生物技術助力協同種子保護和土壤修復

　　由病原細菌和真菌所導致的植物病害會造成農作物嚴重減產甚至絕產。為保障棉花作物的健康安全，研發土壤環境污染修復技術，中國農業科學院棉花研究所棉花病害防控與風險評估創新團隊開展了種衣劑對棉花種子及根際土壤微環境的影響機制研究，發現根際土壤微生物、酶活性和代謝物之間存在密切聯系，種衣劑還改變了種子、根際土壤的微生物群落和代謝譜組成，降低根際土壤過氧化氫酶活性和微生物總生物量。

　　該研究為開發種子包衣技術在作物病害防治中的應用提供了重要參考，相關成果已發表在學術期刊《環境污染》（《Environmental Pollution》）上。

　　明確種衣劑對種子內生細菌和真菌群落影響

　　棉花是重要的經濟作物，也是紡織工業的主要原料。目前，對棉花種子和幼苗危害嚴重的有黃萎病、立枯病、紅腐病、炭疽病、猝倒病等。

　　中國農業科學院棉花研究所研究員、棉花病害防控與風險評估創新團隊首席科學家朱荷琴7月11日在接受科技日報記者采訪時表示，由多種病原菌侵染引起的棉花苗期病害，嚴重影響了棉花種子萌發和幼苗生長，已成為限制棉花生產綠色可持續發展的主要問題之一。目前，種子包衣是防治棉花苗病最經濟、最簡便、最有效的措施。2.5%咯菌腈和11%精甲·咯·嘧菌是兩種最常用的棉花種子包衣劑，“但其對種子內生群落和根際微生態的影響尚不清楚。”

　　種衣劑是指工廠生產的含有不同農藥成分的藥劑，用藥劑對種子進行包衣，播種后可防止土壤中病蟲侵襲。隨著種子發芽出土，藥劑從種衣中逐漸釋放，被作物吸收，還可防治地上的部分病蟲害。

　　朱荷琴解釋說，種衣劑中的殺菌劑成分可抑制土壤中病原菌的生長發育，起到防治棉花苗病的作用。其中，咯菌腈是一種新型廣譜殺菌劑，它通過抑制病原真菌分生孢子的萌發、芽管的伸長和菌絲的生長來發揮抑菌與殺菌活性。精甲霜靈主要是通過阻斷或抑制病原真菌菌絲體內蛋白質合成，來發揮抑菌與殺菌活性。嘧菌酯則是通過抑制線粒體呼吸，從而干擾病原菌的能量循環，達到抑制病原真菌菌絲生長和孢子形成。

　　“我們通過微生物組和代謝組聯合分析的方法，系統評價了種衣劑對棉花種子內生菌、根際土壤酶活、根際土壤微生物群落和代謝譜的影響，結果發現，種子包衣劑處理顯著改變了種子內生細菌和真菌的群落結構。”朱荷琴說。

　　研究團隊在評估來自包衣、未包衣種子內的細菌、真菌群落后，發現其存在顯著差異，而真菌群落的差異更大。也就是說，種衣劑處理顯著降低了棉花種子內變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、桿菌（Bacillus）等微生物的豐度。

　　豐度是指特定物種的微生物，在某個體系中活動和繁殖的數量或變化趨勢。豐度是衡量微生物群落結構、多樣性及生態功能的重要指標。

　　為開發土壤環境污染修復技術提供支撐

　　“我們研究分析采集到的新疆阿拉爾、新疆石河子土壤，發現種子包衣劑處理顯著抑制了根際土壤過氧化氫酶活性、細菌和真菌生物量，同時，也顯著抑制了土壤中的一些有益微生物，但也能富集一些潛在的污染物降解菌。”朱荷琴說，種子包衣劑對作物種子和根際土壤的影響是非常復雜的。

　　據細菌和真菌共生網絡分析表明，種子包衣劑顯著改變了播種后21天時的土壤代謝物譜，其中包括脂質和類脂分子、有機酸及其衍生物等。咯菌腈、精甲·咯·嘧菌種衣劑處理的棉花根際土壤過氧化氫酶活性，在種植后7天、21天和49天時均顯著低于對照組。

　　土壤過氧化氫酶主要來源于土壤微生物和植物根系的分泌物，是土壤生物代謝的重要酶類，主要功能是解除土壤中過氧化氫的毒害作用。

　　“除了棉花根際土壤過氧化氫酶活性顯著降低外，咯菌腈、精甲·咯·嘧菌種衣劑處理的種子播種在阿拉爾和石河子土壤中后，土壤總細菌和總真菌豐度也有顯著降低。”朱荷琴說，通常認為土壤微生物豐度越高，生態系統就越穩定，對植物的長期生長就越有利。

　　不過，不同地區的土壤受種衣劑的影響并不相同。研究發現，石河子土壤中的微生物群落，對種衣劑脅迫的抵抗力高于阿拉爾土壤。

　　“根據這些研究結果，未來我們可通過添加、整合特定的微生物群來改進種衣劑的配方技術，以抵消種子和根際中損失的有益菌群，增加防病效果。同時，可以進一步分離、培養高效降解咯菌腈和精甲·咯·嘧菌的菌株，為開發土壤環境污染修復技術和保障作物健康安全提供有力支撐。”朱荷琴說。