致病鐮刀菌的研究進展

謝安娜，徐浩飛，張志林，魏 婷，佘艷萍，劉欣然，史紅安

(1.湖北工程學院 生命科學技術學院，湖北 孝感 432000；2.湖北工程學院 特色果蔬質量安全控制湖北省重點實驗室，湖北 孝感 432000；3.孝感市野生動物和森林植物保護站，湖北 孝感 432000)

鐮刀菌因其無性繁殖產生的大型分生孢子外形似鐮刀而得名[1]，屬于寄生型真菌之一。鐮刀菌通過侵染作物的維管束系統導致作物出現萎蔫、穗腐和腐爛等癥狀，如危害較重可導致植株死亡，從而造成作物大量減產，嚴重影響農業生產。鐮刀菌產生的毒素不僅作用于植物，而且作用于動物和人體，嚴重時威脅其生命健康。本文重點闡述了鐮刀菌屬中致病鐮刀菌對植物的傳播途徑、致病方式、作用機理以及相關防治措施等方面的研究進展。

1 鐮刀菌

鐮刀菌(Fusariumspp)，屬于菌物界真菌門子囊菌亞門肉座菌科(Hypocreaceae)的赤霉屬(Gibberella)、叢赤殼屬(Nectria)、麗赤殼屬(Calonectria)和小赤殼屬(Micronectriella)的有性型真菌。1809年，Link首次以鐮刀菌命名著生于子座上且有彎月形的真菌[2]，以粉紅鐮刀菌為模式種建立了鐮刀菌屬[3]。目前，國際上陸續出現了多種分類系統，各分類系統對鐮刀菌的分類依據和數目不一致，使用較為廣泛的為Gerlaeh系統和Nelson系統。俞大紱[4]將鐮刀菌分為44個種和35個變種，為我國鐮刀菌研究奠定了基礎。鐮刀菌屬擁有多種致病菌，可引起植物的萎蔫、穗腐和根腐等多種病癥，如小麥赤霉病、香蕉枯萎病和棉花枯萎病，已成為世界上重要的致病真菌之一[5]。

2 鐮刀菌的傳播途徑

鐮刀菌屬土壤習居菌，具有致病范圍廣和致病能力強等特點，以菌絲體、孢子形式越冬，主要分布于病殘體、帶菌種子和土壤中。其傳播途徑通常分為兩種：一是垂直傳播，由母系傳播給下一代；二是水平傳播，侵染傷口使寄主植株發病。尖孢鐮刀菌傳播方式為水平傳播，能從苜蓿根或根頸部進行侵染，其途徑為存活于土壤中的菌絲體通過種子滲透至根后再侵染至莖。病菌由植株外表皮細胞間隔較大的組織間侵入，菌絲體和孢子進入導管及維管組織，并擴張至植株各部位[6]。由于作物的氣孔等外部組織和部分植物傷口組織暴露在外，亦可引起空氣中的孢子及菌絲體的感染。目前研究者正對鐮刀菌在不同作物上傳播為害的途徑進行系統的研究，了解鐮刀菌的傳染機制，為有效利用藥劑和農業技術切斷鐮刀菌的傳播途徑和控制其為害提供新的思路。

3 鐮刀菌的致病性

致病鐮刀菌對農作物、花卉和水果等具有很強的破環性，研究表明影響鐮刀菌菌株的致病性的因素較多，同時也存在種間和種內的致病活性差異。致病性主要是破壞植物體結構，分泌次生代謝物使植株出現枯萎、穗腐和腐爛等現象，導致作物大面積死亡，嚴重影響作物的產量和品質，給農業生產帶來巨大的經濟損失。

3.1 萎蔫

萎蔫癥狀在植物生長各周期中均有出現，主要表現為爛秧、葉片枯黃和莖稈枯萎變褐等癥狀。尖孢鐮刀菌通過阻礙植物中水分的流動，使寄主植物體內的果膠酶變活躍，造成植物導管堵塞，最終導致植物萎蔫[7]，該菌具有很強的專化性，能導致番茄、辣椒、香蕉、西瓜和馬鈴薯等枯萎病發生，分布廣泛，在全國各個種植區均有不同程度的發生。康業斌等[8]研究發現由尖孢鐮刀菌甜瓜專化型引起的枯萎病可使甜瓜植株逐步萎蔫，瓜柄產生黃褐色條斑，后引起爛瓜，并導致植株凋枯死亡。對作物枯萎病病株的病原菌研究表明不同作物中的致病菌群組成存在差異，但鐮刀菌為其中的優勢種群。如張斌[9]對侵染番茄的菌株進行分析鑒定結果表明，尖孢鐮刀菌為優勢種群，發生頻率最高。同時，在感染引發三七根腐病的研究中發現，尖孢鐮刀菌為優勢種群，且鐮刀菌屬中多個種具有致病性[10]。鐮刀菌屬的致病菌群組成和優勢致病菌受溫度、pH、碳源、培養基類型等外界環境因素影響顯著[11]。宋莉莎等[12]研究表明，不同碳源種類對燕麥鐮刀菌生物學發育影響顯著，以麥芽糖的生長效果最佳。而曹興等[13]研究發現，BM、SDA、PDA三種不同培養基對尖孢鐮刀菌的生長影響顯著，其中PDA為尖孢鐮刀菌的適宜培養基。姚錦愛等[14]研究表明，尖孢鐮刀菌在不同pH中，菌落直徑和產孢量均有較大差異，最適pH值為7。

3.2 穗腐

穗腐是由病原菌感染農作物穗粒致使該部位腐爛，導致農作物大量減產，甚至死亡，多由鐮刀菌屬致病菌引起。玉米穗粒腐病屬世界范圍內常見病害之一。史曉榕等[15]研究發現，引起玉米穗粒腐病的病原菌種類繁多，但串珠鐮刀菌為優勢致病菌，占所有分離的致病菌種的50%～83%。裴春麗等[16]研究發現串珠鐮刀菌對玉米的侵染率達到90%左右，并能侵染十幾個科的植物，如玉米、高粱、小麥、棉花、豆類等重要經濟作物。同時研究發現我國小麥赤霉病染病均由多種病原菌侵染引起，其中禾谷鐮刀菌為優勢菌群[17]，因禾谷鐮刀菌侵染小麥麥穗后，呈現粉紅色或橘紅色的霉狀物，因而得名赤霉病[18]。武愛波等[19]對禾谷鐮刀菌侵染小麥胚芽鞘部位進行病株觀察，發現各菌株間致病力存在顯著差異。

3.3 腐爛

鐮刀菌能引起植物果實、塊莖、鱗莖等腐爛。郭建偉等[20]對草果進行研究發現鐮刀菌為引起其果穗和果實等腐爛的病原菌。尖孢鐮刀菌是一種危害極大的土傳病害，能引起番茄頸腐根腐病，給番茄生產造成嚴重的經濟損失。鐮刀菌除對經濟作物產生危害外，對其他植物同樣存在危害。紫花苜蓿具有“牧草之王”的美稱[21]，隨著種植面積的不斷擴大，苜蓿根腐病成為主要病害，其病原菌主要為真菌類，其優勢種為鐮刀菌屬中尖孢鐮刀菌、茄鐮刀菌等[22]。文增葉等[11]研究發現，尖孢鐮刀菌是引起三七苗期根腐病的主要病害之一，導致三七植株變軟倒折，甚至死亡。

4 致病機理

由于植物具有完整的營養結構和保護機制，鐮刀菌主要通過破壞植物細胞結構和分泌毒素兩種途徑致病。植物維管束系統對植物生長起到運輸水分和營養物質等重要作用。康振生等[23]研究發現，鐮刀菌病菌入侵小麥穎片、外稃和內稃的內表面以及子房的頂部后，擴展到達穗軸，沿維管束和皮層組織延伸至小花，最終導致整個穗部枯死。尖孢鐮刀菌從根系侵染寄主植物維管束系統后，向地上部分擴展，同時分泌3種細胞壁降解酶降解植物細胞壁，其降解產生的果膠阻塞宿主植物的導管，從而阻礙宿主正常生理活動，導致植物萎蔫、死亡[24-25]。

除通過破壞結構使植株致死外，菌毒素也對植物體產生較大影響，如鐮刀菌酸(5-丁基-2-吡啶甲酸)為鐮刀菌屬真菌分泌的非專化型毒素，其可增加細胞膜的通透性，降低細胞內的線粒體活性氧含量，阻礙ATP的合成，從而抑制植物生長，故阻斷鐮刀菌酸的合成能有力地控制尖孢鐮刀菌的致病性[26]。李赤等[27]研究表明，香蕉葉片被粗毒素和單純的鐮刀菌酸處理后，細胞以及內容物被嚴重破壞，影響作物的生長發育。對小麥三葉期的葉片組織進行研究，發現禾谷鐮刀菌的毒素依次作用于質膜、葉綠體膜、線粒體膜和核膜，使得小麥的幼根及胚的細胞膜通透性增加，使小麥更易染病[28-29]。禾谷鐮刀菌在侵入植株后，分泌毒素脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)，破壞植物細胞結構，導致植物染病致死。DON為世界范圍內最常見的污染糧食、飼料和食品的霉菌毒素之一，誤食后會出現急性中毒癥狀，如厭食和嘔吐等，嚴重時將造成死亡。同時，DON對免疫系統有影響，具有明顯胚胎毒性和致畸作用，對人和牲畜危害極大。串珠鐮刀菌分泌串珠鐮刀菌素(Moniliformin，MON)對玉米等糧食作物產生作用后，將抑制細胞蛋白質和DNA合成，干擾細胞分裂增殖，影響生物膜通透性和各種酶的活性，使得機體過氧化損傷[30]。研究發現，MON能有效抑制鼠肝臟細胞線粒體的丙酮酸脫氫酶系和α-酮戊二酸脫氫酶系的活性，以及抑制大腦丙酮酸脫氫酶系的活性[31-32]。

番茄專化型尖孢鐮刀菌基因組中1/4為富含轉座子和有關致病性基因的譜系特異性區域[33]，為尖孢鐮刀菌致病力強和感染范圍廣泛的原因，導致尖孢鐮刀菌發生基因組水平轉移，出現寄主專化型和生理小種[34]。鐮刀菌的某些特定基因在植物體生長繁殖過程中發揮作用，影響其相關特性或性狀。侯占銘等[35]研究表明，具有細胞分裂活性的蛋白激酶基因MGV1在禾谷鐮刀菌的雌性繁殖、異核體的形成以及侵染寄主等過程中具有重要作用。Nicole等[36]研究顯示MAP激酶基因gpmk1 (和MGV1是同一個基因)能控制禾谷鐮刀菌的雜交、分生孢子的產生及禾谷鐮刀菌的致病性。對尖孢鐮刀菌的基因組研究發現，尖孢鐮刀菌自身產生的蛋白質產物在促進生長的同時，能在植物體內進行信號轉導，產生相關致病毒素，從而危害植物體正常生長[19]。

5 鐮刀菌的防治措施

致病鐮刀菌對農作物產生較大危害，在防治過程中應遵循綠色環保的理念，采用“預防為主，綜合防治”的方針政策，根據鐮刀菌的發生規律和為害特點，采用科學、安全的防控措施。目前化學農藥成為防治鐮刀菌的主要措施，其帶來的一些不良的問題日益嚴重，應提倡建立包括化學防治、生物防治和農業防治等的綜合防控體系。

5.1 農業防治

鐮刀菌滋生于土壤中，改變土壤環境是預防鐮刀菌危害的有效措施之一。輪作是最為簡單、有效的方式，在運用過程中應合理避開與易感染的作物輪作，且需考慮輪作時長等問題[37]。周艷麗等[38]研究發現，大蒜的根系分泌物對黃瓜和西瓜枯萎病具有抑制作用，其效果隨濃度增加而增強。同時菌的生長繁殖溫度和濕度等環境條件成為影響菌生長的因素，因此選用濕度適宜的土壤、合理密植、改變土壤pH值和定時對田地進行清潔等均起到農業防治作用[39]。除改變外界環境外，選育健康抗菌品種、對植物種子或植物體進行消毒殺菌處理均能有效防治鐮刀菌的為害。

5.2 生物防治

自然界中的微生物，如木霉、非致病鐮刀菌和生防細菌等，對病原菌具有一定的拮抗抑制作用，與病原菌競爭生長所需的條件或誘導植物產生抗性以達到防治作用[40]。劉新月等[41]研究發現植物體內的生物活性化合物對鐮刀菌屬中致病菌也具有一定的抑制作用。生防菌通過營養競爭和生態位排斥等方式抑制鐮刀菌的生長繁殖，以及鐮刀菌屬中的非致病鐮刀菌應用弱株系交互保護作用原理亦可防治致病菌作用。生物防治通過細菌、真菌和放線菌等微生物對致病鐮刀菌的拮抗抑制作用進行防治，抑菌效果顯著，且能有效改善農藥使用帶來的環境問題。

5.3 藥劑防治

化學防治為目前有效的防治手段之一，具有見效快、作用顯著等優點。國內常用的化學防治藥劑包括消毒劑、殺菌劑和熏蒸劑等。許文耀等[42]通過孢子萌發法和生長速率法測定了9種殺菌劑對香蕉枯萎病菌的毒力，并對組培苗進行灌根測定藥效，225、300 mg/L惡霉靈·溴菌睛、300 mg/L惡霉靈、200 mg/L多抗霉素田間防效為57%以上，比多菌靈防治效果高10%～20%。程洋洋等[43]研究表明戊唑醇、嘧菌酯等廣譜性殺菌劑對小麥赤霉病防治具有良好效果。隨著化學藥劑的使用帶來一些負面影響之后，鐮刀菌的防治也在不斷地開發新型的植物源藥劑，如關文超等[44]從26種中草藥的水提物篩選出6種有效抑菌物質，對串珠鐮刀菌抑菌率最佳配方為肉豆蔻-五味子兩藥的組合，對禾谷鐮刀菌抑菌效果最優的為肉豆蔻-訶子-石榴皮三藥的組合。

6 展望

鐮刀菌屬于土壤寄生物，在土壤中活力較高，目前對其防治以化學防治為主，但由于農藥制劑無法深入土壤，因此不能起到完全滅菌的效果，且農藥對人畜有較大危害，易引起環境污染等不良后果，因此生物防治前景更加廣泛。但生防菌運用到植物體后，仍存在許多外來因素影響，如受土壤酸堿度等條件制約，使得生物防治方法未能大范圍推行。如何將生物防治方法有效推廣應用仍有待進一步研究。隨著基因工程技術的應用，對生防菌或植物體進行基因改造將可能解決此問題，使得農業生產上化學防治逐步被生物防治所替代，實現綠色防控的目標。