土傳病害是指存在於土壤中的植物病原性真菌、細菌、病毒和線蟲侵染植物根係而導致的病害，是限製作物正常生長的重要因素之一，防治不當會造成巨大的經濟損失。
採用生物方法防治土傳病害是近些年的熱門研究領域。近日，中國工程院院士沈其榮團隊通過解析番茄發病植株和健康植株的根際代謝組，挖掘潛在的益生元，並結合多組學手段明確了益生元驅動根際微生物維持植物健康的微生態機制。該研究成果標誌着我國土傳病害防控進入益生元精準調控階段。相關研究論文在線發表於國際學術期刊《自然·通訊》。
什麼是益生元？益生元在防控土傳病害時發揮了怎樣的作用？它是否會成為防治土傳病害的“未來之星”？帶着這些問題，記者採訪了有關專家。
用益生元防治土傳病害具有諸多優勢
近年來，集約化農業高速發展，由於單一作物長期連作及氮肥、農藥等農用化學品不合理使用等，土傳病害日益突出，成為影響作物優質高産、土壤健康，以及限制農業綠色可持續發展的因素之一。
“中國的土傳病害發生面積佔設施農業規模化種植的20%以上，而且往往伴隨着多種病害交互發生，大大增加防控難度。土傳病害的‘始作俑者’包括土壤病原微生物，例如細菌、真菌、病毒和線蟲等，它們影響範圍廣泛，會對各類農作物造成嚴重的經濟損失。”論文通訊作者、南京農業大學資源與環境科學學院副教授袁軍告訴記者，青枯病就是一種典型的土傳病害，這種病害是由土壤青枯菌侵染導致的，廣泛發生在番茄、茄子、辣椒、煙草等茄科作物中。
“傳統的化學防治方法通常會導致土壤和水體的污染，對環境造成潛在風險，加劇抗生素抗性基因的擴散和爆發，同時讓土著微生物‘無辜犧牲’，破壞土壤微生物生態平衡，影響生態系統健康。”袁軍介紹，生物防治是農業生産中一種環保、可持續的病害防治方法，其中，微生物製劑就被廣泛應用。但微生物製劑中包含的外源菌株面臨着定殖困難的問題，從而導致對土傳病害的防治效果不夠持久和穩定。
益生元的研究起源於腸道研究領域。論文第一作者、南京農業大學資源與環境科學學院博士後文濤介紹，近年來，益生元的研究擴展到農業領域，有學者開始研究植物益生元。這是一種能調控植物微生物群落的組成和功能、維持微生物群落動態平衡，進而有益於植物的生長髮育和抵抗生物、非生物脅迫的物質。
“與傳統的化學防治方法相比，用益生元防控土傳病害具有諸多優勢。首先，益生元是一種環境友好、可生物代謝的物質，不會對土壤和環境造成污染。其次，益生元靠促進有益菌增殖或調控生態平衡來抑制病原微生物，因此耐藥性的風險會降低。此外，益生元以促進土著有益菌的功能發揮來實現病害防控，不存在環境適應性和功能菌定殖困難的問題。”文濤説。
聯合中性微生物與病原菌競爭
如何利用益生元的特點，讓它在土傳病害防控中釋放巨大潛力，科研人員對此進行了許多有益探索。
袁軍介紹，此前，他所在的團隊開發出了一種根際益生元配方，增加了土壤中假單孢菌的豐度，從而提高了植物的系統性抗病能力。
在最近發表於《自然·通訊》的這項研究中，他們團隊發現益生元可激活土壤中的“中性微生物”，即促進土壤中大量存在的、無明確有益功能的微生物的增殖，使其與病原菌競爭生態位，從而抑制病原菌繁殖，實現“固本培元強根基”。
“我們將益生元添加到土壤裏後發現，植物的青枯病發病率顯著降低，而熒光定量檢測結果顯示，根際土壤中的中性微生物總量顯著提升，且中性微生物數量與發病率呈顯著負相關。試驗進一步顯示，益生元可以激發土壤裏中性微生物的活力。”袁軍介紹，他們分析發現，在土壤中添加益生元後，中性微生物通過激發土壤碳代謝、自毒物質降解和抗生素合成等途徑降低了青枯病發病率。
在袁軍看來，這些有益探索對農業生産和土傳病害的防控有着積極的助力。“首先，利用益生元增加有益微生物的豐度和種類，可以提高土壤和植物的健康水平，增強植物的抵抗力，降低土傳病害的發生率。其次，定向培育中性微生物有助於建立更加穩定和健康的土壤微生態系統，提高土壤抵抗病害的能力。中性微生物雖然沒有特定明確的功能，但確實是在防控土傳病害過程中最需要團結的‘中間力量’。”
實現産業化應用尚存技術挑戰
在土傳病害防控領域，益生元被學者們寄予厚望。
袁軍&&：“我們希望對益生元的開發應用，能在減少農藥、化肥投入，改善土壤結構，維持微生物多樣性的同時，還能調控和幫助植物—微生物互作關係向有益方向發展，使作物栽培更加高産、安全、優質。”
沈其榮認為，益生元可以很好地與生物有機肥結合，使肥效持久、改善土壤環境、防控土傳病害以及促進植物生長。不僅如此，益生元在修復土壤污染和減輕土壤重金屬毒害方面也有巨大的應用前景。以生物方法修復污染土壤通常依賴於特定微生物對污染物質的分解和利用，而益生元可以幫助微生物在本地競爭中取得優勢並快速定殖，從而發揮功能。
然而，益生元在抑制病原菌的戰鬥中，也並非所向披靡。科研人員並不諱言，在土傳病害的防控中，益生元的持久性需要持續關注。在採用益生元防控土傳病害時，可能需要多次施用或持續補充，以保持其有效性。
“也許可以探索包覆技術，將益生元包裹在特殊的材料中，延緩其釋放速度，從而延長其在土壤中的作用時間。”文濤分析。
此外，對植物地上部分的微生物研究遠遠落後於對以根際微生物為代表的地下部分的微生物研究，因此，針對地上部分病害防控的益生元研究基本是空白。
“當前，對農業根際益生元的研究還處在起步階段，亟待開發防治更多病害的益生元。而且目前的研究往往只針對單一土傳病害的發生，而在實際農業生産中多種土傳病害往往同時發生，因此未來還需關注能同時防控多種土傳病害的益生元。”沈其榮説，未來，益生元的來源也是影響其産業化和大規模應用的關鍵，開發原料易得的益生元産品，才能讓其盡快造福我國的農業生産，尤其是設施農業的可持續發展。