【原】Agronomy | 西農林雁冰組生物菌劑聯合玉米輪作減少向日葵列當寄生

婁徹氏鏈霉菌D74聯合玉米輪作對向日葵列當的防除應用

Maize Rotation Combined with Streptomyces rochei D74 to Eliminate Orobanche cumana Seed Bank in the Farmland

Article，2022-12-9

Agronomy, [IF 3.939]

DOI：https:///10.3390/agronomy12123129

原文鏈接：https://www./2073-4395/12/12/3129

第一作者：Jiao Xi (席嬌)

通訊作者：Yanbing Lin (林雁冰)；Yongxin Liu (劉永鑫)

主要單位：

1. 西北農林科技大學生命科學學院(College of Life Sciences, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

2. 中國科學院水利部水土保持研究(State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry Land Farming, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)

3. 西北農林科技大學資源環境學院(College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

4. 中國農業科學院深圳農業基因組所(Shenzhen Branch, Guangdong Laboratory of Lingnan Modern Agriculture, Genome Analysis Laboratory of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Agricultural Genomics Institute at Shenzhen, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Shenzhen 518120, China)

向日葵列當是一種根寄生雜草，具有特殊的生長史，種子萌發與寄生均在地下進行，常用的防除方法難以在向日葵列當種子萌發時期進行阻斷。目前常用的防除措施往往是單一的方法，且防除效果有限。在土壤種子庫較多的土地中，列當嚴重制約了向日葵產業的發展。因此尋找更加經濟、高效防除向日葵列當的措施迫在眉睫。本研究結合兩種生物防除手段，旨在解決列當寄生問題。生測試驗表明，放線菌D74無細胞發酵濾液可有效抑制列當種子萌發。高濃度D74發酵液處理后的列當種子芽管長度多集中于0–1mm區間，低濃度處理后的列當種子芽管長度多集中于1–3mm區間。兩年的盆栽輪作試驗表明D74聯合玉米輪作可促進向日葵生長，表現為向日葵生物量積累，根系茂密，根長增加11.87%–43.14%，株高顯著增加11.21%–29.08%。聯合使用菌劑D74與輪作玉米相較于單獨使用一種方法，顯著減少了列當出土數及寄生總數。聯合措施影響了向日葵根際土壤細菌群落組成，主要表現為Streptomyces和Brevibacterium數量增加，Arthrobacter數量降低，且不同處理組間微生物群落組成表現出差異。該實驗結合多重生物防除手段，有效減少列當了的寄生，為實際應用提供了有效依據。

向日葵列當是一種全寄生性雜草，缺乏葉綠素，無光合作用能力。寄主植物根部分泌的發芽信號物質——獨腳金內酯，可以被列當種子感知，引起發芽，并在末端形成一種特殊瘤狀突起組織——吸器。它可以吸附在寄主根表，穿透根系表皮，生長至木質部和韌皮部，在寄主與列當之間形成連續的“木質素橋”。列當通過吸取寄主體內的碳水化合物、水分和礦物元素來滿足其自身生長發育需求，最終生長至地表，開花并產生大量微小的種子。受列當嚴重寄生的影響，向日葵產量減少，品質降低，這影響了農民收益，進而阻礙了農業發展。目前常用的列當防治辦法主要有人工拔除，噴灑除草劑，土壤熏蒸，灌溉，誘捕作物輪作，化感作用等。

本研究使用玉米作為誘捕作物，玉米根系的分泌物可以刺激周圍土壤中列當種子萌發，但無法與作物建立有效連接，最終由于缺乏營養物質的供應而死亡。重復種植誘捕作物，使有寄生活性的列當種子徒勞地發芽而沒有產生新的種子補充，可以有效減少土壤種子庫含量。本試驗使用的菌株是課題組前期篩選出對列當具有萌發抑制潛力的放線菌——婁徹氏鏈霉菌D74，同時該菌株還可以促進多種作物生長。

Effects of D74 Fermentation Filtrates on the Germination of O. cumana Seeds

Effects of Maize Rotation and S. rochei D74 Agents on Sunflower Growth

輪作盆栽實驗在向日葵成熟期收獲并觀察其生長情況，添加列當種子組的向日葵長勢相較于未添加列當種子組較弱。具體表現為植株矮小，莖稈較細，葉片泛黃且不飽滿，表明列當可嚴重制約寄主向日葵的生長（圖2）。添加D74菌劑（NXJY與NXJN）相較于對照組（NXNY與NXNN）主根長度增長且須根及側根數目顯著增多，尤其在NXJY組中水平根發育狀態良好，形成根網，有助于吸收基質中的養分和水分，并傳輸至地上莖以及植物的其他組織，滿足植物生長。綜合兩年結果，添加列當種子后向日葵株高、莖粗、地上、地下部分干重以及根長均顯著低于未添加列當種子（p<0.05），表明列當可對向日葵植株生物量造成嚴重損耗；在列當寄生條件下，玉米輪作與菌劑聯合使用對向日葵的促生效果十分顯著，高于單獨使用D74菌劑或玉米輪作。

Effect of Maize Rotation and S. rochei D74 Agents on O. cumana Parasitism

第一年種植結果主要探究D74菌劑單獨作用對向日葵列當生長的影響（圖3）。添加D74菌劑的LXJY組列當出土個數和出土率低于未添加D74組LXNY與LXNN。第二年種植結果主要探究D74菌劑與輪作玉米二者單獨作用及聯合使用時對向日葵列當生長的影響。單獨輪作玉米組（LXNY）對列當出土數及總寄生數都有顯著的抑制作用，其中相較于對照組LXNN分別顯著降低65.22%、64.36%（p<0.05）。輪作玉米配施D74菌劑組（LXJY）相較于LXJN對列當出土數抑制率可達78.26%，抑制效果最好，對列當寄生總數抑制率為48.51%。第二年收獲時不同處理組向日葵列當的出土數及寄生總數相較于第一年呈大幅度降低。這表明連續種植誘導作物可以在不產生列當種子的情況下有效減少土壤中列當種子庫數量。綜上，單獨輪作玉米或單施D74菌劑都可以降低列當寄生數量，但兩種措施聯合使用，對列當的抑制效果則最佳（p<0.05）。

圖3 D74菌劑和玉米輪作對列當寄生的影響。（a，第一年測定結果；b，第二年結果，紅色數字代表列當出土率）。

Effect of Maize Rotation and S. rochei D74 Agents on Rhizosphere Microbiota

不同處理組向日葵根際土壤中可培養細菌種類及相對豐度在TSB與R2A培養基篩選結果相似，細菌均分布于3個門中：Actinobacteria，Firmicutes和Proteobacteria（圖4）。施加D74菌劑與輪作玉米對向日葵根際土壤可培養微生物數目會產生一定影響。無論是否存在列當，施加D74菌劑、輪作玉米或共同處理后的土壤中分離得到的細菌數目高于相應對照組。擴增子結果表明，在不同處理組的向日葵根際土壤中，top 5的細菌門為Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria、Gemmatimonadetes和Bacteroidetes（圖5）。群落分析結果表明，D74菌劑與玉米輪作聯合使用，對群落差異影響最大，單施D74菌劑次之，輪作玉米的影響最小。

圖5 土壤中有無列當種子時，添加D74菌劑和玉米輪作對根際微生物的影響。

本研究通過輪作試驗，不僅表明單獨使用放線菌D74與輪作玉米對列當及向日葵植株的效果。還進行了微生物聯合作物輪作，探究了協同使用的效果。結果表明，將生物控制與作物輪作方法聯合使用，不僅可以防除列當寄生的草害問題，還增加了向日葵物質積累，促進生長。這一方法打破以往單一的列當防除思路，且通過微生物菌劑代替化學防治，對環境的影響較小，符合綠色環保理念，利于其在農業上推廣，有望實現長期有效的控制列當寄生的目標。