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生物技术助力协同种子保护和土壤修复

2023-07-12 10:12:07 来源：科技日报

由病原细菌和真菌所导致的植物病害会造成农作物严重减产甚至绝产。为保障棉花作物的健康安全，研发土壤环境污染修复技术，中国农业科学院棉花研究所棉花病害防控与风险评估创新团队开展了种衣剂对棉花种子及根际土壤微环境的影响机制研究，发现根际土壤微生物、酶活性和代谢物之间存在密切联系，种衣剂还改变了种子、根际土壤的微生物群落和代谢谱组成，降低根际土壤过氧化氢酶活性和微生物总生物量。

该研究为开发种子包衣技术在作物病害防治中的应用提供了重要参考，相关成果已发表在学术期刊《环境污染》（《Environmental Pollution》）上。

明确种衣剂对种子内生细菌和真菌群落影响

(资料图片仅供参考)

棉花是重要的经济作物，也是纺织工业的主要原料。目前，对棉花种子和幼苗危害严重的有黄萎病、立枯病、红腐病、炭疽病、猝倒病等。

中国农业科学院棉花研究所研究员、棉花病害防控与风险评估创新团队首席科学家朱荷琴7月11日在接受科技日报记者采访时表示，由多种病原菌侵染引起的棉花苗期病害，严重影响了棉花种子萌发和幼苗生长，已成为限制棉花生产绿色可持续发展的主要问题之一。目前，种子包衣是防治棉花苗病最经济、最简便、最有效的措施。2.5%咯菌腈和11%精甲·咯·嘧菌是两种最常用的棉花种子包衣剂，“但其对种子内生群落和根际微生态的影响尚不清楚。”

种衣剂是指工厂生产的含有不同农药成分的药剂，用药剂对种子进行包衣，播种后可防止土壤中病虫侵袭。随着种子发芽出土，药剂从种衣中逐渐释放，被作物吸收，还可防治地上的部分病虫害。

朱荷琴解释说，种衣剂中的杀菌剂成分可抑制土壤中病原菌的生长发育，起到防治棉花苗病的作用。其中，咯菌腈是一种新型广谱杀菌剂，它通过抑制病原真菌分生孢子的萌发、芽管的伸长和菌丝的生长来发挥抑菌与杀菌活性。精甲霜灵主要是通过阻断或抑制病原真菌菌丝体内蛋白质合成，来发挥抑菌与杀菌活性。嘧菌酯则是通过抑制线粒体呼吸，从而干扰病原菌的能量循环，达到抑制病原真菌菌丝生长和孢子形成。

“我们通过微生物组和代谢组联合分析的方法，系统评价了种衣剂对棉花种子内生菌、根际土壤酶活、根际土壤微生物群落和代谢谱的影响，结果发现，种子包衣剂处理显著改变了种子内生细菌和真菌的群落结构。”朱荷琴说。

研究团队在评估来自包衣、未包衣种子内的细菌、真菌群落后，发现其存在显著差异，而真菌群落的差异更大。也就是说，种衣剂处理显著降低了棉花种子内变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、杆菌（Bacillus）等微生物的丰度。

丰度是指特定物种的微生物，在某个体系中活动和繁殖的数量或变化趋势。丰度是衡量微生物群落结构、多样性及生态功能的重要指标。

为开发土壤环境污染修复技术提供支撑

“我们研究分析采集到的新疆阿拉尔、新疆石河子土壤，发现种子包衣剂处理显著抑制了根际土壤过氧化氢酶活性、细菌和真菌生物量，同时，也显著抑制了土壤中的一些有益微生物，但也能富集一些潜在的污染物降解菌。”朱荷琴说，种子包衣剂对作物种子和根际土壤的影响是非常复杂的。

据细菌和真菌共生网络分析表明，种子包衣剂显著改变了播种后21天时的土壤代谢物谱，其中包括脂质和类脂分子、有机酸及其衍生物等。咯菌腈、精甲·咯·嘧菌种衣剂处理的棉花根际土壤过氧化氢酶活性，在种植后7天、21天和49天时均显著低于对照组。

土壤过氧化氢酶主要来源于土壤微生物和植物根系的分泌物，是土壤生物代谢的重要酶类，主要功能是解除土壤中过氧化氢的毒害作用。

“除了棉花根际土壤过氧化氢酶活性显著降低外，咯菌腈、精甲·咯·嘧菌种衣剂处理的种子播种在阿拉尔和石河子土壤中后，土壤总细菌和总真菌丰度也有显著降低。”朱荷琴说，通常认为土壤微生物丰度越高，生态系统就越稳定，对植物的长期生长就越有利。

不过，不同地区的土壤受种衣剂的影响并不相同。研究发现，石河子土壤中的微生物群落，对种衣剂胁迫的抵抗力高于阿拉尔土壤。

“根据这些研究结果，未来我们可通过添加、整合特定的微生物群来改进种衣剂的配方技术，以抵消种子和根际中损失的有益菌群，增加防病效果。同时，可以进一步分离、培养高效降解咯菌腈和精甲·咯·嘧菌的菌株，为开发土壤环境污染修复技术和保障作物健康安全提供有力支撑。”朱荷琴说。

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