壤放线菌资源调查工作。

 一天,我和青海农林科学院土壤肥料研究所所长陈占全研究员及蔡艳等人,在青海省乐都县采集土壤样品时,被很多菜农围了起来,给我们讲述了他们种的辣椒大面积死亡,用农药也无效,损失惨重,希望能得到我们的帮助。

 青海乐都县,是一个以日光温室蔬菜生产为主产业的高原农业县。在当时,该县一个温室一季辣椒的产值已超过1万元。温室辣椒一旦发病,就几乎绝收。第一次听到这件事,对我的影响很大。据陈所长介绍,辣椒大面积死亡这件事,乐都菜农曾经在青海省开人大会时群体上访,请求省上领导协助解决。青海农科院植保所的科研人员对此问题也进行了一系列研究,但收效不大,没有从根本上解决问题。

 陈所长是植保专家,他介绍说,辣椒大面积死亡是由土壤有害真菌引起的土传病害,病原菌为辣椒疫霉,该菌能引起辣椒根系与茎秆交界处染病缢缩,韧皮部溃烂,导致辣椒死亡。向叶面喷施农药,对由根系上病原菌引起的病害作用不大。向土壤中大量施用农药,存在很多问题:一是土壤对农药有吸附固定作用,会降低药效;二是土壤中生存的大量微生物对农药有降解作用,能使农药很快失效或效果降低。由于上述作用,导致农药用量很大时才有效,进而产生了第三个问题,农药大量施入,引起土壤中农药残留量大幅度上升,使蔬菜中农药残留严重超标,生产的蔬菜会危害食用者健康。农药大量施用还产生了第四个问题,蔬菜种植时,农药成本过高,菜农经济效益严重下降。乐都县为辣椒产区,农民种辣椒经验丰富,管理技术熟练,每年都有固定的客商来收购,销售容易,改种其他蔬菜,除管理技术不熟练外,没有客商来菜区收购,销售难,效益差。但在同一个温室连续多年种植辣椒,就发生辣椒疫霉病,喷药,施肥,灌溉都不能解决辣椒大面积死亡问题。

青海辣椒22.jpg

图1.青海乐都日光温室辣椒疫霉病状


    知道上述情况后,我觉得这是一个我们有可能解决的问题。

 由于该病是由土壤微生物引起,如果搞清楚了土壤微生物的变化,就有可能揭开辣椒疫霉病发生的秘密,就能找到解决方案。

 我的天性就是对困难问题有兴趣。凡是解决起来很困难,但对国计民生影响很大的问题,就是我感兴趣的问题。解决了这些问题,老百姓收入增加,我们的努力有结果,即使辛苦也值得。如果不属于上述类型的问题,我从来不愿涉及,不愿意作没有应用价值的研究;我从来不做只能发表论文的研究。不解决实际问题的研究,对国家无用,对老百姓无益,劳民伤财。

 当我决定要研究青海辣椒疫霉病害时,陈所长很高兴,这也是他们面临和一直想解决的难题。我们在原来计划进行的“青海土壤放线菌资源研究”任务的基础上,增加了与青海农科院土壤肥料研究所合作研究辣椒疫霉病防治的内容。

 在乐都县的日光温室,我们对辣椒疫霉病害发生及分布情况进行了详细调查,发现了一个奇怪的现象:同一个温室,在土壤类型相同,施肥灌溉措施相同,辣椒品种相同,一切管理技术均相同的情况下,虽然大部分辣椒死亡或发病,但仍有少量辣椒健康生长。

 看到这种情况,我的推测是:辣椒死了或病了,有其死亡或发病的原因;辣椒健康生长,也必然有其健康生长的道理。由于同一个温室,施肥和灌溉措施相同,土壤养分和水分也不会有太大差异。因此,导致辣椒健康生长与发病的原因,就藏在辣椒根系周围的土壤中:土壤微生物可能是导致辣椒健康生长或发病死亡的根本原因。我们一定要揭开这个秘密。

 根据上述分析,我们设计了一个特殊的采样方法,分别采集健康辣椒与典型发病辣椒根系周围的土壤:以典型健康辣椒或发病辣椒植株为中心,以20cm为直径划分采样区,先挖出一个深度约30cm的环状沟,在保证根系上土壤不掉落的情况下,将整株辣椒带根系完整挖出,轻轻抖掉与根系结合不紧密,与根系关系不大的土壤,将剩余的附着在辣椒根系上的土壤连同各自的根系装入无菌自封袋中,一同带回实验室,用力抖掉与根系结合较紧密的土壤,取出根系装入另一个自封袋,将原自封袋中抖落的土壤混匀,并将其定义为“根区土壤”(即根系密集分布区的土壤),这些土壤与根系生长及健康关系密切。再将抖掉根区土壤,但表面仍沾附少量薄层土壤的根系通过无菌操作剪下,放入无菌水中,用力摇动约1分钟,将根系表面上与根系粘结更紧密,无法抖掉的薄层土壤用无菌水洗下,将其定义为“根表土壤”(即根系表面的土壤),其中生长的微生物与根系的关系更为密切。我们采用稀释平皿培养法分析了健康辣椒与典型疫霉病辣椒根区土壤、根表土壤中的不同微生物,将细菌培养皿中某些数量多,占细菌总数比例高的细菌称为“优势细菌”,并按其数量多少排序,分别编为优势细菌1,优势细菌2等,用同样的方法,定义并测定了根区、根表土壤中的优势真菌、优势放线菌。

 详细对比分析发现,健康辣椒与发病辣椒根区、根表土壤中的优势细菌、优势真菌及及优势放线菌种类不同,数量不同,存在很大差异。正如我预先推测所料,凡在健康辣椒根区土壤、根表土壤中呈优势的某种微生物,在发病辣椒根区土壤、根表土壤中数量很少,或者根本不存在。与之类似,凡在发病辣椒根区土壤、根表土壤中数量最多,占比呈优势的某种微生物,在健康辣椒根区土壤、根表土壤中,这些微生物数量很少,或根本不存在。其中,真菌的规律性更明显。

 这一结果,揭开了同一温室中健康辣椒与感染疫霉辣椒同时存在的秘密:根区土壤、根表土壤中优势微生物的种类与数量决定着辣椒的命运。

当根区土壤、根表土壤中有益微生物占优势时,辣椒健康生长;与之相反,当根区土壤、根表土壤中有害微生物,或病原微生物占优势时,辣椒就发病。

 除了辣椒外,我们还对草莓、西芹、西甜瓜、魔芋、人参、丹参、附子、黄瓜、西红柿等多种连作作物进行了类似研究,还增加了健株与病株根系内微生物的比较分析:分别将健康植株与发病植株根系表面用升汞消毒,消除根系表面的微生物后,在超净台上将根系剪下称重,放入无菌研钵中,加无菌水研磨,磨碎后加定量无菌水稀释,用来测定根系内的微生物,比较健康与发病植物根系内微生物的差异。所有研究均无一例外的表现出相同规律:健康植株与发病植株根区、根表土壤及根系内的微生物不同。健康植株根区、根表土壤及根系内的优势菌为有益菌,发病植株根区、根表土壤及根系内的优势菌为病原菌或有害菌。不同作物的差异在于,不同作物病害不同,在根区土壤、根表土壤及根系中呈优势的有益菌与有害菌种类不同,但规律完全相同。

 20078月在新疆大田中,我也看到了与青海日光温室辣椒疫霉病害相似的一幕:大量辣椒发病死亡。

新疆辣椒.jpg

图2.新疆大田辣椒疫霉病状


 由辣椒开始,通过20余年对10余种作物的探索研究,我们获得了一个结论:

 根区土壤、根表土壤中的优势微生物决定植物的命运。

 

 由此,我们揭开了长期存在的,同一田块,同一温室,健康植物与发病植物同时存在的奥秘。

 根系分泌物、根系表面的脱落物,为根系密集分布区内的微生物提供营养物质;根系的生理生化过程也影响根区土壤中的微生物生长,二者导致根区土壤中的微生物种类及数量与远离根系的土壤中的微生物差异很大。

 如果根系分泌物对有益微生物有利,则根区土壤中生长繁殖快的优势微生物就是有益微生物,这些微生物是植物根系的“好朋友”,这些微生物会促进植物根系生长,促使根系体积增大,根系分布范围更广,生长更健康,吸收水分和养分的能力更强,则植物地上茎叶生长好,健康,产量高,品质优。

 如果根系分泌物能抑制有益微生物生长,促进有害微生物生长,则根区土壤中大量生长繁殖的微生物就是植物根系的“敌人”,这些微生物会危害根系生长,甚至导致根系腐烂,进而引起地上茎叶枯萎或生长差,农产品质量差,甚至作物死亡绝收。

 鲜花的香味,吸引来的是蜜蜂,大粪的臭味,吸引来的是苍蝇。根系分泌物会吸引来不同微生物,帮助不同微生物生长繁殖。如果根系“有眼无珠”,“引狼入室”,就会吸引并促进病原菌或有害菌大量繁殖,就会招致“灭顶之灾”,引起根系溃烂,直至整株死亡。如果根系分泌物吸引来的是能分泌抗菌活性物质、分泌植物生长激素的有益微生物,则这些有益微生物就会刺激根系生长,扩大根系分布范围,增强根系的吸收功能,使根系吸收到更多的养分与水分,同时保护根系免遭根区土壤中有害微生物和根结线虫等土壤有害动物的侵染破坏,保证根系吸收功能正常发挥,植株健康生长。

 有8位硕士研究生参加了辣椒疫霉病发生机制与生物防治研究,这些学生分别是蔡艳,司美茹,涂璇,牛晓磊,梁军锋,郭志英,张晓鹿,蔡晓剑,共发表了11篇论文,总被引用530次,2008年以前发表的10篇论文被引用527次,单篇平均引用率约为53/篇。同时,从青海高原农田及自然土壤中分离到了一批有应用价值的拮抗性多功能生防菌,为后来20年的连作土壤退化微生物修复研究提供了效果优良的放线菌,也提供了进行连作土壤生物退化机理及修复研究的经验。

 




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1 宁利中

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