根际分泌物介导土壤微生物协同致害连作药用植物的分析与探讨

鞠吉东; 付心雨; 焦焕然; 孟缘; 卢恒; 王晓; 郭兰萍; 刘伟

doi:10.13422/j.cnki.syfjx.20221317

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

根际分泌物介导土壤微生物协同致害连作药用植物的分析与探讨

药学基础 | 更新时间：2022-11-17

- 根际分泌物介导土壤微生物协同致害连作药用植物的分析与探讨
- Rhizosphere Exudate-mediated Synergistic Harm of Soil Microorganisms to Medicinal Plants in Continuous Cropping
- 中国实验方剂学杂志 2022年28卷第20期页码：92-99
- 作者机构：
  
  1.山东中医药大学，济南 250355
  2.齐鲁工业大学（山东省科学院）/山东省分析测试中心，济南 250014
  3.中国中医科学院中药资源中心，北京 100700
- 作者简介：
  
  鞠吉东，在读硕士，从事中药资源与质量控制研究，E-mail：jujidong2021@163.com
  刘伟，博士，研究员，从事中药资源与质量控制研究，E-mail：liuwei0074@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金面上项目(82173917);现代农业产业技术体系项目(CARS-21);“一带一路”国家传统草药品种本底整理及数据库建设项目(2018FY100702);中央本级重大增减支项目(2060302);齐鲁工业大学（山东省科学院）科教产融合创新试点工程项目(2022PX093)
- DOI：10.13422/j.cnki.syfjx.20221317
  中图分类号： R284.2;R289;R22;R2-031;R33
- 收稿日期：2022-06-15，
  
  网络出版日期：2022-08-16，
  
  纸质出版日期：2022-10-20
- 稿件说明：
移动端阅览
鞠吉东,付心雨,焦焕然等.根际分泌物介导土壤微生物协同致害连作药用植物的分析与探讨[J].中国实验方剂学杂志,2022,28(20):92-99.

JU Jidong,FU Xinyu,JIAO Huanran,et al.Rhizosphere Exudate-mediated Synergistic Harm of Soil Microorganisms to Medicinal Plants in Continuous Cropping[J].Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae,2022,28(20):92-99.
鞠吉东,付心雨,焦焕然等.根际分泌物介导土壤微生物协同致害连作药用植物的分析与探讨[J].中国实验方剂学杂志,2022,28(20):92-99. DOI： 10.13422/j.cnki.syfjx.20221317.

JU Jidong,FU Xinyu,JIAO Huanran,et al.Rhizosphere Exudate-mediated Synergistic Harm of Soil Microorganisms to Medicinal Plants in Continuous Cropping[J].Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae,2022,28(20):92-99. DOI： 10.13422/j.cnki.syfjx.20221317.

摘要

连作障碍是药用植物栽培过程中的瓶颈，严重影响药材的品质与产量。对于连作障碍的形成机制从20世纪70年代的土壤理化性质和化感作用逐渐深入到目前的根际微环境变化及植物响应机制研究。该文结合领域内研究及作者所在团队的相关工作与思考，系统分析了连作条件下药用植物根际分泌物介导土壤微生物群落重构的机制，即根际分泌物通过提供微生物生长所摄取的碳源和能量，作为诱导剂或驱避剂等信号物质刺激、诱导微生物生长或转移，改变根际土壤酸度等理化性质影响根际微生物群落重塑；全面探讨了根际分泌物与土壤微生物协同致害连作药用植物的方式和途径，即根际分泌物介导病原微生物侵染根际并增加下茬植物的易感性、抑制宿主植物防御并保障病原菌抢占优势生态位，二者协同互作导致根际病原菌释放更多真菌毒素等致病因子、根际化感物质的毒性增强及土壤理化性质劣变；总结了根际分泌物与土壤微生物的互作在连作障碍形成过程中的重要作用，以期为揭示药用植物连作障碍的形成机制提供新的研究思路，为连作障碍的克服与消减提供理论支撑。

Abstract

Continuous cropping obstacle is the bottleneck of medicinal plant cultivation

which seriously affects the quality and yield of medicinal materials. The research on the mechanism of continuous cropping obstacle has evolved from soil physical and chemical properties and allelopathy in the 1970s to the changes of rhizosphere microenvironment and plant response mechanism at present. According to the available studies in this field and our previous research work

we systematically analyzed the mechanism of rhizosphere exudate-mediated microbial community reconstruction in the soil of the medicinal plants in continuous cropping. Specifically

rhizosphere exudates

providing the carbon source and energy for microbial growth

act as inducers or repellents to induce microbial growth or transfer

thereby changing the physicochemical properties (such as acidity) of rhizosphere soil and further altering the structure of rhizosphere microbial community. Further

we comprehensively discussed the ways of synergism between rhizosphere exudates and soil microorganisms in causing harm to the medicinal plants in continuous cropping. That is

rhizosphere exudates mediate the infection of the rhizosphere by pathogenic microorganisms

increase the susceptibility of the nearby plants

inhibit the defense of the host plants

and protect the pathogens to occupy the dominant niche. The synergistic interaction results in the release of more pathogenic factors such as mycotoxins by rhizosphere pathogens

enhanced toxicity of rhizosphere allelochemicals

and deterioration of soil physical and chemical properties. This paper summarizes the role of interaction between rhizosphere exudates and soil microorganisms in the formation of continuous cropping obstacles

aiming to provide a new research idea for revealing the formation mechanism as well as the theoretical support for overcoming continuous cropping obstacles of medicinal plants.

关键词

Keywords

references

万修福，王升，康传志，等 ." 十四五"期间中药材产业趋势与发展建议［J］. 中国中药杂志， 2022 ， 47 （ 5 ）： 1144 - 1152 .

王慧，张小波，汪娟，等 . 2020年全国中药材种植面积统计分析［J］. 中国食品药品监管， 2022 （ 1 ）： 4 - 9 .

李芮 . 三部委联合印发《全国道地药材生产基地建设规划（2018-2025年）》［J］. 中医药管理杂志， 2018 ， 26 （ 24 ）：封3 .

郭兰萍，周良云，莫歌，等 . 中药生态农业——中药材GAP的未来［J］. 中国中药杂志， 2015 ， 40 （ 17 ）： 3360 - 3366 .

刘伟，周冰谦，王晓，等 . 基于ITS序列的丹参连作根际土壤真菌群落组成及多样性分析［J］. 中国实验方剂学杂志， 2019 ， 25 （ 9 ）： 130 - 135 .

WU L ， WANG J ， HUANG W ， et al . Corrigendum： Plant-microbe rhizosphere interactions mediated by Rehmannia glutinosa root exudates under consecutive monoculture ［J］. Sci Rep ， 2016 ， 6 ： 19101 .

LI Y ， DAI S ， WANG B ， et al . Autotoxic ginsenoside disrupts soil fungal microbiomes by stimulating potentially pathogenic microbes ［J］. Appl Environ Microb ， 2020 ， 86 （ 9 ）： e120 - e130 .

WU H ， QIN X ， WANG J ， et al . Rhizosphere responses to environmental conditions in Radix Pseudostellariae under continuous monoculture regimes ［J］. Agric Ecosyst Environ ， 2019 ， 270/271 ： 19 - 31 .

WU Z ， YANG L ， WANG R ， et al . In vitro study of the growth， development and pathogenicity responses of Fusarium oxysporum to phthalic acid， an autotoxin from Lanzhou lily ［J］. World J Microbiol Biotechnol ， 2015 ， 31 （ 8 ）： 1227 - 1234 .

YUAN X F ， SONG T J ， YANG J S ， et al . Changes of microbial community in the rhizosphere soil of Atractylodes macrocephala when encountering replant disease ［J］. S Afr J Bot ， 2019 ， 127 ： 129 - 135 .

DONG L ， XU J ， LI Y ， et al . Manipulation of microbial community in the rhizosphere alleviates the replanting issues in Panax ginseng ［J］. Soil Biol Biochem ， 2018 ， 125 ： 64 - 74 .

XIN A ， LI X ， JIN H ， et al . The accumulation of reactive oxygen species in root tips caused by autotoxic allelochemicals-A significant factor for replant problem of Angelica sinensis （Oliv.） Diels ［J］. Ind Crop Prod ， 2019 ， 138 ： 111432 .

LIU S ， WANG Z Y ， NIU J F ， et al . Changes in physicochemical properties，enzymatic activities，and the microbial community of soil significantly influence the continuous cropping of Panax quinquefolius L. （American ginseng）［J］. Plant Soil ， 2021 ， 463 （ 1/2 ）： 427 - 446 .

NA X ， MA S ， MA C ， et al . Lycium barbarum L.（goji berry） monocropping causes microbial diversity loss and induces Fusarium spp. enrichment at distinct soil layers ［J］. Appl Soil Ecol ， 2021 ， 168 ： 104107 .

TAN G ， LIU Y ， PENG S ， et al . Soil potentials to resist continuous cropping obstacle：Three field cases ［J］. Environ Res ， 2021 ， 200 ： 111319 .

TURRÀ D ， EL GHALID M ， ROSSI F ， et al . Fungal pathogen uses sex pheromone receptor for chemotropic sensing of host plant signals ［J］. Nature ， 2015 ， 527 （ 7579 ）： 521 - 524 .

HU L ， ROBERT C ， CADOT S ， et al . Root exudate metabolites drive plant-soil feedbacks on growth and defense by shaping the rhizosphere microbiota ［J］. Nat Commun ， 2018 ， 9 （ 1 ）： 2738 .

ZHALNINA K ， LOUIE K B ， HAO Z ， et al . Dynamic root exudate chemistry and microbial substrate preferences drive patterns in rhizosphere microbial community assembly ［J］. Nat Microbiol ， 2018 ， 3 （ 4 ）： 470 - 480 .

HUANG A C ， JIANG T ， LIU Y X ， et al . A specialized metabolic network selectively modulates Arabidopsis root microbiota ［J］. Science ， 2019 ， 364 （ 6440 ）： 1 - 9 .

WU H ， WU L ， WANG J ， et al . Mixed phenolic acids mediated proliferation of pathogens Talaromyces helicus and Kosakonia sacchari in continuously monocultured Radix Pseudostellariae rhizosphere soil ［J］. Front Microbiol ， 2016 ， 7 ： 335 .

LI X ， DING C ， HUA K ， et al . Soil sickness of peanuts is attributable to modifications in soil microbes induced by peanut root exudates rather than to direct allelopathy ［J］. Soil Biol Biochem ， 2014 ， 78 ： 149 - 159 .

周冰谦，赵恒强，王晓，等 . 不同连作年限山地丹参根际土壤细菌群落结构变化及其多样性分析［J］. 中华中医药杂志， 2019 ， 34 （ 9 ）： 3980 - 3985 .

冯静，周冰谦，刘谦，等 . 丹参植株邻苯二甲酸与立枯丝核菌菌丝生长互作研究［J］. 山东科学， 2020 ， 33 （ 5 ）： 34 - 42 .

KUYPERS M ， MARCHANT H K ， KARTAL B . The microbial nitrogen-cycling network ［J］. Nat Rev Microbiol ， 2018 ， 16 （ 5 ）： 263 - 276 .

BAKKER P ， PIETERSE C ， DE JONGE R ， et al . The soil-borne legacy ［J］. Cell ， 2018 ， 172 （ 6 ）： 1178 - 1180 .

SASSE J ， MARTINOIA E ， NORTHEN T . Feed your friends： Do plant exudates shape the root microbiome？［J］. Trends Plant Sci ， 2018 ， 23 （ 1 ）： 25 - 41 .

CHAI Y N ， SCHACHTMAN D P . Root exudates impact plant performance under abiotic stress ［J］. Trends Plant Sci ， 2022 ， 27 （ 1 ）： 80 - 91 .

CORDOVEZ V ， DINI-ANDREOTE F ， CARRIÓN V J ， et al . Ecology and evolution of plant microbiomes ［J］. Annu Rev Microbiol ， 2019 ， 73 ： 69 - 88 .

吴林坤，林向民，林文雄 . 根系分泌物介导下植物-土壤-微生物互作关系研究进展与展望［J］. 植物生态学报， 2014 ， 38 （ 3 ）： 298 - 310 .

CASTRILLO G ， TEIXEIRA P J ， PAREDES S H ， et al . Root microbiota drive direct integration of phosphate stress and immunity ［J］. Nature ， 2017 ， 543 （ 7646 ）： 513 - 518 .

HERNÁNDEZ M ， DUMONT M G ， YUAN Q ， et al . Different bacterial populations associated with the roots and rhizosphere of rice incorporate plant-derived carbon ［J］. Appl Environ Microbiol ， 2015 ， 81 （ 6 ）： 2244 - 2253 .

KELLY C ， HADDIX M L ， BYRNE P F ， et al . Divergent belowground carbon allocation patterns of winter wheat shape rhizosphere microbial communities and nitrogen cycling activities ［J］. Soil Biol Biochem ， 2022 ， 165 ： 108518 .

ZHAO Y ， WU L ， CHU L ， et al . Interaction of Pseudostellaria heterophylla with Fusarium oxysporum f.sp. heterophylla mediated by its root exudates in a consecutive monoculture system ［J］. Sci Rep ， 2015 ， 5 ： 8197 .

舒阳 . 地黄根系分泌物诱导病原镰刀菌增殖的机制研究［D］. 福州：福建农林大学， 2014 .

LIU J ， LI X ， JIA Z ， et al . Effect of benzoic acid on soil microbial communities associated with soilborne peanut diseases ［J］. Appl Soil Ecol ， 2017 ， 110 ： 34 - 42 .

XU Y ， YANG M ， YIN R ， et al . Autotoxin Rg （1） induces degradation of root cell walls and aggravates root rot by modifying the rhizospheric microbiome ［J］. Microbiol Spectr ， 2021 ， 9 （ 3 ）： e0167921 .

SUN C ， WANG F ， WANG X ， et al . The choice of tissue fixative is a key determinant for mass spectrometry imaging based tumor metabolic reprogramming characterization ［J］. Anal Bioanal Chem ， 2020 ， 412 （ 13 ）： 3123 - 3134 .

CATFORD J G ， STAEHELIN C ， LAROSE G ， et al . Systemically suppressed isoflavonoids and their stimulating effects on nodulation and mycorrhization in alfalfa split-root systems ［J］. Plant Soil ， 2006 ， 285 （ 1 ）： 257 - 266 .

DING Y ， GARDINER D M ， XIAO D ， et al . Regulators of nitric oxide signaling triggered by host perception in a plant pathogen ［J］. Proc Natl Acad Sci USA ， 2020 ， 117 （ 20 ）： 11147 - 11157 .

NORDZIEKE D E ， FERNANDES T R ， EL GHALID M ， et al . NADPH oxidase regulates chemotropic growth of the fungal pathogen Fusarium oxysporum towards the host plant ［J］. New Phytol ， 2019 ， 224 （ 4 ）： 1600 - 1612 .

WU H ， WU L ， ZHU Q ， et al . The role of organic acids on microbial deterioration in the Radix Pseudostellariae rhizosphere under continuous monoculture regimes ［J］. Sci Rep ， 2017 ， 7 （ 1 ）： 3497 .

LI S ， XU C ， WANG J ， et al . Cinnamic，myristic and fumaric acids in tobacco root exudates induce the infection of plants by Ralstonia solanacearum ［J］. Plant Soil ， 2017 ， 412 （ 1-2 ）： 381 - 395 .

王姣 . 草酸影响青枯雷尔氏菌与烟草互作的机制研究［D］. 重庆：西南大学， 2019 .

张宝华 . 药用植物与根际微生物互作的研究进展［J］. 化工设计通讯， 2021 ， 47 （ 5 ）： 195 - 196 .

WANG B Y ， XIA Q ， LI Y L ， et al . Root rot-infected Sanqi ginseng rhizosphere harbors dynamically pathogenic microbiotas driven by the shift of phenolic acids ［J］. Plant Soil ， 2021 ， 465 （ 1/2 ）： 385 - 402 .

GUO Y ， LV J ， ZHAO Q ， et al . Cinnamic Acid Increased the incidence of Fusarium wilt by increasing the pathogenicity of Fusarium oxysporum and reducing the physiological and biochemical resistance of faba bean， which was alleviated by intercropping with wheat ［J］. Front Plant Sci ， 2020 ， 11 ： 608389 .

CHEN D ， ZHOU Y ， WANG M ， et al . Succession pattern in soil micro-ecology under tobacco （ Nicotiana tabacum L.） continuous cropping CIrcumstances in Yunnan province of southwest China ［J］. Front Microbiol ， 2021 ， 12 ： 785110 .

李振方 . 自毒物质与病原真菌协同对连作地黄的致害作用研究［D］. 福建：福建农林大学， 2011 .

YANG M ， ZHANG X ， XU Y ， et al . Autotoxic ginsenosides in the rhizosphere contribute to the replant failure of Panax notoginseng ［J］. PLoS One ， 2015 ， 10 （ 2 ）： e118555 .

YE S F ， YU J Q ， PENG Y H ， et al . Incidence of Fusarium wilt in Cucumis sativus L. is promoted by cinnamic acid，an autotoxin in root exudates ［J］. Plant Soil ， 2004 ， 263 （ 1/2 ）： 143 - 150 .

HANNULA S E ， HEINEN R ， HUBERTY M ， et al . Persistence of plant-mediated microbial soil legacy effects in soil and inside roots ［J］. Nat Commun ， 2021 ， 12 （ 1 ）： 5686 .

DEBRAY R ， HERBERT R A ， JAFFE A L ， et al . Priority effects in microbiome assembly ［J］. Nat Rev Microbiol ， 2022 ， 20 （ 2 ）： 109 - 121 .

HALLIDAY F W ， PENCZYKOWSKI R M ， BARRÈS B ， et al . Facilitative priority effects drive parasite assembly under coinfection ［J］. Nat Ecol Evol ， 2020 ， 4 （ 11 ）： 1510 - 1521 .

XU W H ， LIU D ， WU F Z ， et al . Root exudates of wheat are involved in suppression of Fusarium wilt in watermelon in watermelon-wheat companion cropping ［J］. Eur J Plant Pathol ， 2015 ， 141 （ 1 ）： 209 - 216 .

REN L ， HUO H ， ZHANG F ， et al . The components of rice and watermelon root exudates and their effects on pathogenic fungus and watermelon defense ［J］. Plant Signal Behav ， 2016 ， 11 （ 6 ）： e1187357 .

YE S F ， ZHOU Y H ， SUN Y ， et al . Cinnamic acid causes oxidative stress in cucumber roots，and promotes incidence of Fusarium wilt ［J］. Environ Exp Bot ， 2006 ， 56 （ 3 ）： 255 - 262 .

WANG X Q ， DU G D ， LU X F ， et al . Characteristics of mitochondrial membrane functions and antioxidant enzyme activities in strawberry roots under exogenous phenolic acid stress ［J］. Sci Hortic ， 2019 ， 248 ： 89 - 97 .

LI X ， JOUSSET A ， DE BOER W ， et al . Legacy of land use history determines reprogramming of plant physiology by soil microbiome ［J］. ISME J ， 2019 ， 13 （ 3 ）： 738 - 751 .

LU Y X ， GAO P ， WANG Y S ， et al . Earthworm activity optimized the rhizosphere bacterial community structure and further alleviated the yield loss in continuous cropping lily （ Lilium lancifolium Thunb.）［J］. Sci Rep ， 2021 ， 11 （ 1 ）： 1 - 14 .

PANG Z ， CHEN J ， WANG T ， et al . Linking plant secondary metabolites and plant microbiomes：A review ［J］. Front Plant Sci ， 2021 ， 12 ： 621276 .

LEBEIS S L ， PAREDES S H ， LUNDBERG D S ， et al . Salicylic acid modulates colonization of the root microbiome by specific bacterial taxa ［J］. Science ， 2015 ， 349 （ 6250 ）： 860 - 864 .

TRIVEDI P ， LEACH J E ， TRINGE S G ， et al . Plant-microbiome interactions： from community assembly to plant health ［J］. Nat Rev Microbiol ， 2020 ， 18 （ 11 ）： 607 - 621 .

YUAN J ， ZHAO J ， WEN T ， et al . Root exudates drive the soil-borne legacy of aboveground pathogen infection ［J］. Microbiome ， 2018 ， 6 （ 1 ）： 156 .

QIN X ， WU H ， CHEN J ， et al . Transcriptome analysis of Pseudostellaria heterophylla in response to the infection of pathogenic Fusarium oxysporum ［J］. BMC Plant Biol ， 2017 ， 17 （ 1 ）： 155 .

DONG X ， LING N ， WANG M ， et al . Fusaric acid is a crucial factor in the disturbance of leaf water imbalance in Fusarium -infected banana plants ［J］. Plant Physiol Biochem ， 2012 ， 60 ： 171 - 179 .

任改弟，王光飞，马艳 . 根系分泌物与土传病害的关系研究进展［J］. 土壤， 2021 ， 53 （ 2 ）： 229 - 235 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

植物遗传转化技术在药用植物中的研究进展

地黄生长过程中根际土壤挥发性有机物与细菌群落特征分析

甘肃省药用植物资源空间分布格局及其驱动因子

须根自然腐解对滇重楼生长及其活性成分含量的影响

亲和超滤-液质联用技术在药用植物活性成分筛选中的应用研究进展