《Agronomy》：Evaluation of Effective Microorganisms (EMs) as a Biostimulation Tool for Enhancing Potato Health and Resistance Against Soil-Borne Pathogens
Piotr Barba?,
Barbara Sawicka,
Dominika Skiba,
Hakiye Aslan,
Barbara Krochmal-Marczak and
Piotr Pszczó?kowski
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本文通过为期三年的田间试验，系统评估了预种植施用有效微生物(EMs)对14个马铃薯品种块茎健康和病害抗性的影响。研究发现，接种EMs能有效诱导非特异性系统抗性(NSR)，通过“逃逸机制”降低疮痂病(Streptomyces scabies)和丝核菌病(Rhizoctonia solani)的感染率，优化块茎生理状态，为可持续农业提供了一种替代化学拌种剂的生态友好型解决方案。
本研究系统评估了利用有效微生物（EMs）作为生物刺激剂来提升马铃薯健康、对抗土传病原体的功效。实验旨在探究“地质茎圈”（块茎周围形成的特定生态区）微生物组调控对马铃薯品种健康和抗病能力的影响。
1. 引言
现代农学正处在十字路口，亟需重新定义效率范式。面对保障粮食安全与实现“从农场到餐桌”战略及“欧洲绿色协议”目标的双重挑战，农业生产必须从根本上转变，从传统的合成植物保护方法转向生态友好和低投入的方案。马铃薯作为全球食物链的关键一环，对多种土传病原体高度敏感，其中链霉菌（Streptomyces scabies，引致普通疮痂病）和立枯丝核菌（Rhizoctonia solani，引致黑痣病/丝核菌病）造成的品质损失最为严重。本研究的创新之处在于利用EMs的生物技术潜力作为被淘汰的合成杀菌剂的替代品。与传统的化学保护不同，微生物制剂的应用不局限于直接消灭病原体，而是基于“启动”理念的整体性方法——刺激植物进入防御准备状态，从而在感染压力实际发生前就加强生理屏障。这一过程与当前生物农业化学趋势相符，主要研究非特异性系统抗性（NSR）现象。NSR是一个广泛的概念，指植物在接触激发子（例如来自EM群的微生物）后，激活整个生物体的防御资源，而不仅仅是感染部位。在马铃薯研究中，NSR主要与两个通路相关：由植物根际促生细菌（PGPR）诱导的ISR（诱导系统抗性）以及与水杨酸信号通路相关的SAR（系统获得性抗性）。通过种薯处理利用微生物联合体，可以让有益菌株定植根际。这些菌株通过生态位竞争和次级代谢产物的合成，建立起一道天然的生物屏障。
马铃薯块茎周围形成的“地质茎圈”是一个与同化物储存相关的高强度代谢过程场所，也是决定植物在生长季和贮藏期间健康的关键土壤微生物组栖息地。现代农业面临的挑战是实现微生物组的精确调控，以赋予植物所需的适应性。特定的微生物联合体可以显著增强植物对非生物胁迫和土传病原体的抗性。尽管植物-细菌轴线的通讯机制仍需深入分析，但最新的微生物组工程方法——包括合成群落（SynComs）的构建——为作物保护开辟了新的可能。通过种薯接种引入EMs，是微生物组管理概念的实际应用。这一方法的选择基于以下前提：通过接种将稳定的微生物群落（包括乳酸菌、光合细菌和酵母）直接引入幼嫩块茎形成的区域，建立抵御病原菌定植的生物屏障。地质茎圈的微生物工程代表了从传统化学保护向增强植物固有防御能力的战略性转变。通过给马铃薯块茎接种有效微生物，旨在启动非特异性抗性（NSR）通路，创造一个通过竞争和抗菌作用缓解病原压力的生物缓冲。鉴于限制化学农药的监管压力日益增大，迫切需要评估像有效微生物（EMs）这样的生物策略对抗土传病原体（如S. scabies和R. solani）的效果。
研究的主要目标是评估通过种薯接种EM联合体调控地质茎圈微生物组，对不同马铃薯品种健康及其在波动环境条件下减轻S. scabies和R. solani感染能力的影响。验证两种EM处理变体相对于品种多样化的遗传潜力的功效，可以精确确定在不断变化的气候背景下的基因型-环境相互作用。基于地质茎圈是植物-微生物组沟通关键空间的假设，研究者提出了主要假设和若干子假设。
2. 材料与方法
田间试验在波兰卢布林省Parczew试验站连续三个生长季（2019-2021年）进行。试验采用随机裂区设计，三次重复。主要因子A为种薯生物刺激（启动），包含三个变体：对照组（C，无微生物或物理处理）、EM处理1（E1，种植前块茎在10% EM溶液中浸泡10分钟）、EM处理2（E2，种植前块茎在10% EM溶液中浸泡20分钟）。次要因子B为14个具有不同成熟期和对土传病原体具有不同固有抗性的马铃薯品种。所有农艺操作均遵循中欧马铃薯生产的最佳农业实践（BAPs）。矿物施肥基于土壤测试结果，平衡施肥量为N/P/K = 100/100/150 kg/ha，以确保最佳生长而不过度增加病害易感性。未对块茎施用合成杀菌剂，以便清晰评估EM生物刺激的效果。
研究所用的EM Farming?微生物接种剂是一种黄褐色液体，pH值为3.0-3.5，含有多菌株有益微生物联合体，包括乳酸菌、酵母（Saccharomyces）和其他支持生态系统再生的微生物。试验遵循综合病虫害管理（IPM）和良好农业规范（GAP）原则。种植后，通过视觉评估每个小区100个块茎样品的健康状况，使用9点COBORU量表评估普通疮痂病和丝核菌病的严重程度，并计算了三个关键参数：受感染块茎百分比（发病率Wp）、样本平均感染度（严重度Stotal）以及受感染块茎的感染度（严重度Sinf）。为了可视化疾病指数之间的多变量关系，使用了标准化数据进行主成分分析（PCA）。采用SAS 9.2软件进行完全随机设计的三因素方差分析（ANOVA），评估基因型、环境和微生物处理的主要效应及其两两交互作用。所有效应均在p < 0.05的显著性水平下进行评估，并使用Tukey HSD事后检验来识别同质组。
3. 结果
3.1. 块茎普通疮痂病感染情况
该性状衡量疾病发生率——整个采集的块茎样本中出现疮痂病症状的百分比。与不使用EMs的对照处理相比，EM处理显著降低了受感染块茎的比例。在处理变体中，处理变体E2（块茎接种有效微生物20分钟）被证明最有效，将平均感染水平降低至52.0%，而对照处理为61.5%。该性状的数值与品种的遗传特性显著相关。Nora品种对有效微生物的反应最好。在较长的20分钟EMs接种（E2）后，观察到具有普通疮痂病症状的块茎百分比从51.7%急剧下降到21.3%。Oktan品种在使用该制剂较长处理时间（E2）后，也从65.5%显著改善至32.5%。Czapla品种在较长的E2接种后从60.7%减少到34.8%。在某些品种如Bellarosa和Ewelina中观察到异常现象，接种EM的块茎疮痂病发生率高于对照组。然而，虽然表现出症状的块茎百分比更大，但总体疾病严重度仍受到抑制，这表明EM处理可能限制的是病原体的毒力而非初始感染。此外，在高抗性基因型（例如E2处理中的Nora）和易感基因型（例如对照中的Zuzanna）之间记录到显著的响应差异，突显了明确的基因型-处理交互作用。统计分析表明，所有三个考察因素——品种、种薯改良方法和生长年份的天气条件——都对马铃薯块茎的健康状况（关于普通疮痂病S. scabies）有显著影响。
3.1.1. 天气条件与EM生物制剂有效性相互作用的分析
研究年份与应用的种植前处理之间的交互作用显著影响了与普通疮痂病相关的所有三个马铃薯块茎健康参数。研究表明，EM技术在减少普通疮痂病方面的有效性与特定生长季节的感染压力严重程度密切相关。高压力年份（2021年），对照组有多达85.6%的块茎出现疮痂病症状。在这种关键条件下，E2变体最有效，将病块百分比降低了17.4个百分点（至68.2%）。低压力年份（2020年），自然病害严重度较低（对照：42.5%），使用E2变体在整个研究周期中实现了创纪录的低感染水平——仅为34.0%。统计分析显示，延长种薯浸泡时间并不总是必要的，因为2019年短时间（E1，10分钟）和长时间（E2，20分钟）暴露于EMs之间的差异在统计上不显著。这表明在平均病原风险条件下，较短的处理时间足以获得令人满意的保护效果。
3.1.2. 块茎样本感染水平（商业质量指数）
该指数决定了批次的总健康状况，考虑了普通疮痂病症状的范围（存在）和强度（面积）。EM技术的关键效应包括：质量改善、健康引领者、遗传稳定性。年份间变异性：2019-2020年期间的特点是感染压力低，块茎样本的平均感染度保持较高水平（在1-9级量表上高于7.9°），表明症状是表面的，经济影响最小。相比之下，2021年观察到块茎质量急剧下降，平均得分降至6.6°，反映出明显更高的病原体压力。保护缓冲机制：在2021年的高压季节，对照组的感染指数降至临界水平6.1°。应用E2变体（20分钟接种）有效缓解了这种质量损失，将分数提高到7.3°。这种改善提供了一个至关重要的“生物缓冲”，在不利环境条件下提高了马铃薯批次的市场价值。研究结果证实，延长接触生物制剂的时间（处理E2）是稳定马铃薯块茎商品质量的可靠工具。这种效应在感染压力高的季节尤其明显，该处理为不同品种提供了一致的保护，有效地减轻了环境风险，而不受特定品种易感性的影响。
3.1.3. 受侵染块茎上普通疮痂病的严重程度
EMs有效限制了感染率和疾病的“深度”。该指标特指已出现症状的块茎，并评估损害程度。种植前块茎处理使9级量表上的平均分数从6.5°提高到6.8°。这表明，即使块茎被感染，病变也更浅、危害更小，尤其是在E2处理中。该性状的严重程度受遗传特征显著影响。Ewelina品种尽管感染块茎比例高（78.8%），但获得了9级量表的最高严重度得分7.7°，表明疮痂非常表面，未深入块茎内部。Red Fantasy在病变深度上表现出一致的改善，从6.7°（对照）增加到7.3°（E2）。总体而言，Ewelina表现出最高的健康状况（受影响的块茎最少），达到了9级量表的最高值。相反，Nora的稳定性最高，无论处理如何都显示出相同的结果，这表明对测试微生物的反应性较低。在Hinga和Krasa中观察到显著的负面反应，在E1处理下，与对照相比，感染严重度大幅增加。在许多情况下，延长20分钟的接种（E2）产生了最佳结果，表明这是改善块茎健康最通用的方法。最差的结果记录在较短的接种期（E1）下的Hinga，其抗性下降。
