植物精油防控瓜菜土传病害机制及在生产中应用

我国瓜菜栽培历史悠久，不仅是瓜菜生产与消费第一大国，也是多种瓜菜的起源与主要演化地之一。根结线虫、蔓枯病、枯萎病、根腐病、疫病、青枯病等土传病害是设施瓜菜连作障碍灾变的主要影响因子，导致瓜菜减产25%～65%，有的甚至毁种失收，每年造成经济损失达数百亿美元，严重影响了设施瓜菜产业健康可持续发展。尤其在全球变暖和集约化农业快速发展的背景下，呈逐年上升趋势。瓜菜连作2～3年后，根际微生物群落结构发生显著变化，致使一些病原细菌、真菌及线虫等数量剧增，导致设施瓜菜生长发育受阻，甚至危及生命，大幅度降低农作物的产量和品质。多年来，瓜菜土传病害主要以化学农药防治为主，对环境、生态和人畜机体造成了一定程度的破坏。由于农药化肥滥用，不仅使病原物对农药的抗性逐年增加，也导致了农药残留超标，影响产品品质，舌尖上的安全受到了严峻的威胁以及关注。目前生产中还没有成本低、安全有效的可根治瓜菜土传病害的手段，再加上要积极落实中国农业可持续发展和“农业双减”的战略，加快解决瓜菜土传病虫害防治瓶颈显得尤为突出。

1  植物精油是破解瓜菜土传病害壁垒的粉碎机

       植物精油富含醛类、酸类、酚类或丙酮类等次生混合物质，具有杀菌谱广、生物降解、无毒安全等优点，被认定为“一般认为安全”（generally recognized as safe，GRAS）。除了在食品、医疗、美容等领域有应用外，植物精油在病原菌和害虫防治方面，有显著的抑菌活性和广泛的抗菌谱范围，不易产生抗药性，且对非靶标微生物和人畜毒性很小、不污染环境等优点，是一种很好的新型植物源农药，具有远大的和广阔的市场应用前景。随着对农产品质量安全和环境保护认识的提高，研究利用植物精油抗细菌、真菌、杀虫等有害生物的防治报道越来越多（见表1）。如瑞香狼毒提取物黄酮类物质对人体金黄色葡萄球菌、番茄疫病菌、黄瓜枯萎病菌、白菜软腐病菌等有良好抑制效果。肉桂精油等对辣椒、黄瓜等土传病原菌具有强烈的抑制或拮抗作用。丁香、甘草等提取物对番茄和黄瓜枯萎病、番茄及辣椒疫病、根腐病等病原菌均具有较强的抑制效果。此外，也有研究表明，白鲜和扁蓄提取物抑制黄瓜根结线虫卵萌发和毒杀2龄幼虫，而且随着时间延长，防治效果提高显著。

表1  部分精油防控瓜菜主要常见土传病虫害情况

2  植物精油抑制瓜菜土传病原细菌和真菌机理

       植物精油的抑菌机制从最初形态学到细胞水平，再到现在代谢途径和分子机理探讨一直是研究的热点和重点，但植物精油成分复杂，不同有效成分抑制病原细菌和真菌结果存在较大的差异性，有学者推测植物精油可能是通过多位点靶向抑制病原菌。在查阅、参考已有植物精油抑菌文献研究的基础上，认为精油主要通过改变病原菌细胞形态、影响相关细胞器的能量代谢及遗传物质变化、溶解菌丝及降低分生孢子萌发等方式抑菌抗菌。

2.1  植物精油改变病原菌细胞结构

       植物精油活性成分作用于病原真菌和细菌时，通过降解或改变病原菌细胞壁和细胞膜等，使病原菌细胞壁合成受损、细胞膜质结构破坏、胞内离子或内容物流出，从而破坏了细胞生理生化代谢合成，导致细胞死亡。如肉桂醛可通过阻碍细胞壁几丁质和葡聚糖的合成，使细胞不能形成完整的保护组织的细胞壁，导致细胞壁功能受损，最终造成细胞衰亡。而罗勒等提取物则通过使病原菌细胞壁增厚，影响细胞壁的正常生理功能，从而降低病原菌孢子萌发率。细胞膜中的双层磷脂则可与丁香酚、香芹酚等酚类提取物发生反应，从而增加细胞膜的通透性和流动性，加剧胞质中的离子流出细胞外，导致胞内ATP浓度降低甚至耗尽，最终导致细胞死亡，抑制病原菌繁殖和生长。马鞭草、百里香、茴香、甘草和连翘等有效成分通过破坏细胞膜脂质层的双层膜结构，使胞内离子及重要内容物外泄，从而导致细胞死亡，菌丝体凋亡。此外，还有研究表明萜类、醇类及酚类精油的亲脂性和低分子质量组分容易穿过真菌细胞壁和质膜，导致细胞膜渗透性变大，细胞壁多糖结构不完整，打破了病原菌细胞有序的新陈代谢，抑制病原菌生长。但也有专家持反对意见：许多具有疏水基团的精油及其成分，可以直接作用并改变细胞膜结构构象，增强细胞膜渗透性，导致胞质内重要离子及内容物渗出，从而使病原菌死亡。经归纳分析，当前对细胞壁和膜的研究主要采用电镜观察细胞结构及内容物渗漏变化等，对精油与细胞壁或膜上双层磷脂及蛋白质的靶向作用位点及机理尚不清楚，有待继续深入研究。

2.2  植物精油紊乱能量代谢和干扰遗传表达

       植物精油中的有效活性成分通过损伤线粒体及抑制菌丝体DNA、RNA、脂类、酶和蛋白质的合成等紊乱病原菌的酶系统和能量代谢，抑制病原菌快速繁殖和正常生长。蒎烯、萜烯和酚类等精油通过破坏线粒体结构，抑制线粒体电子传递蛋白的表达及有氧呼吸，影响其能量代谢并最终导致细胞死亡。有研究发现，当马鞭草提取物香叶醇的质量浓度为0.5～0.6 mg/L时，病原菌菌体内活性氧相对于对照大幅度增加，其抑菌率为98.44%。李金寒等研究结果表明，柠檬醛能够损伤膜功能脂质蛋白，刺激病原菌产生活性氧，并通过降低苹果酸脱氢酶和琥珀酸脱氢酶等酶活性，导致病原菌线粒体能量代谢紊乱及细胞损伤。

       在干扰病原菌遗传表达方面，大蒜素通过作用于菌体表面，可以靶向结合病原微生物体内氨基酸，蛋白质或相关酶等，影响蛋白质合成，间接抑制核酸复制转录，从而扰乱与酶相关的细胞代谢与遗传稳定。罗曼等研究发现，柠檬醛通过靶向结合并抑制蛋白质、脂类、酶类及DNA和RNA合成，进而影响相关基因的表达与调控，导致膜对营养物质（如糖和蛋白质等）的吸收转运率下降，最终导致细胞不能正常生产与死亡。还有学者发现，醛类精油通过作用于病原菌细胞壁或膜多糖、脂类、DNA或RNA遗传物质等，扰乱与破坏细胞周期正常生长发育，导致病原菌菌丝体自溶，从而抑制菌体生长和繁殖。但在抑菌代谢通路途径及分子或基因水平等研究不够深入，需加大研究。

2.3  植物精油抑制孢子萌发及菌体生长

       病原菌细胞受损或环境恶劣时产生分生孢子或有性孢子等，能直接发育为新个体，对菌群意义非凡。植物精油则主要通过溶解和破坏菌丝体结构、使分生孢子梗破碎干瘪、细胞器破裂及内容物完全流失等阻止或降低病原菌孢子萌发或产生（见图1），从而抑制或阻断病菌后代继续侵染和危害的可能性。研究发现，万寿菊提取物可以不同程度地抑制黄瓜、西瓜、番茄等枯萎病和疫病等病原菌的孢子萌发及菌丝生长，其中对西瓜尖孢镰刀菌的菌丝生长抑制率高达70%。尖孢镰刀菌经25 mL/L肉桂精油处理后，菌丝及孢子显著变形，发生皱缩和凹陷，出现严重黏连现象。还有研究表明，百里香酚质量浓度为25 mg/L时，液体培养基中西瓜枯萎病菌分生孢子的数量显著减少，产孢速度明显降低，当百里香酚质量浓度为100 mg/L时，病原菌菌丝生长几乎停滞，菌丝细弱且分支减少，有的菌丝甚至发生断裂。

图1  植物精油抑制瓜菜土传病原菌的机理

3  植物精油防治瓜菜根结线虫的作用机理

       在防治根结线虫方面主要以菊科和豆科植物种类精油研究最多，但关于根结线虫抑制机理鲜有报道。结合前人研究，认为植物精油主要通过抑制线虫卵孵化或驱避、毒杀成虫等防治根结线虫。如印楝、松柏和花椒等提取物不仅抑制根结线虫卵的孵化，且能显著降低2龄幼虫J2数量及扩繁指数。非洲万寿菊提取物对根结线虫2龄幼虫具有驱避、窒息等作用，其田间防效达32%以上。土荆芥、八角、番荔枝、茴香、牡丹皮、丁香、何首乌和地肤子等精油提取物可以强毒杀南方根结线虫J2，其中牡丹皮、丁香等精油提取物作用48 h后，线虫死亡率达90%以上。此外，肉桂提取物可以有效清除土壤中的腐殖质及线虫寄生的真菌病原菌，使线虫饥饿死亡。后期将加大分子、基因组、代谢组等深度研究精油抗菌、抗虫的作用机理。

4  植物精油在瓜菜生产中的应用

       植物精油具有无污染、不杀伤靶标生物、无残留、不易产生抗性等特点，除有效成分广谱抑制瓜菜土传病虫害外，还含有其他多种物质，能促进瓜菜生长发育、修复伤口、诱导瓜菜提高抗病性和抗逆性、延缓果实衰老、改善品质等作用，符合我国居民传统的健康养生理念，也对经济优质发展具有显著的促进作用。

4.1  植物精油调节瓜菜生长发育及诱抗作用

       植物精油因含有丰富的有机酸、激素、矿物质、氨基酸等活性物质，不仅促进植物吸收、调节植物生长发育，且诱导作物提高免疫力及增强抗逆抗病性。如赵仲仁等研究表明，苦参碱及其制剂可刺激黄瓜生根及根系生长，促进离体黄瓜子叶鲜重和干重的增加。肉桂、大蒜、苦豆子等提取物不仅能提高番茄等作物幼苗抗氧化活性，增强抗逆抗病，且能促进番茄生长和果实增产。丁香提取物通过诱导烟草体内抗病相关防御酶活性及促进叶绿素的合成和水杨酸信号通路中关键基因NPR1的表达，减少烟草植株内丙二醛的含量，进而减轻TMV对烟草的危害，同时还对作物生长具有刺激作用。

4.2  植物精油具有“肥效”功能

       植物精油取材于植物，因富含氮、磷、钾多种大中量及微量元素可以促进植物生长、改良品质等。另外，植物精油施用土壤可以招募有益微生物，建立优异的根际微生物群落，进一步促进植物生长，表现出“肥效”功能（见图2）。如印楝素对多种线虫和病原菌有抑制和毒杀作用，而印楝渣则是优秀的有机肥原料，施用后增加土壤通透性，显著改良土壤板结等理化性质，同时驱动土壤有益微生物菌群维持作物根际微生态动态平衡。此外，竹（木）提取发酵醋液含有丰富的钾、钙、镁等多种营养元素和矿物质不仅促进植物生长发育，同时可以分解土壤中有机质，改良土壤，调节并改善土壤微生物菌群动态健康平衡。

图2  植物精油在瓜菜生产中的应用

4.3  采后储藏保鲜

       瓜菜腐烂变质主要由病原真菌和细菌侵染及果实自身代谢衰老等导致。植物精油绿色纯天然、无毒无害、具有广谱抑菌和调节瓜菜生理生化代谢等多方面的作用，已被广泛应用于瓜菜采后储藏保鲜。柠檬烯、香芹酚等不仅抑制病原菌生长和繁殖，且具有显著的抗氧化活性，可以有效调控降低瓜菜生理代谢活动，延缓果实衰老，保持果实的品质和色泽。牛至精油不仅抑制番茄中霉菌、沙门氏菌等病原菌，且较长时间保持番茄采后果实品质。橙叶、罗勒、丁香、肉桂和百里香等精油提取物通过抑制相关酶活性、相对电导率及丙二醛含量的增加等，推迟呼吸高峰出现，从而延缓果实采后衰老及室温高湿条件下的腐烂变质。此外，多酚类物质则通过抑制膜脂过氧化和清除氧自由基，从而减缓瓜菜采摘后生理生化代谢活动，推迟其后熟期。植物精油在瓜菜储藏保鲜中具有极其显著效果，但在实际运用中保鲜效果也受植物精油种类、气味及颜色、精油添加量、水果种类、储藏温度等因素影响。因此大力挖掘开发优质植物精油、深入探索植物精油理化特性及风味感官特性，以对实际蔬菜保鲜应用起指导性作用。

5  结论与展望

       植物精油是环境友好型的天然杀菌剂，具有易降解、低残留，且对非靶标生物相对安全，是未来新型杀菌剂的重要来源之一。近年来，植物精油虽然广泛应用于农业生产，但还有许多问题急需解决，如植物精油易挥发和降解，单一精油广谱性低，田间效果不明显，存在特殊气味和颜色等。在今后的研究中应侧重植物精油活性成分分析、鉴定和评价；明确不同植物精油及各成分之间的协同增效或抑菌作用机理研究；多学科融合加大优良植物精油品种挖掘及产品设计和开发，以期为绿色抑菌剂的开发提供理论依据。

       植物精油组分复杂，各组分单独或多种作用机理研究较少。植物精油的化学组成和含量，会随着遗传因素、地理来源、植物器官、采收年份和管理制度等多种因素的变化而变化。所以，将继续对不同植物精油及各活性成分间的协同增效和扩宽抗菌谱作用深入研究。

       植物精油的抑菌机理有待深入研究。目前许多关于利用植物源杀菌剂防治病害的研究还停留在初步筛选抑菌活性、细胞器结构和功能变化等方面，对其明确植物精油靶位点和作用方式还不清楚。后期可通过代谢组学或转录组学等方法，比较不同浓度或不同作用时间下抑菌剂处理后代谢物和总的基因转录的变化，明确抑菌剂对病原微生物细胞壁和细胞膜合成相关代谢通路的影响，从分子、基因水平深度研究精油抗菌、抗虫的作用机理。

       深入研究精油植物次生物质形成和代谢机制。目前有关植物精油的研究多处于简单横向对比阶段，鲜有研究进一步探讨精油植物次生物质形成和代谢机制与外在环境因素的干扰，故应结合分子生物学重点研究植物体内精油等次生物质形成的内在机制及其代谢途径的调控，挖掘与特征组分合成途径的关键调控基因。

       开展植物精油研究领域的多学科融合攻关。要围绕植物精油的开发利用组织不同学科和部门协调攻关，吸引自然科学、社会科学、人文科学学者共同开展植物精油产业开发研究，进一步拓展精油在医疗、康养、食品、农林业、材料等领域的应用。