丁婷婷，王曉瑜，段廷玉

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 / 蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室 / 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州，730020）

豆科(Leguminosae)牧草是栽培草地中最主要的物種，2015年我國僅紫花苜蓿(Medicago sativa)播種面積在 6 000萬畝(約合 400 hm2)以上，是我國種植面積最大的牧草品種[1]。病害是豆科牧草生產(chǎn)的主要限制因素之一，不僅降低了牧草產(chǎn)量和質(zhì)量、縮短了草地利用年限[2]，一些牧草病害亦會導(dǎo)致家畜中毒，造成巨大的經(jīng)濟損失[3]。據(jù)統(tǒng)計，目前我國共發(fā)現(xiàn)豆科牧草真菌病害764種，占我國牧草病害的27%[4]，其中主要包括銹病[5]、白粉病[6]、根腐病[7]、霜霉病[8]等。常見牧草病害一般可致栽培草地牧草年產(chǎn)量降低15%～50%，平均損失率為26%[3]，若按病害使栽培草地牧草產(chǎn)量年均降低10%計算，我國栽培草地每年由于病害造成的經(jīng)濟損失約為130億元，相當(dāng)于國家每年對草地生態(tài)系統(tǒng)補償?shù)目偼度搿?/p>

根瘤菌(Rhizobium)普遍存在于土壤中，可與絕大多數(shù)豆科植物共生形成根瘤，其可通過固氮酶將大氣中的游離態(tài)氮轉(zhuǎn)化為可供植物吸收利用的化合態(tài)氮，促進植物對土壤養(yǎng)分的吸收、改良植物根際的生長環(huán)境，從而促進植物生長[9-10]。此外，根瘤菌可通過分泌次生代謝產(chǎn)物、激活寄主的防御機制等途徑，減少病害發(fā)病率并提高植物抗病性[11]。一些植物病害則會影響植物根瘤的形成，降低根瘤質(zhì)量和根瘤菌固氮酶活性等。

隨著國家推行“糧改飼”試點，全面推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，大力發(fā)展草牧業(yè)、綠肥產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)2020年化肥、農(nóng)藥零增長目標(biāo)等一系列政策的推行，豆科牧草種植面積日益增加，豆科作物作為牧草、綠肥病害防控需求日益突出。國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系2007年和2017年分別設(shè)立了國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，專門研究牧草和綠肥病害防控。研究病害防控首先要明確病害對牧草生產(chǎn)的影響，尤其是對牧草光合生理、營養(yǎng)品質(zhì)及根瘤的影響，在此基礎(chǔ)上研究適宜的防控措施，將病害控制在經(jīng)濟閾值之下。目前國內(nèi)外對豆科牧草病害研究多為基礎(chǔ)性工作，關(guān)于病害對豆科牧草光合作用、生理生化及根瘤形成等影響的報道尚不多，與傳統(tǒng)糧食作物相比，有關(guān)豆科牧草病害的研究無論是在研究的廣度還是深度方面，均存在巨大差距，尤其是病原菌-植物互作機理方面的研究，少有報道，同時，鑒于國家綠色發(fā)展理念、振興鄉(xiāng)村戰(zhàn)略的需求，很有必要對現(xiàn)有工作做一整理和歸納，以期為深入開展豆科牧草/綠肥作物病害研究和防控提供儲備。

1 病害對豆科牧草光合作用的影響

豆科植物病害可降低植物的光合速率(表1)，影響植物的正常生長，導(dǎo)致牧草產(chǎn)量降低。病害能改變?nèi)~片形狀，減少葉片面積，銹病、霜霉病、白粉病等葉片病害，其病原物還可形成霉層，通過覆蓋植物葉片減少植物光照面積，影響光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換、電子傳遞及光合磷酸化，從而影響植物的光合速率。如，李彥忠[12]在田間和溫室條件下，研究由埃里磚格孢(Embellisa astragali)引起的沙打旺(Astragalus adsurgens)黃矮根腐病，發(fā)現(xiàn)該病害不僅引起植株葉片脫落、新葉變小、皺縮、黃化，直接減少光合面積，同時導(dǎo)致植株的株形收縮而不能自然舒展，間接減少其有效光合面積。條紋單孢銹(Uromyces striatus)引起的紫花苜蓿銹病，銹菌孢子堆破裂破壞植物表皮，可引致紫花苜蓿光合作用下降，呼吸強度上升；苜蓿霜霉病菌(Peronospora aestivalis)導(dǎo)致紫花苜蓿葉綠素含量下降28.4%～68.6%，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降[13]。病害除通過影響植物葉面積降低其光合作用外，還可降低植物體葉綠素含量，抑制光系統(tǒng)的正常作用。Hwang等[14]通過溫室盆栽試驗，研究葉斑病對紫花苜蓿光合作用、蛋白質(zhì)含量和種子產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，染病后嚴(yán)重褪綠的葉片葉綠素a在光系統(tǒng)中的含量略有下降，兩個重要的熒光誘導(dǎo)參數(shù)(t1/2和Fv/Fm)值減小，對光系統(tǒng)Ⅱ有抑制作用。

根系作為植物整株的重要組成部分，在植物水分、養(yǎng)分吸收等生理生化反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，因此植物根系的健康也關(guān)系到其地上、地下部分整體的物質(zhì)、信息循環(huán)。由鐮刀菌(Fusarium spp.)和立枯絲核菌(Rhizoctonia solani)引起的苜蓿根腐病亦會影響植物光合作用，植物葉片產(chǎn)生病斑或葉片枯黃，枝條萎蔫或部分組織死亡[15]。樊秦和李彥忠[16]發(fā)現(xiàn)苜蓿莖點霉(Phoma medicaginis)通過降低葉片中光合電子傳遞效率、羧化效率等產(chǎn)生光抑制，從而降低植物的光合效率。

病害也可影響植物吸收同化CO2，破壞其葉肉細(xì)胞氣孔，從而直接降低植物凈光合速率。李楊等[17]通過田間采取苜蓿褐斑病的葉片，測定發(fā)現(xiàn)，植物凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度等與病斑嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并認(rèn)為是葉肉細(xì)胞壞死，葉綠體被破壞所致。研究發(fā)現(xiàn)，病原菌產(chǎn)生細(xì)胞壁降解酶加速葉片組織降解[18]。在田間自然發(fā)病條件下，感染褐斑病的苜蓿葉片的光合速率隨病害嚴(yán)重度的增加而急劇下降，且病害對苜蓿光合速率的影響不僅限于存留在莖稈上的葉片，同時使整株植物同化CO2的能力下降[19-21]。

表1 病害對豆科牧草光合作用的影響Table 1 Effect of diseases on leguminous forage plants and photosynthesis

2 病害改變豆科牧草營養(yǎng)成分

植物病害可導(dǎo)致豆科牧草營養(yǎng)成分的改變，進而影響到牧草品質(zhì)(表2)[22-25]。葉片是牧草蛋白質(zhì)、灰分等養(yǎng)分的重要來源，葉片病害對牧草中營養(yǎng)成分的影響較大。病害導(dǎo)致牧草中粗蛋白、粗脂肪等含量下降，粗纖維、粗灰分、鈣、磷等含量升高，降低了牧草的適口性，從而影響對家畜的飼喂性能[19,21]。如在大田試驗條件下對由苜蓿假盤孢菌引致的苜蓿褐斑病研究發(fā)現(xiàn)，感病葉片的鈣、磷、粗灰分含量均有增加，且嚴(yán)重度越高增加的比例越大，粗脂肪、粗蛋白、無氮浸出物的含量則隨嚴(yán)重度的增加而下降[22]。對甘肅省紅豆草(Onobrychis viciaefolia)病害的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，紅豆草感染莖點霉(Phoma spp.)后，粗蛋白和粗灰分含量降低，酸洗纖維、粗脂肪、鈣磷含量升高[23]。在田間試驗條件下發(fā)現(xiàn)，苜蓿褐斑病除引起粗蛋白、粗脂肪、鉀含量下降外，還會使中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、粗灰分、鈣、總酚、單寧含量增加，降低牧草適口性[24]。單寧、多酚等天然多酚活性物質(zhì)的增加，可能是由于病原菌使寄主體內(nèi)次生代謝增強以保護自身免受病原菌的侵襲。作為重要的營養(yǎng)物質(zhì)，患病植株中粗蛋白、粗灰分、粗脂肪等的變化除降低牧草的適口性、影響家畜采食外，粗蛋白含量下降還可能會導(dǎo)致動物對牧草的消化率下降。Godfrey等[26]通過大田試驗對苜蓿有害生物對牧草消化率、蛋白質(zhì)和營養(yǎng)成分的研究發(fā)現(xiàn)，象鼻蟲(Sitona hispidulus)幼蟲使其降低粗蛋白含量 ≤ 1.07%，苜蓿象甲(Hypera postica)幼蟲使體外消化率從63.74%降至61.39%，影響效果極顯著(P＜0.001)，并認(rèn)為是由于干物質(zhì)減少和營養(yǎng)成分損失造成。Loper等[27]認(rèn)為粗蛋白的減少是因為病害使植株氨代謝與氮運輸失調(diào)，或病害引起葉片早熟，也有可能是病原菌利用苜蓿葉片中的蛋白質(zhì)合成和更新自身物質(zhì)，從而使牧草中蛋白質(zhì)含量下降，但具體原因未深入探究。

表2 病害對豆科牧草營養(yǎng)成分的影響Table 2 Effect of disease on nutrients of leguminous forage plants

3 病害減少豆科牧草根瘤形成

病害影響豆科植物的根瘤形成主要包括影響根瘤的數(shù)量、重量、大小等(表3)，還會導(dǎo)致病株上出現(xiàn)無效根瘤[28-32]，并影響根瘤的正常結(jié)構(gòu)。如，紫花苜蓿的霜霉病[28]、由疫霉屬(Phytopbtbora megasperma)和鐮刀屬引起的紫花苜蓿根腐病[29]、苜?；ㄈ~病毒AMV引起的苜?；ㄈ~病[30]、褐斑病菌引起的大果沙棗(Elaeagnus moorcroftii)褐斑病[31]，以及對扁豆(Lablab purpureus)、菜豆(Phaseolus vulgaris)、綠豆(Vigna radiata)接種鐮刀菌、菜豆殼球孢(Macrophomina)和核盤菌(Sclerotinia)[32]，牧草鮮重、粗蛋白質(zhì)、越冬率、牧草結(jié)瘤量均有不同程度的減少 (表3)。且在接種一定濃度的根瘤菌液時，根瘤數(shù)隨接種病原菌液的濃度增加而減少[29]。病害感染的結(jié)節(jié)和無效結(jié)節(jié)還會限制根系發(fā)展[33]，影響植物生長。Orellana和Mandava[34]在盆栽試驗條件下探究立枯絲核菌的主要致病代謝產(chǎn)物甲氧基乙酰乙酸(m-OMePAA)對大豆(Glycine max)的影響，發(fā)現(xiàn)是否用 m-OMePAA(0、大于 1.5 × 10-4mol·L-1)處理對植物的結(jié)瘤有顯著影響。分別用1.5 × 10-4mol·L-1和 3.0 × 10-4mol·L-1m-OMePAA 處 理 的 材料，光學(xué)顯微鏡檢查結(jié)節(jié)薄切片發(fā)現(xiàn)細(xì)胞腫脹變色，核膜破裂或溶解以及核仁被擠壓。1.2 × 10-3mol·L-1濃度下，細(xì)胞核收縮、顆?；⒎纸?，認(rèn)為是根瘤中細(xì)胞變性和細(xì)胞結(jié)構(gòu)病理性紊亂所致。

有關(guān)病害影響豆科植物根瘤形成機理的探究較少，現(xiàn)有研究僅發(fā)現(xiàn)病原微生物與根瘤菌互作以及病害使感病植株生長調(diào)節(jié)物質(zhì)等變化會對根瘤形成有一定影響。豆科植物凝集素在豆科植物和根瘤菌相互識別和共生關(guān)系的建立上起著重要作用[35]，病害可能影響凝集素的產(chǎn)生和移位，從而對結(jié)節(jié)的產(chǎn)生和發(fā)育產(chǎn)生影響[36]。Guy等[36]通過溫室試驗研究白三葉(Trifolium repens)花葉病毒W(wǎng)CMV對白三葉結(jié)瘤的影響，發(fā)現(xiàn)病毒感染植株上結(jié)瘤數(shù)與未感病植株相比有極顯著差異(P＜0.01)，單株結(jié)瘤數(shù)減少71%。并認(rèn)為與兩個因素有關(guān)：病毒感染對宿主新陳代謝的影響，宿主與有效或無效根瘤菌作用的差異。Khadhair等[37]認(rèn)為病毒的存在阻礙根瘤菌的增加以及其在類菌體中的轉(zhuǎn)移，或病毒感染植株中生長調(diào)節(jié)物質(zhì)活性下降，從而導(dǎo)致其根瘤數(shù)少于健康植株，Corriveau和Carroll[38]認(rèn)為可能是病害導(dǎo)致維管系統(tǒng)堵塞，木質(zhì)部的壓力增加維管系統(tǒng)液壓阻力，減少光合作用率，從而減少向根部的光合產(chǎn)物供應(yīng)，限制結(jié)節(jié)形成。但對于在感病植株中，是否是一些化學(xué)物質(zhì)對根瘤菌造成抑制，尚沒有明確結(jié)論。Sealbert[39]發(fā)現(xiàn)植物單寧對細(xì)菌的最低抑制質(zhì)量濃度一般為0.012～1.000 g·L-1，感病植物中單寧含量增加，可能對植物結(jié)瘤有一定影響。但張洪娟[40]以刺槐(Robinia pseudoacacia)根瘤菌菌種87-1-1為材料，發(fā)現(xiàn)在含有高達(dá)8%單寧的濾紙片周圍，并沒有出現(xiàn)抑菌圈，是否是試驗材料單一造成，具體原因有待探究。

表3 病害對豆科牧草根瘤形成的影響Table 3 Effects of disease on nodulation of leguminous forage plants

4 植物病害對豆科植物固氮的影響及原因

病害導(dǎo)致植物固氮能力下降，使固氮有關(guān)的酶活性下降。如，接種褐斑病菌的大果沙棗[31]、感染白三葉草花葉病毒W(wǎng)CMV的紅三葉[37]、感染花生斑駁病毒PMV的花生[33]，固氮量或與固氮有關(guān)的酶活性均有所下降。Mujeebur等[41]發(fā)現(xiàn)，線蟲感染導(dǎo)致幾種食用豆類根結(jié)瘤后，植物中根瘤血紅蛋白含量下降21%～62%，Taha和Kassab[42]也有相同的發(fā)現(xiàn)。有研究者認(rèn)為，感病植株根瘤中的固氮效率較低并不是因為根瘤中固氮酶活性下降，而是因為結(jié)節(jié)發(fā)育延遲以及根瘤的數(shù)量和質(zhì)量較少，在初花期，感病植株的結(jié)節(jié)明顯小于健康植株。還有學(xué)者認(rèn)為與病害影響植物的根瘤和固氮系統(tǒng)有關(guān)[43]。有研究表明，結(jié)瘤與側(cè)根根毛有較大關(guān)系[40]，并有學(xué)者認(rèn)為線蟲的繁殖使根毛受到損害抑制結(jié)節(jié)形成，導(dǎo)致結(jié)瘤減少或使根瘤過早轉(zhuǎn)化為無效根瘤，使其正常功能喪失，從而影響固氮能力[44-46]。Ohki等[47]也有相同觀點，但同時認(rèn)為，植物固氮能力下降不是因為氮氧化酶活性的降低，而是因為生長素不平衡可能會影響結(jié)節(jié)的大小和數(shù)量，但可能不會影響氮酶的效率。還有學(xué)者認(rèn)為，病害導(dǎo)致結(jié)瘤數(shù)減少是降低植物固氮和有關(guān)蛋白質(zhì)合成能力的原因[29]。

病害影響根瘤的正常形態(tài)、植物與根瘤的共生關(guān)系、植物體內(nèi)的活性氧含量、植株生理代謝過程，從而影響固氮和根系生長。在形態(tài)結(jié)構(gòu)和共生關(guān)系方面：Orellana和Mandava[34]在盆栽試驗條件下探究立枯絲核菌的主要致病代謝產(chǎn)物甲氧基乙酰乙酸(m-OMePAA)對大豆的影響發(fā)現(xiàn)，用不同濃度 m-OMePAA(0、1.5 × 10-4、3.0 × 10-4、6.0 × 10-4、1.2 × 10-3mol·L-1)處理，對大豆固氮速率有顯著影響 (P＜0.05)。當(dāng) m-OMePAA 水平升高至 6.0 × 10-4mol·L-1時，豆血紅蛋白含量與乙炔減少率之間顯著關(guān)聯(lián)，其中豆血紅蛋白含量急劇降低，明顯影響N2固定效率，主要原因可能是，低濃度時減少葉和根瘤重量并導(dǎo)致根的畸形，根瘤中細(xì)胞變性和病理性紊亂以及對共生相互作用的干擾，從而影響N2固定。

病害對植物生理生化的影響，也是降低植物固氮能力的重要原因。與植物抗病相關(guān)研究較多的酶，如苯丙氨酸解氨酶(PAL)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)等可以提高植株抗氧化能力，增強植株抵抗力[48-49]，同時也均與固氮有關(guān)[50]。曾翠云[51]和黃海燕等[52]發(fā)現(xiàn)，感病沙打旺、苜蓿中相關(guān)酶活性均有不同程度的變化。國外學(xué)者之前就有更明確的結(jié)論，Maria等[53]在鹽脅迫條件下通過對兩個栽培性大豆品種評價發(fā)現(xiàn)，411品種CAT、SOD、GR、APOX活性分別下降20%、25%、30%、35%，而377則分別上升30%、80%、15%、20%。411品種的膜脂過氧化程度增加達(dá)50%，而377則較輕，并認(rèn)為鹽脅迫下敏感大豆品種固氮能力下降還與其誘導(dǎo)的活性氧增加有關(guān)。此外，病害影響植物根系生長及水分吸收可能也是降低植株固氮的一個原因。Bani等[54]研究尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporium)的致病機理發(fā)現(xiàn)，病原菌損傷植物根系細(xì)胞膜，降低細(xì)胞活性，阻礙根系生長和吸收水分。由振國[55]通過研究稗草通過水分干擾影響大豆根瘤固氮發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤水分從80%下降到35%時，根瘤固氮酶活性抑制從18.3%上升到19.6%。因此，病原菌可能干擾植物水分吸收影響固氮酶活性，降低植物固氮。

5 結(jié)語

十九大報告提出，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計。堅持人與自然和諧共生，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境。草地農(nóng)業(yè)是實現(xiàn)這一國家戰(zhàn)略的重要途徑，牧草作為草地農(nóng)業(yè)的重要組分，貫穿草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)前植物生產(chǎn)、植物生產(chǎn)、動物生產(chǎn)和后生物生產(chǎn)共4個生產(chǎn)層。而由病原菌引致的牧草病害與草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)4個生產(chǎn)層密切相關(guān)，病害不僅降低草地觀賞和生態(tài)價值，降低牧草產(chǎn)量和品質(zhì)，而且可以影響家畜生產(chǎn)性能，縮短牧草、家畜產(chǎn)品貨架壽命。與之相對應(yīng)的是牧草病害的研究嚴(yán)重滯后，目前僅有少量研究采用常規(guī)方法，探討了病害對牧草光合生理過程及品質(zhì)的影響及對根瘤及固氮的影響。鑒于病害在草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的作用，應(yīng)加強分子生物學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)研究方法的結(jié)合，從共生微生物-病原菌-植物-家畜系統(tǒng)水平研究牧草病害對整個系統(tǒng)的影響、其生理生化和基因調(diào)控的機制及相互之間的聯(lián)系，為充分利用牧草以及探索減輕病害對植物和動物生產(chǎn)的方法提供理論參考。