提高再生有机系统微绿生产的综合疾病管理策略

阿拉什·加莱赫戈拉贝巴哈尼， Ph.D.¹, 让·贝特朗·孔蒂纳, Ph.D.², 马达夫·达卡尔, Ph.D.¹, 安德鲁·史密斯, Ph.D.¹ 和迪内什·潘迪， Ph.D.^3，*

¹Rodale Institute，库茨敦，宾夕法尼亚州，19530
²Rodale Institute 中西部有机中心，马里昂，爱荷华州，52302
³Rodale Institute- 波科诺有机中心，布莱克斯利，宾夕法尼亚州，18610
^*通讯作者： dinesh.panday@rodaleinstitute.org

Arash Ghalehgolabbehbahani 和 Dinesh Panday 对这项工作做出了同样的贡献。

抽象

进行了一项温室研究来评估生物杀菌剂 RootShield 的效果⁺ 和紫外光-C (UV-C) 对西兰花产量和生理生长参数的影响（Brassica oleracea var.capitata 意大利）微型蔬菜。使用具有四次重复的随机完整区组设计来安排治疗。主要的土传病原体是通过检测属于接合菌门的受感染植物来检测的。虽然所测试的抗病原真菌对微绿产量有显着影响，但 UV-C 的应用并不影响病原菌。 木霉 经土壤处理后产量最高。 UV-C 可以成为有机微绿生产中害虫防治的一部分，需要详细的生理学研究。

关键词： 西兰花;微绿；再生有机系统；土传病原体；紫外线

介绍

小绿菜是在子叶发育出一组真叶后，在发芽后 7 至 21 天收获的未成熟蔬菜芽（Galieni 等人，2020 年；Zhang 等人，2021 年）。这些年轻的绿色蔬菜以其质地和浓郁的风味而闻名，使其成为沙拉、三明治和其他菜肴中受欢迎的添加物（Turner et al., 2020）。微型蔬菜因其丰富的营养成分和更浓郁的风味和味道而被认为是豆芽的更好替代品。此外，微型蔬菜还富含维生素（例如维生素 C）、矿物质（例如铜和锌）和植物化学物质，包括类胡萝卜素和酚类化合物，它们在人体内充当抗氧化剂（Yadav 等，2019；Zhang等人，2021）。布库特等人。 (2018) 观察到，微型蔬菜中的锌含量比小豆科生种子和发芽种子中的锌含量高出 3.2 倍。 Microgreens 的总叶绿素含量范围为 12.35 至 112.62 mg/100 g ^{- 1}，比豆芽更丰富（de la Fuente et al., 2019）。叶绿素和类胡萝卜素是主要的光合色素，影响客户对微绿植物的选择和经济价值（Žnidarčič 等，2011）。

许多微绿种植者努力控制和优化与温度和湿度相关的气候因素。湿度水平高于 75% 与绿色组织上的细菌和真菌增殖有关，从而导致产量损失（Hamilton 等人，2023）。种植者面临的其他农艺挑战包括与种子质量差相关的发芽率低、光照质量和数量不利以及植物发芽和生长缺乏足够的水分（Hernandez-Adasme 等人，2023 年；Senevirathne 等人，2019 年） 。微型绿色食品种植者面临着与微型绿色食品安全、监管和认证相关的额外挑战。美国约 13% 的食源性疫情与新鲜农产品有关（Carstens 等，2019）。众所周知，源自微型蔬菜的新鲜农产品会受到土壤和灌溉水的各种污染源的影响（Alegbeleye 等人，2018）。微型蔬菜暴露于叶面和土传病原体中，从而干扰其生长和发育。发病机制的特点是明显的宿主-病原体相互作用，导致感染性微生物单位在整个宿主根或叶组织中增殖，同时干扰其功能。疾病强度和增殖取决于植物的敏感性水平、病原体的传染性和毒力以及环境的有利程度（Agrios，2005）。因此，植物的低抵抗力、剧毒病原体和潮湿的环境相结合，可能会引发大规模的病原体侵染，从而导致农作物完全损失。蔬菜和微型蔬菜对根腐病敏感，根腐病可能导致幼苗猝倒病 腐 属， 镰刀菌 种，或 根瘤菌 种。 （Martins 等人，2022 年；McGeee 等人，2018 年；Riaz 等人，2021 年）。

农民工具箱中的不同策略可用于预防、减轻或控制疾病。控制植物病害的策略之一是使用直接针对病原体的生物方法。疾病控制的生物学方法包括一系列植物源产品、微生物代谢物和微生物制剂。属 木霉是一种世界性土传丝状真菌，因其控制植物病原体的固有拮抗能力而广为人知和研究，并已广泛用作生物防治剂（Contina 等人，2017 年；Harman 等人，2004 年；Druzhinina 等人， 2011）。 木霉 种。采用多管齐下的机制来控制土传病原体，包括（Harman 等，2004）：（1）病原体的直接寄生； (2)水解酶的生产； （三）空间和资源的竞争； (3)根定植； (4)促进植物生长； (5)诱导宿主的全身抵抗力。不同种类的 木霉 已被证明可以显着控制线虫（Contina 等人，2017 年；Sahebani 和 Hadavi，2008 年）， 镰刀菌 种。 （埃拉佐等人，2021）， 疫霉菌 属， 腐 种。 （McGehee 等人，2018）， 根瘤菌 种。和昆虫（Poveda，2021）。

紫外线还可以通过抑制微生物污染物的生长来对其进行消毒。在多种类型的紫外线辐射中，UV-C（200-280 nm）具有最有效的杀菌作用。暴露在紫外线下还会导致孢子萌发延迟，并通过促进萜类化合物等抗菌物质的积累来增强对植物病原体的抵抗力（康奈尔纪事报，2019）。一项突破性的发现强调了夜间应用紫外线根除真菌的功效，这激励研究人员利用这种方法来防治园艺作物中的各种真菌病害（Suthaparan 等，2012）。

针对再生有机微绿生产中病害控制信息和技术有限的问题，开展了一项研究，开发一种综合方法，将抗病原真菌的应用作为生物防治，并利用紫外线作为物理病害管理方法。西兰花 （Brassica oleracea var.capitata ）因其对土传微生物疾病的高度易感性而被选为案例研究。这项研究的观察结果将作为设计综合研究项目的基础，以减轻各种微生物疾病对土壤微绿色生产系统的影响。在本研究中，我们通过测量微型蔬菜的产量和其他生理生长参数（如茎长度和根长度）来评估抗病原真菌和 UV-C 照射对微生物侵染的间接影响。未来将研究处理对土传病原体的影响。

材料和方法

温室条件 

这项研究是在宾夕法尼亚州布莱克斯利的温室（美国农业部植物抗寒区 5b（-26.1°C 至 -23.3°C））中进行的。整个研究期间，温室内的温度保持在24.4°C，湿度保持在45%。将植物维持在12小时：12小时光照：黑暗的光周期下，并根据要求使用底部托盘填充方法每天最多浇水2次。基于随机完整区组设计的阶乘排列 (2×2022) 用于评估紫外线 (UV) 光和两种抗病原真菌分离株的组合对西兰花种子生产的微菜产量的影响。从 2023 年 XNUMX 月到 XNUMX 年 XNUMX 月，该试验重复了三次。还收集了样本并将其送往宾夕法尼亚州立大学植物病诊所的实验室，以确定植物侵染的来源。对从对照单位收集的受损植物进行病理学测试的结果表明存在属于接合菌的病原体（根 or 毛霉）门。

植物材料 

西兰花种子购自缅因州费尔菲尔德的 Johnny's Seeds（发芽能力为 82%）。由于与许多其他作物相比，西兰花种子和微型蔬菜特别容易受到微生物感染，因此本研究重点以它们作为案例研究。为了培育西兰花微绿菜，苗盘中装有3.4公斤有机盆栽混合土，并将18克西兰花种子均匀分布在土壤表面。播种后，立即对种子进行灌溉，然后将托盘移至暗室中以促进发芽。经过 72 小时的发芽期后，将发芽的植物从暗室转移到温室长凳上，生长持续时间为 7 至 10 天。使用破坏性取样方法进行产量评估。

接种

RootShield Plus (RS+) 是一种 OMRI 列出的批准用于有机生产的杀菌剂，被掺入土壤中以提供两种分离菌的来源 木霉 (哈茨木霉 菌株 T-22 和 木霉 维伦斯 菌株 G-41)。在每个经过处理的托盘播种前，将 5.8 克 RS+ 与 3.4 千克盆栽土混合。 木霉.

紫外线照射

在每次重复中，三盘种植的西兰花在 200 JM 下接受 UV-C（280-150 nm）照射^-2 （距离光源 3 英寸）使用 ECO 系列杀菌 HVAC 套件（American Ultraviolet，黎巴嫩，印第安纳州）持续五秒。根据光源和暴露距离选择 UV-C 暴露持续时间，以在不影响食品成分和质量的情况下实现微生物减少。

植物生长评价

播种后 10 至 12 天后，手动收获微型蔬菜，并仔细测量和比较不同处理的新鲜农产品的产量。收获前一天，测量绿色冠层覆盖率（%FGCC）作为绿叶生长的指数。为了评估 %FGCC，使用智能手机摄像头拍摄了树叶照片，并通过 Canopeo 应用程序进行了分析。使用该程序对绿色像素进行计数，以评估绿叶与裸土的比率，并将其转换为树冠覆盖的百分比。通过比较处理过的托盘与未处理的对照单元中的产量和％FGCC来评估处理的直接效果。

统计分析

使用R统计软件进行数据分析。使用线性转换模型来评估 RootShield 和紫外线照射对西兰花生长和发育的影响。还进行了双向方差分析（ANOVA）来研究不同治疗组之间的相互作用 α < 0.05。此外，还开发了一个相关模型来研究冠层覆盖度 (%FGCC) 与收获产量之间的关系。这种相关模型有助于了解冠层覆盖的变化如何影响西兰花微菜的最终产量，为未来的农业实践提供了宝贵的见解。还进行了单向方差分析和 Tukey 检验，以比较处理之间测量参数的平均值。

结果与讨论

虽然测试的抗病原真菌显着影响微绿产量，但 UV-C 光照射并未导致该测量参数发生显着变化（表 1）。单独处理的实验单位 木霉 显示出较高的产量，平均新鲜微绿产量为 25.8 克（图 1）。此数量之后，在经过组合处理的托盘中生产了 21.5 克微绿产品。 木霉 和 UV-C 光。观察到的产量差异可能归因于 UV-C 光应用和抗病原真菌之间的拮抗关系。 Smaetz-Baron 等人。 (1997) 报道了发芽率的显着限制 木霉 当暴露于 UV-C 光时。然而，UV-C 应用的效果被发现并不显着；经过 UV-C 处理的托盘仅产生比未经处理的对照单元稍高的产量。

方差分析显示所有测量参数的测试处理之间不存在显着交互作用（表 1）。还观察到抗病原真菌对茎长度和 %FGCC 的显着影响。经过 UV-C 处理的托盘 木霉 表现出最长的茎，平均长度为59.6毫米。相比之下，对照单元的西兰花小菜苗最短，平均茎长度为 50.86 毫米（表 2）。

另一方面，处理之间的根长没有显着差异，范围在 22.41 至 24.96 毫米之间。尽管效果并不显着 木霉 根据微型蔬菜的长度，我们在经过抗病原真菌处理的托盘中观察到发育良好且强大的辅助根系（图2）。实验结束时，测量了微绿种子的总根长，其中用以下处理的微绿种子的根长增加了四倍 木霉 （平均 = 4 厘米）与没有木霉的情况（平均 = 1 厘米）相比。应用抗病原真菌还导致 %FGCC 比未处理单位平均高 26%（表 2）。增加的 %FGCC 表明发育的叶绿素细胞数量更多，从而导致更快的生长速度、扩大的冠层覆盖范围和更高的产量。记录的 %FGCC 与收获产量之间的显着正相关性支持了这种关系（图 3）。

西兰花接种了 木霉 与未改良土壤相比，获得了更高的生长和发育。我们的实验表明 木霉 接种剂充当促进植物生长的生物刺激剂和保护植物免受病原体侵害的生物防治剂。类似的研究表明 木霉 种。可以定植于根表皮，提高植物吸收养分的能力，并显着促进其生长（Harman，2006）。植物生长促进作用与以下能力有关： 木霉 种。分泌和释放铁载体，用于螯合其他金属，如锰、镍和锌，并使它们可供植物吸收（Saha et al., 2013）。其他研究发现，一些 木霉 物种具有解磷能力，类激素化合物，可以增强植物养分吸收（Lopez-Bucio 等，2015；Rudresh 等，2005）。

尽管这项研究没有直接评估生物防治过程，但土壤中疾病发展的缺乏通过修正 木霉 表明生物防治真菌为感染场提供了保护层。先前的研究已经阐明了疾病控制过程 木霉 并涉及生物活性化合物、细胞壁降解酶和次生代谢产物的产生（Contreras-Cornejo 等，2016；Harman，2006）。其他研究发现 木霉 可以通过菌丝定植、资源竞争和诱导宿主植物系统抗性直接寄生病原体（Contina et al., 2017; Harman et al., 2004; Van Loon, 2007）。

提供的农业生态服务 木霉 种。通常受到土壤环境因素（非生物元素）和土壤营养网（生物元素）的影响。研究发现 木霉 培养基中的增殖主要取决于土壤温度和湿度条件（Eastburn 和 Butler，1987；Widden 和 Abitbol，1980）。研究发现，多种生物因素与 哈茨木霉 土壤中的分布，包括与细菌种群的正相关（Hadar 等，1984）。在最近的一项研究中， 绿毛霉 和 曲霉 将它们暴露在紫外线下并对其基因结构进行修饰，获得的突变体可以比野生型更大程度地成功控制植物病原体（Alfiky，2019）。然而，在我们的研究中，暴露 绿毛霉 和 哈茨木霉 与非暴露处理相比，没有增强其生物防治活性或生物刺激能力。这些含糊之处可以通过以下事实来解释：只有特定的 木霉 当菌株暴露于紫外线时，可以增加其生物刺激和生物防治活性。

未来的研究应该集中于阐明微型绿色植物时可能发生的诱变事件， 绿毛霉及 哈茨木霉 暴露在紫外线下并确定对植物生长和发育的影响以及能力 木霉 种。在土壤中增殖并充当生物刺激剂和生物防治剂。绘制可能发生突变的遗传结构图谱将有助于识别与增强有益特性相关的特定基因。 木霉 种。并有可能将诱变添加到控制植物病害和促进植物生长的工具箱中。我们打算继续我们的研究路线并将其扩展以探索寄主植物、病原体、生物防治剂和环境之间的特定相互作用。

致谢： 作者感谢 Jennifer Salazar 和宾夕法尼亚州布莱克斯利的整个 Pocono Organics 团队在研究过程中提供的宝贵支持。此外，作者还要感谢印第安纳州黎巴嫩 American Ultraviolet 的 John Siepel 慷慨提供紫外线灯和技术援助。

资金： 该项目由 Pocono Organics 资助，部分由美国农业部国家食品和农业研究所通过东北可持续农业研究和教育计划资助，子奖项编号为 [ONE22-413]。

利益冲突： 作者声明不存在利益冲突。