植物界上演“萬萬沒想到”，牛羊靠吃還能減少草地病害

出品：科普中國

制作：趙序茅（蘭州大學(xué)青年研究員）

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

從鼠疫、天花，到“非典”和“新冠”，人類的歷史，幾乎就是一部與傳染病打交道的歷史。在人類不斷對(duì)抗病原體的同時(shí)，植物也在另一條戰(zhàn)線上英勇地與病原體作斗爭(zhēng)。不僅如此，植物的健康與人類的生命健康、生產(chǎn)生活更是息息相關(guān)。

唇亡齒寒，植物“生病”，人類也逃不了

農(nóng)作物上的病害會(huì)直接影響糧食產(chǎn)量，進(jìn)而危害人類的生存。歷史上愛爾蘭人曾以馬鈴薯為主食，在1845~1846年，一場(chǎng)由致病疫霉（Phytophthora infestans；一種病原卵菌）引發(fā)的馬鈴薯晚疫病席卷愛爾蘭主要產(chǎn)糧區(qū)。短短的數(shù)個(gè)月內(nèi)，數(shù)十萬人被餓死，百萬人流離失所，逃荒至歐洲大陸和北美洲。

不僅如此，自然生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)生的植物病害也會(huì)對(duì)人類造成危害。

中國有60億畝的草地，其面積占據(jù)了國土面積的41%，是我國現(xiàn)有耕地面積的3倍多。這些草地大多被用來發(fā)展畜牧業(yè)，放養(yǎng)著數(shù)以億計(jì)的牛羊，為人類直接提供著各類肉制品和奶制品。

葉片則是植物最重要的光合作用器官，然而，許多植物病原體往往會(huì)侵染牧草的葉片引起病害，光合作用受影響，進(jìn)而導(dǎo)致牧草產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降和有害毒素的積累等一系列后果。

草場(chǎng)病害直接關(guān)系到千家萬戶“飯盒子”和“奶罐子”，也關(guān)乎數(shù)百萬牧戶的“錢袋子”。而中國的牧民多數(shù)為少數(shù)民族，分布在祖國的邊疆，牧草的健康與否更關(guān)乎國家的脫貧大計(jì)和社會(huì)的穩(wěn)定團(tuán)結(jié)。既然關(guān)乎國計(jì)民生，作為科研人員就不可不察，不僅如此，科研人員還在積極探究放牧對(duì)牧草病害的影響。

不要小看“牛吃草”！放牧還能保護(hù)草場(chǎng)

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，放牧?xí)?duì)草場(chǎng)造成破壞，然而新的研究發(fā)現(xiàn)，一定梯度的放牧可以通過病原體減少植物病害間接保護(hù)草地。相關(guān)成果以《Contrasting effects of mammal grazing on foliar fungal diseases: patterns and potential mechanisms》為題目，發(fā)表在國際植物學(xué)頂級(jí)刊物New Phytologist上。

劉向研究員在野外休息 來源：作者提供

要想給牧草“把脈”，就得溯本清源，找到植物病原體的源頭。植物病原體包括病原菌物（又包括病原真菌和病原卵菌）、病原細(xì)菌、病原線蟲和植物病毒等類群。而根據(jù)病原體的生活史特征，又可以被分為活體營養(yǎng)型病原體和死體營養(yǎng)型病原體。如果把病原體比喻成“吸血鬼”的話，可區(qū)分為“吸人血”的活體營養(yǎng)型病原體和“吸鬼血”的死體營養(yǎng)型病原體。

所謂活體營養(yǎng)型病原體，是指僅能從宿主的活細(xì)胞中獲取營養(yǎng)，并生活在活植物組織內(nèi)的病原體。病毒在離開活細(xì)胞后，就會(huì)迅速失活，因此屬于典型的活體營養(yǎng)型病原體。比如，植物常見的銹病和白粉病等，其病原體就屬于活體營養(yǎng)型。

而死體營養(yǎng)型病原體，則是指能夠從宿主的死細(xì)胞中獲取營養(yǎng)，并可以生活在死植物組織內(nèi)的病原體。病原體的上述生活史特點(diǎn)，直接導(dǎo)致活體營養(yǎng)型病原體的繁殖體往往只能存在于鮮活的植物組織內(nèi)；而死體營養(yǎng)型病原體的繁殖體則在枯枝落葉和土壤中無處不在。

有了對(duì)“敵情”的細(xì)致摸排，研究人員就可以針對(duì)性“用兵”了。根據(jù)植物病原體的上述特點(diǎn)，蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)創(chuàng)新研究院劉向課題組選擇青藏高原東部的典型高寒草甸為研究對(duì)象。

青藏高原不僅是世界的屋脊，還是我國重要的草原，是5000萬只綿羊，1400萬頭牦牛的樂土。而牧草的興盛關(guān)乎畜牧的生存，畜牧的生存又直接關(guān)乎到青藏高原500萬當(dāng)?shù)啬撩竦纳a(chǎn)和生活。劉向課題組利用牦牛放牧梯度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)不同放牧梯度（在一定面積的草地上放養(yǎng)不同數(shù)量的牛羊，放的牛羊越多則放牧強(qiáng)度越大）下植物病害的發(fā)生情況開展了大量的調(diào)查。初步發(fā)現(xiàn)放牧?xí)苯咏档突铙w營養(yǎng)型病原體所導(dǎo)致的植物病害，如銹病。也就是說，一定強(qiáng)度的放牧可以通過病原體減少植物病害間接保護(hù)草地。需要注意的是，放牧對(duì)病原體的抑制僅限于活體營養(yǎng)型，對(duì)死體營養(yǎng)型病原體所導(dǎo)致的植物病害，如葉斑病，則無顯著影響。

上述的發(fā)現(xiàn)是僅僅在青藏高原成立，還是放之四海而皆準(zhǔn)？為了證實(shí)上述發(fā)現(xiàn)是否具有普遍性，劉向課題組基于Web of Science和中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，在全球范圍內(nèi)共計(jì)獲取了63項(xiàng)有關(guān)放牧影響植物病害的案例研究，而后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析。分析結(jié)果證實(shí)了劉向課題組之前根據(jù)高寒草甸放牧實(shí)驗(yàn)所得出結(jié)論的準(zhǔn)確性：放牧在降低活體營養(yǎng)型病原體引起病害的同時(shí)，并不會(huì)顯著影響死體營養(yǎng)型病原體所引起的病害。

那么，究竟是何種原因?qū)е铝朔拍翆?duì)不同類型植物病害的差異化影響呢？劉向等人進(jìn)一步設(shè)計(jì)了控制性實(shí)驗(yàn)，以探究這種差異化影響的潛在機(jī)制。他選擇了兩種高寒草甸常見植物，其中一種攜帶由活體營養(yǎng)型病原體引起的銹病（Phragmidium potentillae）；而另一種則攜帶由死體營養(yǎng)型病原體引起的葉斑病（Ascochyta sp.）。

華西委陵菜銹病菌(Phragmidium potentillae)的孢子堆和孢子形態(tài)，拍攝于甘南草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(阿孜站) 來源：作者提供

顯微鏡下的華西委陵菜銹病菌(Phragmidium potentillae) 來源：作者提供

研究人員使用剪刀人工去除掉部分植物葉片以模擬放牧可能給植物葉片帶來的影響，而后對(duì)病害的發(fā)生情況進(jìn)行調(diào)查。控制實(shí)驗(yàn)證實(shí)：活體營養(yǎng)型病原體主要分布在新鮮牧草上，放牧過程中，牲畜啃食牧草，移除了活體營養(yǎng)型病原體的繁殖體，從而達(dá)到控制傳播源的目的。

顯微鏡下的銹菌冬孢子和夏孢子 來源：作者提供

雖是收之東隅，但也失之桑榆。牲畜在啃食過程中，植物產(chǎn)生的傷口可能會(huì)促進(jìn)死體營養(yǎng)型病原菌的傳播，進(jìn)而引發(fā)病害。因?yàn)樗荔w營養(yǎng)型病原菌的繁殖體往往能夠大量存在于枯枝落葉、土壤甚至空氣中。

該研究回答了放牧究竟會(huì)如何影響不同生活史類型病原體引起的植物病害，極大地提高了我們對(duì)放牧情景下植物病害發(fā)生情況的預(yù)測(cè)能力，為制定草原利用和管理措施，開發(fā)草原生物災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)提供了重要的理論支撐。下一步劉向課題組會(huì)繼續(xù)關(guān)注植物物種豐富度、系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系等生物學(xué)因子，溫度、濕度等環(huán)境因子，和施肥、放牧等人為活動(dòng)干擾因子對(duì)病原真菌的影響。

注：該研究由我國本土科研工作者獨(dú)立完成，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/生態(tài)學(xué)創(chuàng)新研究院劉向青年研究員為論文通訊作者，劉木博士和西南民族大學(xué)澤讓東科博士為論文的共同第一作者。研究中使用的放牧梯度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由西南民族大學(xué)四川若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)國家級(jí)野外科學(xué)觀測(cè)研究站在四川省紅原縣設(shè)置。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、蘭州大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)和蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。