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植物界上演“万万没想到”,牛羊靠吃还能减少草地病害!

来源:科普中国
发布时间:2021-03-12
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      从鼠疫、天花,到“非典”和“新冠”,人类的历史,几乎就是一部与传染病打交道的历史。在人类不断对抗病原体的同时,植物也在另一条战线上英勇地与病原体作斗争。不仅如此,植物的健康与人类的生命健康、生产生活更是息息相关。

  唇亡齿寒,植物“生病”,人类也逃不了

  农作物上的病害会直接影响粮食产量,进而危害人类的生存。历史上爱尔兰人曾以马铃薯为主食,在1845~1846年,一场由致病疫霉(Phytophthora infestans;一种病原卵菌)引发的马铃薯晚疫病席卷爱尔兰主要产粮区。短短的数个月内,数十万人被饿死,百万人流离失所,逃荒至欧洲大陆和北美洲。

  

  感染马铃薯晚疫病的作物(来源:必应)

  不仅如此,自然生态系统中发生的植物病害也会对人类造成危害。

  中国有60亿亩的草地,其面积占据了国土面积的41%,是我国现有耕地面积的3倍多。这些草地大多被用来发展畜牧业,放养着数以亿计的牛羊,为人类直接提供着各类肉制品和奶制品。

  叶片则是植物最重要的光合作用器官,然而,许多植物病原体往往会侵染牧草的叶片引起病害,光合作用受影响,进而导致牧草产量降低、品质下降和有害毒素的积累等一系列后果。

  草场病害直接关系到千家万户“饭盒子”和“奶罐子”,也关乎数百万牧户的“钱袋子”。而中国的牧民多数为少数民族,分布在祖国的边疆,牧草的健康与否更关乎国家的脱贫大计和社会的稳定团结。既然关乎国计民生,作为科研人员就不可不察,不仅如此,科研人员还在积极探究放牧对牧草病害的影响。

  不要小看“牛吃草”!放牧还能保护草场

  传统观点认为,放牧会对草场造成破坏,然而新的研究发现,一定梯度的放牧可以通过病原体减少植物病害间接保护草地。相关成果以《Contrasting effects of mammal grazing on foliar fungal diseases: patterns and potential mechanisms》为题目,发表在国际植物学顶级刊物New Phytologist上。

  

  刘向研究员在野外休息 来源:作者提供

  要想给牧草“把脉”,就得溯本清源,找到植物病原体的源头。植物病原体包括病原菌物(又包括病原真菌和病原卵菌)、病原细菌、病原线虫和植物病毒等类群。而根据病原体的生活史特征,又可以被分为活体营养型病原体和死体营养型病原体。如果把病原体比喻成“吸血鬼”的话,可区分为“吸人血”的活体营养型病原体和“吸鬼血”的死体营养型病原体。

  所谓活体营养型病原体,是指仅能从宿主的活细胞中获取营养,并生活在活植物组织内的病原体。病毒在离开活细胞后,就会迅速失活,因此属于典型的活体营养型病原体。比如,植物常见的锈病和白粉病等,其病原体就属于活体营养型。

  而死体营养型病原体,则是指能够从宿主的死细胞中获取营养,并可以生活在死植物组织内的病原体。病原体的上述生活史特点,直接导致活体营养型病原体的繁殖体往往只能存在于鲜活的植物组织内;而死体营养型病原体的繁殖体则在枯枝落叶和土壤中无处不在。

  有了对“敌情”的细致摸排,研究人员就可以针对性“用兵”了。根据植物病原体的上述特点,兰州大学生态学创新研究院刘向课题组选择青藏高原东部的典型高寒草甸为研究对象。

  青藏高原不仅是世界的屋脊,还是我国重要的草原,是5000万只绵羊,1400万头牦牛的乐土。而牧草的兴盛关乎畜牧的生存,畜牧的生存又直接关乎到青藏高原500万当地牧民的生产和生活。刘向课题组利用牦牛放牧梯度实验平台,针对不同放牧梯度(在一定面积的草地上放养不同数量的牛羊,放的牛羊越多则放牧强度越大)下植物病害的发生情况开展了大量的调查。初步发现放牧会直接降低活体营养型病原体所导致的植物病害,如锈病。也就是说,一定强度的放牧可以通过病原体减少植物病害间接保护草地。需要注意的是,放牧对病原体的抑制仅限于活体营养型,对死体营养型病原体所导致的植物病害,如叶斑病,则无显著影响。

  

  小花草玉梅黑斑病 来源:作者提供

  上述的发现是仅仅在青藏高原成立,还是放之四海而皆准?为了证实上述发现是否具有普遍性,刘向课题组基于Web of Science和中国知网数据库,在全球范围内共计获取了63项有关放牧影响植物病害的案例研究,而后对数据进行整合分析。分析结果证实了刘向课题组之前根据高寒草甸放牧实验所得出结论的准确性:放牧在降低活体营养型病原体引起病害的同时,并不会显著影响死体营养型病原体所引起的病害。

  那么,究竟是何种原因导致了放牧对不同类型植物病害的差异化影响呢?刘向等人进一步设计了控制性实验,以探究这种差异化影响的潜在机制。他选择了两种高寒草甸常见植物,其中一种携带由活体营养型病原体引起的锈病(Phragmidium potentillae);而另一种则携带由死体营养型病原体引起的叶斑病(Ascochyta sp.)。

  

  华西委陵菜锈病菌(Phragmidium potentillae)的孢子堆和孢子形态,拍摄于甘南草原生态系统国家野外科学观测研究站(阿孜站) 来源:作者提供

  

  显微镜下的华西委陵菜锈病菌(Phragmidium potentillae) 来源:作者提供

  研究人员使用剪刀人工去除掉部分植物叶片以模拟放牧可能给植物叶片带来的影响,而后对病害的发生情况进行调查。控制实验证实:活体营养型病原体主要分布在新鲜牧草上,放牧过程中,牲畜啃食牧草,移除了活体营养型病原体的繁殖体,从而达到控制传播源的目的。

  

  显微镜下的锈菌冬孢子和夏孢子 来源:作者提供

  虽是收之东隅,但也失之桑榆。牲畜在啃食过程中,植物产生的伤口可能会促进死体营养型病原菌的传播,进而引发病害。因为死体营养型病原菌的繁殖体往往能够大量存在于枯枝落叶、土壤甚至空气中。

  该研究回答了放牧究竟会如何影响不同生活史类型病原体引起的植物病害,极大地提高了我们对放牧情景下植物病害发生情况的预测能力,为制定草原利用和管理措施,开发草原生物灾害预警系统提供了重要的理论支撑。下一步刘向课题组会继续关注植物物种丰富度、系统发育关系等生物学因子,温度、湿度等环境因子,和施肥、放牧等人为活动干扰因子对病原真菌的影响。

  注:该研究由我国本土科研工作者独立完成,兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室/生态学创新研究院刘向青年研究员为论文通讯作者,刘木博士和西南民族大学泽让东科博士为论文的共同第一作者。研究中使用的放牧梯度实验平台由西南民族大学四川若尔盖高寒湿地生态系统国家级野外科学观测研究站在四川省红原县设置。该研究得到了国家自然科学基金、兰州大学引进人才科研启动经费和兰州大学中央高校基本科研业务费等项目的资助。

知识点问答
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在()年,一场由致病疫霉引发的马铃薯晚疫病席卷爱尔兰主要产粮区。
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