馬鈴薯瘡痂病的致病機制及防治研究進展

楊 冰，平 原，杜春梅

（1黑龍江大學農業微生物技術教育部工程研究中心，哈爾濱150500 2黑龍江大學生命科學學院，黑龍江省普通高校微生物重點實驗室，哈爾濱150080）

0 引言

馬鈴薯富含碳水化合物、礦物質和熱量，是世界許多地區的主食，可在多種氣候條件下被廣泛種植[1]，與稻谷、玉米、小麥一起為全球糧食供應做出了巨大貢獻[2-3]。近年來，隨著馬鈴薯主食產業化戰略的實施，中國馬鈴薯產業發展迅速。黑龍江省是中國重要的商品薯和種薯生產基地，近5年來黑龍江省馬鈴薯種植面積在15 hm2左右，年平均產量在70萬t左右[4]，然而由于連年種植導致黑龍江省馬鈴薯瘡痂病(potato scab disease)的發生率和嚴重程度呈逐年上升的趨勢，使馬鈴薯產業的發展受到了巨大的影響。作為馬鈴薯塊莖上普遍存在的病害，馬鈴薯瘡痂病幾乎在所有馬鈴薯種植區普遍流行[5]，已成為馬鈴薯種植業亟待解決的問題。

已報道的馬鈴薯瘡痂病菌有20余種，最常見的是瘡痂鏈霉菌(Streptomycesscabies)、酸性瘡痂鏈霉菌(S.acidiscabies)、腫痂鏈霉菌(S.turgidiscabies)[6]，其中S.scabies是馬鈴薯瘡痂病的主要致病菌，能通過皮孔、傷口或幼嫩的塊莖進入組織，通過產生環二肽(thaxtomins)引起瘡痂病，該病的癥狀包括塊莖表面結痂狀、隆起或凹陷性病變，嚴重影響馬鈴薯的質量，導致其市場價值降低，給種植者造成了巨大的經濟損失[7]。該病菌還能侵染蘿卜、甜菜、胡蘿卜和防風草等主根作物[8]。

目前，對馬鈴薯瘡痂病的防治主要有3種方法，即化學防治、農業措施管控和生物防治。化學防治主要是利用2,4-二氯苯氧乙酸、氟啶胺、代森錳鋅和苯并噻唑等藥劑對種薯塊莖進行處理或作為土壤添加劑[7]。農業管理措施主要包括作物輪作、綠肥施用、土壤改良、灌溉等[9]。近年來，生物防治劑在瘡痂病的綜合治理上逐漸顯現出其重要性，成為研發的重點。文獻表明，芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、鏈霉菌屬、木霉屬、絲核菌屬的弱毒株、及由此類微生物制備的復合菌劑均對馬鈴薯瘡痂病表現出良好的防治效果和應用前景[10]。本實驗室的研究也表明，枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌、鏈霉菌對馬鈴薯瘡痂病菌均具有良好的拮抗作用。但是，任何防治方法都有其自身的局限性，單獨使用某一項防治策略均不能完全有效的控制馬鈴薯瘡痂病。為了更好的制定馬鈴薯瘡痂病的綜合防治策略，提高馬鈴薯的產量和品質，本文綜述了馬鈴薯瘡痂病的致病機制及其防治方法的研究進展，以期為今后馬鈴薯瘡痂病綜合治理提供科學參考依據。

1 瘡痂鏈霉菌的致病機制

環二肽毒素是瘡痂鏈霉菌致病的最重要的毒力因子之一[11]，在馬鈴薯瘡痂病發生中起關鍵作用，此外，植物激素也發揮了重要作用。

1.1 致病毒素thaxtomins

thaxtomins是常見瘡痂病的主要致病性決定因素[12]，thaxtomins是一種由 L-苯丙氨酸和 L-4-硝基色氨酸部分縮合而得的環狀二肽（2,5-二酮哌嗪）[13]。它的產生是由植物源性化合物誘導的，包括纖維素部分水解形成的纖維二糖和馬鈴薯塊莖表面存在的木栓質[14]，纖維二糖是纖維素的最小低聚物，可能是擴張植物組織的信號[15]。thaxtomins的作用方式是抑制纖維素的生物合成，從而破壞馬鈴薯的細胞壁，使植物失去自我保護屏障，導致病原菌更容易感染馬鈴薯，對植物造成損壞[16]。Volker等[17]通過用thaxtomins處理擬南芥植物細胞壁，結果表明thaxtomins降低了擬南芥細胞壁的結晶纖維素含量，其影響細胞壁合成基因表達的方式與已知的纖維素合成抑制劑異惡草胺類似。Scheible等[18]的研究也表明用thaxtomins處理擬南芥幼苗時，會表現出結晶纖維素積累減少的現象。此外，已有研究表明產生thaxtomins的能力與引起瘡痂鏈霉菌的致病性之間存在正相關，酸性瘡痂鏈霉菌的txtA基因突變株由于thaxtomins的產生被阻斷而不能引起馬鈴薯小塊莖上典型的瘡痂病，但在txtA突變體中引入thaxtomin合成酶粘粒就會恢復其致病性和thaxtomins的產生。因此，thaxtomins毒素是致病性鏈霉菌所必需的毒力因子[12]。據報道，thaxtomins還可以使植物產生一些生理效應，包括使植物Ca2+和H+內流，細胞內Ca2+濃度增加會導致細胞壁酸化誘導細胞程序性死亡[19]。

thaxtomins生物合成的基因位于一個可移動的致病島(PAI)，該致病島可通過接合從致病性鏈霉菌轉移到非致病性鏈霉菌。在瘡痂鏈霉菌中，致病島被分成兩個不同的區域，一個是“毒理區”，包含thaxtomins生物合成基因，另一個是“定殖區”，其中含有nec1和tomA基因，這些基因有助于毒力[20]。與其他鏈霉菌次生代謝物一樣，thaxtomins的生物合成基因聚集在致病性鏈霉菌的染色體上[21]。thaxtomins生物合成的基因包括txtA、txtB、txtC、txtD、txtE和txtR，這些基因至少排列在兩個操縱子中，第一個操縱子可能由txtA、txtB、txtC組成，第二個操縱子由txtD和txtE組成，它們共轉錄已經被證實[22]。其生物合成始于精氨酸產生一氧化氮(NO)，這是由txtD編碼的一氧化氮合酶催化的反應，然后通過txtE（一種新的細胞色素P450單加氧酶）將NO用于L-色氨酸的位點特異性硝化。基因txtA和txtB(txtAB)負責編碼非核糖體肽合成酶，而非核糖體肽合酶是苯丙氨酸和硝化色氨酸縮合而成的二肽。然后該二肽被細胞色素P450單加氧酶（由txtC編碼）羥基化，從而合成thaxtomins[23]。thaxtomins的生物合成受TxtR蛋白（由txtR編碼）調節，它是AraC/XylS家族中的一種正調節因子，對植物毒素的產生和毒力是必需的。編碼TxtR蛋白的基因嵌入到thaxtomins生物合成途徑中，在致病物種中是保守的。纖維二糖是TxtR的配體，上調TxtR在thaxtomins生物合成途徑中的轉錄[15]。nec1基因編碼一種新的蛋白質，它能誘導植物組織壞死，并有助于毒力[24]。將nec1基因克隆到非致病性鏈霉菌中，從而使其具備了致病性，可以在馬鈴薯塊莖中定殖并使馬鈴薯塊莖壞死[25]。tomA基因同系物負責合成一種番茄蛋白酶，該酶在一些植物病原真菌和植物病原細菌中被發現，而該酶主要是通過抑制糖類生物堿番茄素的合成從而降低植物對病原菌的防御反應[26]。雖然nec1和tomA不是疾病必需的，但它們確實有助于毒力。

1.2 植物激素

植物病原菌進化出影響植物激素信號傳導途徑的策略，以促進宿主的感染。許多植物病原菌產生植物激素，如細胞分裂素、生長素和乙烯，作為改變寄主激素信號的一種方式。由于激素調節植物生長和脅迫反應的各種過程，病原菌可以操縱植物激素信號通路來抑制植物的防御反應，促進定殖和傳播[13]。

細胞分裂素Cytokinins(CKs)生物合成基因簇與腫痂鏈霉菌(S.turgidiscabies)的thaxtomins基因簇鄰近，并且該基因簇與植物束化(fas)操縱子高度相似，而fas操縱子是生物體致病性所必需的并可誘導CKs混合物的合成。fas操縱子內的基因都是在thaxtomins產生的條件下表達的，并能在培養上清液中顯示出CKs活性，這表明CKs的產生可能有助于病原菌的繁殖或傳播[27]。吲哚乙酸(IAA)可由多種植物生長促進菌和植物病原菌產生，IAA在植物病原菌中產生時可能作為相關毒力因子。已有文獻報道有一些鏈霉菌也能夠產生IAA，如已經在天藍色鏈霉菌(S.coelicolor)和阿維鏈霉菌(S.avermitilis)中發現了IAA生物合成基因iaaM和iaaH[28]，瘡痂鏈霉菌也能產生IAA，且也是由iaaM和iaaH參與的，但在瘡痂鏈霉菌87-22中發現IAA的合成是由iaaM和iaaH的同源基因scab75511和scab75501參與的[29]。還有文獻報道，缺失iaaH或iaaM基因的瘡痂鏈霉菌會降低IAA的產量并會減少蘿卜根部的壞死，但是否會減輕瘡痂病的癥狀還需進一步研究[13]。乙烯(Ethylene，ET)是植物抗壞死性病原菌防御反應的重要調節因子。植物病原菌如丁香假單胞菌、青枯菌、灰霉菌都可以產生ET，但是目前尚不清楚瘡痂鏈霉菌是否產生ET，以及ET是否參與了該菌的毒力表型[30]。

2 馬鈴薯瘡痂病的防治

2.1 化學防治

致病性鏈霉菌產生的毒素thaxtomins是誘發馬鈴薯瘡痂病的關鍵。在塊莖形成之前，通過葉面噴施一系列具有減輕thaxtomins毒力作用的化學物質，可以顯著減少馬鈴薯瘡痂病的發生。常見的化學藥劑有2,4-二氯苯氧乙酸、氟啶胺、代森錳鋅、苯并噻唑等殺菌劑，它們作為種衣劑、噴霧劑或土壤添加劑在田間條件下效果良好。Tegg等[31]研究了一些化學物質降低馬鈴薯瘡痂病的作用機制，結果表明2,4-D、3,5-D對瘡痂病的抑制率分別為73.7%和61.2%。并利用塊莖切片生物測定法測試了化學物質抑制thaxtomins毒性的作用，結果表明葉面施用2,4-D能抑制thaxtomins誘導的壞死，證明了疾病的控制是通過化學物質抑制thaxtomins的產生來顯著降低塊莖疾病的發病率并降低毒素壞死等級的。Clarke等[32]的測試結果也表明，噴施低劑量的2,4-D能夠有效減少所有被測馬鈴薯品種的瘡痂病，在不損害塊莖的同時還會增加馬鈴薯根重，能有效抑制瘡痂病的發生。此外，并不是所有化學藥劑都針對thaxtomins來控制瘡痂病的，有的化學藥劑就是直接針對病原體的。Mohamed等[33]發現Capitan、Ridomil和Rizolex三種藥劑在田間都能有效降低瘡痂病的病情指數，效果依次為是Capitan、Ridomil、Rizolex。Santos-Cervantes等[7]研究了代森錳鋅(mancozeb)、氟啶胺(fluazinam)、苯并噻唑(benzothiazole)在體外試驗、溫室試驗和田間試驗對馬鈴薯瘡痂病的作用效果，在體外試驗中代森錳鋅、氟啶胺的作用效果良好，而苯并噻唑無效。在溫室和田間試驗中三種殺菌劑均有效果，氟啶胺對酸性鏈霉菌的作用效果最好。雖然對馬鈴薯瘡痂病進行化學控制可實現最佳產量和質量的改進，但其在農業中的應用也會導致環境破壞、生態系統紊亂以及影響人類和其他生物的健康等問題。因此，應在綜合防控策略中盡量減少化學制品的使用。

2.2 農業防治

農業上防治馬鈴薯瘡痂病主要是通過進行作物輪作和種植覆蓋作物、施用綠色肥料、添加土壤改良劑以及合理灌溉的方法。

2.2.1 作物輪作和覆蓋作物 馬鈴薯瘡痂病可以通過使用抑病輪作作物、秋季覆蓋作物、延長輪作期、增加作物多樣性等多種策略綜合控制。作物輪作主要是為了防止病原菌的傳播，選擇不易受主要病原體影響的作物定期輪作，可以保持作物生產力，減少土壤傳播的疾病，是一種間接抑制病原體的方法。覆蓋作物主要為了覆蓋和保護土壤不受作物生產期間病原菌的侵蝕和養分損失。覆蓋作物可增加有機質，改善土壤結構和耕作，增加和循環利用氮，提高生產力和對疾病管理的潛力[34]。Larkin等[35]評估了大麥/三葉草、油菜、綠豆、小米/油菜、大豆、甜玉米和馬鈴薯7個不同作物及秋季覆蓋作物對土傳馬鈴薯病害發展、塊莖產量和土壤微生物群落的影響。結果表明油菜輪作和冬黑麥覆蓋作物的聯合效應與無覆蓋作物的馬鈴薯相比，瘡痂病的嚴重程度降低了20%至33%。因此，除了在減少侵蝕和改善土壤質量方面的積極作用外，有效的作物輪作與種植覆蓋作物相結合還可以更好地控制土傳疾病。

2.2.2 綠色肥料 Sakuma等[36]研究結果表明燕麥作為綠色肥料可以有效減少馬鈴薯瘡痂病，提高塊莖平均產量。蕓苔屬作物作為綠色肥料也可以有效減少土傳植物病害，這主要是歸因于蕓苔屬作物產生的揮發性硫化合物改變了土壤微生物群落結構。Larkin等[9]對蕓苔屬作物對各種土傳馬鈴薯病原菌和病害的防治進行了評價，結果表明，作為綠肥作物種植的印度芥菜、油菜、菜籽和黑麥草使馬鈴薯作物中的粉狀瘡痂的發生率減少了15%～40%，油菜和菜籽相對于標準燕麥輪作的瘡痂病減少了70%～80%。印度芥菜對減少粉狀瘡痂病和馬鈴薯瘡痂病最有效。

2.2.3 土壤改良劑 許多土壤改良劑都是工業或農業廢棄物，例如蟹殼、肉骨粉、羽毛粉、家禽和豬糞以及豆粕。這些高氮改良劑被土壤微生物降解，產生的氨、亞硝酸以及揮發性脂肪酸使病原菌的數量減少，但施用后土壤微生物總數增加了10到1000倍[37]。但是，許多農業廢棄物的實際使用受到人類健康和安全問題的限制，難以大規模應用。

2.2.4 灌溉 灌溉主要是通過減少在馬鈴薯塊莖形成早期的好氧土壤條件來減少疾病的發生。Johansen等[38]分別在干旱地、正常土地和濕土地中接種致病性鏈霉菌測試了馬鈴薯植物的生長情況，結果表明提高土壤水分可以顯著減少馬鈴薯瘡痂病的發生。因此，灌溉在農業生產中是一種有效的防治方法。

2.3 生物防治

生物防治是一種重要的替代性控制策略，符合農業可持續發展的要求。目前，防治馬鈴薯瘡痂病的生物防治劑主要來源于微生物，包括細菌、放線菌、真菌以及復合菌劑。

2.3.1 細菌 用于防治馬鈴薯瘡痂病的細菌種類主要有芽孢桿菌屬(Bacillus)和假單胞桿菌屬(Pseudomonas)。

（1）芽孢桿菌屬

芽孢桿菌是一類著名的用于生物防控和促進植物生長的細菌。已被證明能抑制幾種土傳病原菌，包括由致病性鏈霉菌引起的馬鈴薯瘡痂病。Cui等[39]從健康馬鈴薯中分離篩選出一株內生貝萊斯芽孢桿菌(B.velezensis)8-4，對加利氏鏈霉菌(S.galilae)等5種馬鈴薯病原菌有較強的抑制作用。田間試驗表明，用菌株8-4處理的馬鈴薯發病率最低，防治效率為51.83±8.53%，另外，8-4菌株處理的馬鈴薯最高產量為1301.92±38.64 kg/667 m2，比對照組提高19.91±3.56%，其對馬鈴薯瘡痂病的防治效果和增產效果比其他殺菌劑好。Chen等[10]通過盆栽試驗表明側孢短芽孢桿菌AMCC100017(Brevibacilluslaterosporus)能顯著降低瘡痂病的發病率、病情嚴重程度和病情指數，該菌能在馬鈴薯整個生長期內成功穩定地在根際土壤中定殖，使根際土壤細菌總數，如芽孢桿菌、熒光假單胞菌和放線菌等功能菌的數量增加，有利于馬鈴薯植株抵御病原菌侵染，從而抑制了植物病害。Meng等[40]從自然抑制馬鈴薯瘡痂病的土壤中分離得到的解淀粉芽孢桿菌(B.amyloliquefaciens)BAC03，在為期2年的田間試驗中，具有顯著的降低馬鈴薯瘡痂病發生率和的疾病嚴重程度的效果。

（2）假單胞菌屬

一些假單胞菌(Pseudomonas)有較好的防控馬鈴薯瘡痂病的效果。Singhai等[41]測試了4株假單胞菌(L4、C4、R1和L2)在有無蚯蚓堆肥的情況下對馬鈴薯瘡痂病的抑制作用以及對馬鈴薯塊莖產量的影響。結果表明，假單胞菌（尤其是R1菌株）和蚯蚓堆肥聯合接種塊莖可顯著提高植株生長和產量參數，降低病害指數。而且這種增強作用不僅僅是它們各自作用的總和，而是由于這兩種因素的協同作用而使植物營養狀況得到綜合改善的結果。R1具有促進植物生長和誘導寄主植物系統抗性機制的潛力。Arseneault等[42]研究了假單胞菌(P.synxantha)LBUM223在受控和自然的田間條件下通過產生吩嗪-1-羧酸(phenazine-1-carboxylic acid,PCA)來控制由瘡痂鏈霉菌引起的馬鈴薯瘡痂病。PCA是一種硝化、雜環和氧化還原活性分子，具有廣泛的抗生素活性，并被證明能干擾電子傳遞鏈，產生幾種活性氧。基因表達分析結果表明，在受控和田間條件下，LBUM223都能夠顯著降低間莖層中致病性瘡痂鏈霉菌txtA的表達，下調參與毒力和菌絲分化的基因表達，同時增加了氧化應激，導致疾病壓力降低。

2.3.2 放線菌 鏈霉菌(Streptomycessp.)是一種良好的土壤寄居者，能在致病性鏈霉菌存在的地方生存得更好，因此作為生防菌具有一定的優勢。利用鏈霉菌作為生防劑控制土傳病原菌已有很多年的歷史了，早前Julie等[43]在可控條件和田間條件下，評價了黑孢鏈霉菌(S.melanosporofaciens)EF-76通過產格爾達霉素和一種從幾丁質中提取的引發植物防御機制的聚合物—殼聚糖對馬鈴薯塊莖的保護作用，在田間能降低疾病的發病率和癥狀嚴重程度。Zhang等[44]報道了一株從馬鈴薯塊莖中分離到的對馬鈴薯瘡痂病具有防治效果的新型鏈霉菌PBSH9，在瓊脂平板上對瘡痂鏈霉菌的抑制區直徑為19.8 mm，其胞外濾液對瘡痂鏈霉菌的抑制區直徑為10.0 mm，此外，PBSH9還能促進馬鈴薯的萌發和出苗，大棚試驗防治率達81.88%，3年田間試驗防治率從47.64%提高到73.97%，種子處理比土壤淋洗更有效。Sarwar等[45]從印度旁遮普省的土壤中分離到一株淺紫鏈霉菌(S.violaceusniger)AC12AB有防病促生作用，在溫室試驗中，AC12AB對馬鈴薯塊莖瘡痂病的防治效果顯著，在大田試驗中，使馬鈴薯產量提高了26.8%(P＜0.05)。Arslan等[46]報道了從田間抑制性土壤中分離出的鏈霉菌A1RT菌株對馬鈴薯瘡痂病有抑制作用及促進馬鈴薯塊莖生長的作用，該菌能產生高活性抗生化合物伊曲酮C(Isatropolone C)和高水平的IAA。這些結果都表明鏈霉菌是一種既能促進植物生長，又能有效控制多種瘡痂病病原菌的生物防控劑。

2.3.3 真菌 哈茨木霉(Trichodermaharzianum)、黃曲霉、指狀青霉等真菌可以作為防治馬鈴薯瘡痂病的拮抗真菌。Muhammad等[47]在2014年評估了哈茨木霉、黃曲霉、指狀青霉對馬鈴薯瘡痂病的作用效果，與對照組相比，接種哈茨木霉的發病率最低，為29.46%、接種黃曲霉與指狀青霉的發病率分別51.66%、60.60%，并且哈茨木霉處理的塊莖產量最高(1909.0 g)，其次是黃曲霉(1655.7 g)和指狀青霉(1504.0 g)。

2.3.4 復合菌劑 目前，雖有許多生防菌已被報道對馬鈴薯瘡痂病具有防治效果，但單一生防菌的防治效果往往沒有復合微生物菌劑防治效果好，復合菌劑在防治中可起到優勢互補的作用，在田間試驗中展示出了明顯的優勢[48]。2015年Wang等[49]對由枯草芽孢桿菌(B.subtilis)和哈茨木霉菌(T.harzianum)組成的微生物制劑在中國內蒙古進行馬鈴薯田間試驗，結果表明用300 kg/ha劑量組的馬鈴薯瘡痂病平均病害指數在兩個試驗點分別下降了28%和41%，塊莖總產量分別提高了21.8%和31.5%。研究人員估測該制劑在馬鈴薯塊莖形成的早期階段（瘡痂病發育的關鍵階段）改變了馬鈴薯根際微生物群落的組成，建立了高相對豐度的有益細菌群落，抑制了馬鈴薯常見病害的發生，并提高了塊莖產量。Larkin等[50]選擇了2個自然產生的弱毒力的番茄絲核菌(Rhizoctoniasolani)Rhs1A1和Bs69和一個市售枯草芽孢桿菌(GB03)進行了單獨和組合的生物防治試驗。在各種環境條件下，多重生防處理可顯著減少黑斑病和瘡痂病，使每種疾病的發病率和嚴重程度降低15%～47%。大多數生防處理都能減少黑斑病的發生，但只有(Rhs1A+GB03、Bs69+GB03、Rhs1A1+Bs69+GB03)的組合處理能減少瘡痂病和銀皮病的發生，弱毒力絲核菌菌株和GB03的組合是最有效的。盡管塊莖產量每年變化很大，但Rhs1A1和GB03組合處理，在3個季節中產量增加了11%～37%。在有機馬鈴薯生產中，使用低毒的番茄絲核菌菌株和其他生防微生物，可以減少土傳病害，提高產量，這為利用細菌和真菌聯合防治馬鈴薯瘡痂病提供了參考。

3 展望

由致病性鏈霉菌引發的土傳細菌性植物病害，仍然是制約中國乃至全世界馬鈴薯產業積極向好發展的重要因素。目前，使用化學藥劑防治該疾病雖見效快，但也會產生一些副作用，比如會造成馬鈴薯塊莖減小、產量降低以及對環境和人類健康造成威脅。農業防治上單一的一種防治措施往往不會有效。大量的生物防治方法已被報道并已取得了成效，是一種高效可靠的防治手段，是未來工作的重點，但是仍然存在防效不穩定，成本較高的問題。為有效控制馬鈴薯瘡痂病的發生，今后可從以下三個方面進行研究：（1）深入研究馬鈴薯瘡痂病的致病機制，分析各種藥劑對毒素thaxtomins產生的影響，為防治瘡痂病的發生提供新的方向；（2）加大對多菌聯用生物防治劑的研發進程，為推進馬鈴薯產業的可持續發展奠定基礎；（3）進一步研究化學藥劑、農業措施與多種生防菌聯合的防治效果，為建立高效安全的綜合防治管理措施提供科學依據。