首先说明，这个发现不是我完成的，是列当专家马永清教授和他的博士研究生陈杰的研究结果。研究所用的放线菌是我提供的，我也参加了部分研究工作，为了反映放线菌农用研究的系统性，也在此处介绍该结果。

  为了说明这个发现的重要性，有必要先介绍列当危害的严重性及防治难度,在此基础上再介绍放线菌抗列当功能发现的意义也就顺理成章了。

列当是一种难以防治的恶性根寄生杂草

  列当属于根寄生恶性杂草，在全球广泛分布，已给世界许多地区的农作物带来毁灭性危害。之所以称之为“恶性”杂草，是因为列当出土后生长极快，对寄主危害极大，植物感染了列当，类似于人类患了“癌症”，一旦列当侵染成功，无法防治，寄主不死也难活，严重减产或绝收是必然结果。在列当发生区，说“谈列当色变”，毫不夸张。列当防除至今仍是世界性难题。

  列当叶片退化，无叶片，无叶绿素，无自主进行光合作用的能力，营全寄生生活(图1)，所需营养物质100%来自寄主。列当生长快，个体大，营养需求旺盛，掠夺性获取寄主的光合产物及寄主根系从土壤中吸收的水分与矿质养分，导致寄主难以生存，产量大幅度下降，甚至绝收。据新疆建设兵团农2师农科所及科技局提供的数据，新疆加工番茄正常产量约为9吨/亩，由于列当危害，产量下降到3吨/亩，效益降低至种植亏本的状态，对新疆的“红色产业”加工番茄产业造成致命威胁。

图1.列当叶片退化

  列当通过种子繁殖。列当的种子很小，仅0.15×0.3mm，但种子产量很大，每株列当产种子5-10万粒，遇到寄主才萌发。无寄主时，可在土壤中存活15-20年。在土壤中，1粒粒列当种子相当于1颗颗定时炸弹，在遇到寄主根系分泌的特定刺激物质“起爆”时才萌发“爆炸”，寄生于寄主根系上(图2)，拼命吮吸寄主的营养，快速生长。 

 图2.列当寄生于寄主向日葵根系上

  列当出土前，危害早已发生，但在土壤表面并不显山露水，田间一切看似正常。一旦出土，就势不可挡。寄主被列当侵染，犹如人之病入膏肓，无药可救。

  列当寄主广泛，多达8个科以上，受害作物种类繁多。

  列当种类多，全世界共有170 多种，其中，有6种对农作物危害较大：瓜列当、向日葵列当、大麻列当、弯管列当、小列当和朱砂根列当。我国北方常见且危害严重的列当主要是向日葵列当和瓜列当。前者主要寄生于向日葵上，后者主要寄生于西甜瓜、番茄及烟草等作物上。

  内蒙食用向日葵面积约700万亩，列当危害严重（图3）。新疆加工番茄面积约100万亩，西甜瓜面积约170万亩，均受到列当危害，严重时绝收。

  列当防治对我国北方几种大面积种植的经济作物有重要意义。

  对于列当这样的恶性根寄生杂草，目前尚无有效防治技术。 

图3.向日葵列当危害

放线菌对列当与寄主有多重作用：

抑制或诱导列当种子萌发；促进寄主生长

  微生物是列当生物防除的潜在生防因子，但关于列当生防微生物的研究目前多集中于列当病原菌上。而不幸的是，列当病原菌往往也是农作物的病原菌。如从新疆列当上分离筛选到的列当致病菌大多为镰刀菌、丝核菌及腐霉菌等，这些真菌大多对农作物有致病性。如将这些真菌以活菌制剂的形式作为列当生防菌接入大田，即使对当季种植的列当寄主无致病性，但对后续作物及相邻田块的作物存在致病危险。用列当病原菌防治列当草害，无异于引狼入室，潜在风险巨大。

  利用列当病原菌防除列当，将是一条不归之路。

  用列当的非致病性微生物防除列当，可以消除农作物病原的扩散风险，值得探索，但目前相关研究很少。

  放线菌产生抗菌活性物质，能预防农作物的细菌及真菌病害，但能否抗列当草害，在2013年前，没有任何研究报道。但我认为，放线菌对列当防治应该有一定效果，至少对寄主的产量提高应有一定作用。在新疆建设兵团农二师农科所和科技局领导来杨陵中科院水保所座谈列当的防治问题时，我对他们所提关于放线菌能否防治列当草害时的回答是：虽然在进行试验之前我不能肯定放线菌对列当有无防效，不能将受列当危害的加工番茄的产量由3吨/亩提高到正常产量9吨/亩，但将加工番茄产量提高到5-6吨/亩，还是有可能的。此回答不是随意而言，是基于我们已经在生产中获得的放线菌对多种作物的促生增产效果提出的。

  马永清教授2016年在新疆农二师的田间试验表明，放线菌剂穴施，加工番茄增产57%。我对放线菌在加工番茄上增产效果的推测目前已得到实验室及后续田间应用结果证实。

  谈到利用放线菌防治列当，还有一段有趣的故事。

  中国科学院西北水土保持研究所的马永清教授是一位有资深化感专家，也是列当防治研究权威。马教授长期从事植物与植物之间的化感作用研究，也研究列当防除。

  我和马教授在科研上来往多。我多次建议马教授，不要只搞植物之间的化感作用研究，应关注微生物与植物之间的化感作用。

  我提出此建议的依据是我长期的科研积累。

  我们研究室的大量研究已经证明：

  植物根系表面土壤（简称“根表土壤”）和根系主要分布区土壤（简称“根区土壤”）中的微生物种类与数量决定着植物的命运，决定着植物的健康与否及生长好坏。

  植物的根系分泌物影响根表土壤及根区土壤中的微生物种类与数量；不同植物根表土壤和根区土壤中的优势微生物（数量多，比例高的微生物）不同，优势微生物及其代谢产物也反过来影响植物根系发育及植物生长，决定着植物健康或发病，生长旺盛或生长不良。

  植物与根区、根表土壤微生物，相互影响，关系密切而复杂。

  这些相互影响，是通过植物与微生物的代谢产物相互作用完成的。

  故植物与土壤微生物之间的化感作用一定存在，只是从事化感作用的研究者尚未涉及这一领域。

  马教授不从事微生物研究，所招硕士和博士研究生也不熟悉微生物，我的建议无法实施。

  到了2013年，机会来了。

  我指导的一位硕士研究生陈杰即将毕业，她的硕士论文题目是马铃薯连作障碍微生物修复研究。该生工作认真努力，有科研潜力，在硕士阶段就在《作物学报》、《植物保护学报》及《西北农林科技大学学报》等刊物上发表了5篇论文。我推荐该生到马教授实验室读博士学位，想把放线菌的应用研究延伸到化感领域，具体研究对象就是列当防除。

  马教授欣然接受陈杰免试进入他的实验室攻读博士学位。我们共同讨论了陈杰的博士论文研究内容，决定开展微生物防除列当研究，重点是放线菌。

  陈杰从我们微生物资源研究室的菌种库中挑选了近百株优秀放线菌及少量真菌，用于她的博士论文研究，探索微生物防除列当可行性。

  这些放线菌和真菌是我20年来和我的几十位研究生从中国西北极端生境中分离筛选出来的部分优秀菌株，具有抗病促生多种功能，是具有重大潜在应用价值的微生物资源。

  经过将近4年的研究，获得了一系列令人鼓舞的结果，开启了利用非致病微生物防除列当的大门，从理论和应用上均证明：利用非致病微生物防除列当是可行的；放线菌对列当具有多重作用。

  有的放线菌抑制列当种子萌发及列当生长；有的放线菌却具有相反的功能，能诱导列当种子萌发。另外，还发现放线菌对列当和寄主的“态度”截然不同：显著抑制有害生物列当生长，显著促进列当寄主番茄及向日葵生长，大幅度提高番茄和向日葵产量。

  这项研究的主要结果如下：

  1.筛选到3株能强烈抑制向日葵列当和瓜列当种子萌发的拮抗放线菌

    淡紫褐链霉菌509能强烈抑制向日葵列当种子萌发(图4)；密旋链霉菌 Act12；黄白链霉菌T4能强烈抑制瓜列当种子萌发。在无细胞发酵滤液浓度为3.5 mg/ml时，509对向日葵列当及 Act12、T4对瓜列当种子萌发抑制率均达到 75%以上。

 图4. 淡紫褐链霉菌抑制向日葵列当种子萌发

   2.发现5株放线菌能分泌诱导列当种子萌发的代谢产物，诱导列当种子“自杀”

 列当种子在自然条件下不萌发。

 独脚金内脂可诱导列当种子萌发，是列当萌发必不可少的诱导物。

 该研究发现，链霉菌Act13，球孢链霉菌球孢亚种D141及加利利链霉菌G37均能诱导瓜列当种子萌发；球孢链霉菌C28 和链霉菌S8能诱导向日葵列当种子萌发。其中，Act13、D141和 G37 无细胞发酵滤液在 0.35 mg/ml浓度下可分别诱导 14.7%、14.9%和 15.4%的瓜列当种子萌发；C28 无细胞发酵滤液在 3.5×10^-4 mg/ml浓度下，可诱导 13.4%的向日葵列当种子萌发。

  上述发现表明，这些放线菌能分泌某些特殊代谢产物，能诱导列当种子“自杀”，该特性对减少土壤中列当种子的库存量有重要作用。

  列当种子不能独立萌发；没有寄主不能生存。寄主的根系分泌物诱导列当种子萌发；寄主提供营养列当才能生长。

  当具有诱导功能的根系分泌物与寄主两个条件同时具备时，列当的危害才会发生。

  科学家已经研究清楚，诱导列当种子萌发的寄主根系分泌物为独脚金内脂。没有该化合物列当不萌发。

  有些放线菌的代谢产物能诱导列当种子萌发，表明这些代谢产物具有独角金内脂的功能，即这些放线菌能分泌类独角金内脂化合物或独角金内脂（这些化合物的成分待证明）。

  在列当发生区的土壤中，列当种子库存量很大，列当种子数量极多，在无寄主诱导时不萌发，其活性能保持15-20年。

  当列当种子萌发，而无寄主存在时，列当不能独立生活就会死亡，导致种子失活。

  如能在不种植寄主植物的同时，利用某种化学物质使土壤中的列当种子萌发，失去活性，就能从源头上消除列当危害。

  独脚金内脂有这种能力，但其价格昂贵，不能用于列当消除。

  放线菌能分泌类似于独脚金内脂的化学物质，将放线菌活菌剂接入土壤，就能“诱骗”列当种子萌发，在无寄主时，萌发种子很快就会失活，达到“诱骗”列当种子“自杀”的目的。

  即向土壤中接种能“诱骗”列当种子萌发“自杀”的放线菌剂，就可以快速减少土壤中列当种子库中的种子数量，从源头上减轻或彻底消灭列当，让列当“断子绝孙”。

  利用放线菌消减列当种子库的研究，目前还在进行中。

   3.发现放线菌活菌剂对向日葵列当和瓜列当有显著防除作用

  盆栽试验中，向土壤中施加 1.0 g/kg的 509 活菌剂，可使收获期向日葵列当的出土数量较对照减少 39.2%～47.5%(图5)，寄生总数减少39.3%～62.4%；使向日葵列当总干重显著减少。其中，生长中期较对照减少46.9%，收获期减少 36.7%。施加Act12活菌剂，使收获期瓜列当的出土数量较对照减少 85.7%，出土率降低75.7%，总干重减少55.4%。 

图5. 淡紫褐链霉菌对向日葵列当的抑制作用

（左：对照；右：盆栽土壤中拌入放线菌剂）

  4.抗列当放线菌对列当寄主有显著促生作用

  在有列当寄生的盆栽条件下，施加 509活菌剂，能显著促进向日葵生长，增加向日葵的生物量及籽粒干重。其中，拌土接种509菌剂，使收获期向日葵株高增加 39.1%～63.4%，茎叶干重增加114.7%～179.0%(图5)；施加Act12菌剂，使收获期番茄产量较对照增加51.6%～84.9%。

  5.提出了拮抗放线菌防除列当的初步机理

  根据本研究所得资料，提出拮抗放线菌防除列当的3 种可能机制：

A.  通过改变寄主根区土壤中微生物区系，形成不利于列当侵染根系完成寄生的微生物环境，抑制列当寄生及生长。

  证据：盆栽试验中，向日葵列当总数及出土数与向日葵根区土壤中放线菌和细菌的数量及比例呈显著负相关。瓜列当的出土数和出土率与放线菌与真菌的数量之比（A/F）、细菌与真菌的数量之比（B/F）呈负相关。施加1.0g/kg的 509 菌剂，使盆栽试验向日葵根区土壤中放线菌的数量较对照增加76.7%～439.9%。施加509 和Act12活菌剂，显著增加了寄主根区土壤中 A/F 和 B/F。

  土壤放线菌与细菌数量大幅度增加，可能会减少列当种子萌发或对寄主根系的侵染，其详细机理尚待深入研究。

  B.增强寄主植物的防御酶活性及系统抗性，阻止列当寄生和生长。

  证据：盆栽试验中，向日葵列当的总数、鲜重及干重均与向日葵根系中多酚氧化酶 PPO 活力呈显著负相关。施加 509 活菌剂，使寄主向日葵根系中 PPO 活性较对照提高43.1%。

  放线菌活菌制剂接入土壤，可导致番茄的获得性抗性和诱导抗性增强已得到证明（http://blog.sciencenet.cn/blog-3194740-1190188.html），但放线菌对列当的防除效果与向日葵系统抗性的关系尚待证明。

  C.抑制列当种子萌发、芽管伸长及改变芽管形态直接防除列当。

  证据：在无细胞发酵滤液为0.35 mg/ml时，放线菌509 和 Act12使向日葵列当芽管长度较对照分别缩短86.2%和 89.6%；Act12使瓜列当芽管长度缩短55.6%。经509 无细胞发酵滤液处理，部分向日葵列当的芽管发生褐变。

  小区及田间试验的结果均证明了放线菌剂对番茄列当的防除效果。

  陈连芳、马永清等通过盆栽试验和大田示范试验研究了育苗和移栽时密旋链霉菌制剂对瓜列当寄生的影响及对加工番茄的增产作用，发现放线菌处理番茄瓜列当寄生量较对照减少66.7%，番茄产量增加72.4%；大田示范试验中，瓜列当寄生量较对照减少 10.2%，番茄产量增加12.4%。

  放线菌防除列当的效果是肯定的，但对其详细机制的研究和揭示将是后续研究的任务。

参考文献

1.  陈杰博士论文：拮抗微生物对列当的防除作用及机理

2.  陈连芳，马永清.密旋链霉菌对瓜列当寄生的影响及对加工番茄的增产作用.安徽农业科学.2018,46（15）:138-139,179