解淀粉芽孢桿菌對植物土傳病害的作用機制

陸景倩，郎劍鋒，楊秋俠，石明旺

（河南科技學院，河南 新鄉 453003）

土傳病害是指病原體如真菌、細菌、線蟲等隨病殘體生活在土壤中，條件適宜時從作物根部或莖部侵害作物而引起的病害，包括根腐病、青枯病、根結線蟲病等［1］。這些病害在中國頻繁發生，危害近0.33億hm2的經濟作物，造成的損失達數百億元［2］，嚴重制約著中國農業的可持續發展。

根據土傳病害的發生特點，可以采用農作防治、物理防治、品種選用、化學藥劑防治、生物防治和多措施的協調使用等來防治土傳病害的發生［3］。生物防治具有安全、有效、無殘留等優點，在農田中使用生防菌不但可以制約土傳病害的初侵染源、保護其侵染點，還能夠調控土壤環境、促進植物生長、增強寄主抗性，同時還能降低化學農藥使用量，是保障農業可持續發展的有效措施［4］。解淀粉芽孢桿菌（Ba?cillus amyloliquefaciens）屬于芽孢桿菌屬，為革蘭氏陽性菌，呈桿狀，兩端鈍圓，有運動性，在NA培養基上呈現粗糙的表面和不規則的邊緣［5］，是一種與枯草芽孢桿菌（Bacillussubtilis）親緣度很高的細菌［6］。解淀粉芽孢桿菌在生長過程中產生一系列能夠抑制真菌和細菌的活性代謝物質，具有廣譜的抗真菌、細菌活性［7］；所產生的活性代謝物質，可作為激發子誘導植物抗性［8］；同時又是一種植物根際促生菌，將解淀粉芽孢桿菌的發酵液對農作物進行拌種、噴施、灌根等方法使用，均可促進植物的生長［9］；且解淀粉芽孢桿菌能與病原菌競爭營養物質，間接抑制植物病害［10］，因而備受學者的青睞。本研究主要從拮抗作用、促生作用、競爭作用和誘導抗性4個方面對解淀粉芽孢桿菌的生防機制加以闡述，并對其今后發展進行展望。

1 解淀粉芽孢桿菌的生防機制

1.1 拮抗作用

解淀粉芽孢桿菌能夠產生豐富的活性代謝產物，通過對解淀粉芽孢桿菌FZB42基因分析表明，總共有11個基因簇用于合成抗菌代謝物質，占總基因組8.5%以上［11］，主要包括非核糖體合成的脂肽類化合物、聚酮類化合物和核糖體合成的細菌素，這些活性代謝產物對植物病原菌生長有直接抑制作用。

1.1.1 脂肽類化合物 解淀粉芽孢桿菌產生的脂肽類化合物具有抗真菌活性，可以明顯地抑制多種病原菌的生長，破壞細胞壁的完整性，抑制菌絲生長和分生孢子的萌發。脂肽是由肽合成酶（NPRS）非核糖體合成的小分子抗生素，這種生物合成系統導致了環狀脂肽產物之間顯著的結構異質性，這些產物在氨基酸殘基的類型、數量和序列以及肽環化的性質上各不相同，在每個家族中，脂肪酸鏈的性質、長度和分支都存在一定的差異，從而導致同一品系同時產生多種相似的Surfactin、Iturin、Fengycin和Bac?illomycin D［12］。Surfactin是生物表面活性劑，具有強大的乳化、發泡等作用，Surfactin能夠與細胞膜磷脂層聯合，帶負電的支鏈伸入到水中，而非極性的部分則進入到膜上疏水孔中，通過破壞細胞膜影響膜的穩定性，從而達到抑菌的目的［13］；Fengycin抑菌機制是影響真菌細胞膜的表面張力，導致微孔的形成，造成了K＋及其他重要離子從細胞內滲漏，最后引起細胞死亡［14］；Iturin以及Fengycin是抑制病原真菌的重要因素，能夠干擾植物真菌病原體的胞內過程，特別是抑制毒素的形成［15］；Bacillomycin D會導致病原菌細胞壁與細胞膜遭受嚴重的破壞，菌絲與孢子都出現嚴重的質壁分離以及細胞質外滲現象［16］。

經研究發現，Surfactin在解淀粉芽孢桿菌對核盤菌、山藥腐皮鐮刀菌和立枯絲核菌的平板拮抗過程中是主要的參與物質［16］；Iturin可以導致大麗輪枝菌的細胞溶解和細胞質外泄［17］；Fengycin參與了解淀粉芽孢桿菌對尖孢鐮刀菌、禾谷鐮刀菌、大麗輪枝菌、疫霉和山藥腐皮鐮刀菌的拮抗過程［16，18］；Bacillo?mycin D是解淀粉芽孢桿菌抑制病原菌禾谷鐮刀菌和尖孢鐮刀菌的主要脂肽類物質［16，19］。

1.1.2 聚酮類化合物 解淀粉芽孢桿菌產生的聚酮類化合物具有抗細菌活性，能夠抑制植物病原細菌的生長。聚酮化合物是由聚酮合成酶（PKS）催化合成的，PKS是一類復雜的多酶體系，大部分以脂酰為底物，通過重復的脫羧縮合過程產生線性聚酮化合物或環狀的酮內酯，產生過程類似于脂肪酸合酶催化的脂肪酸生物合成的過程［20］。產生的聚酮類化合物有Difficidin、Bacilysin、MacrolactinA和Bacillaene。

Difficidin為一種高度不飽和22元大環多烯內酯，能夠抑制蛋白質的合成和破壞細胞壁結構［21］，李冰［16］研究發現，解淀粉芽孢桿菌SQR9對茄科勞爾氏菌72.8%的拮抗活性是因為Surfactin與Diffici?din的參與。Bacilysin由1個非蛋白胺基酸L-anti?capsin和1個L型丙氨酸縮合形成，Bacilysin的抗菌活性依賴于被肽酶水解而成的anticapsin，干擾細菌肽聚糖和真菌甘露糖蛋白的合成，導致細胞壁裂解和細胞溶解［22］。

Macrolactin是由1個包含3個獨立的二烯結構的24元環內酯構成，其中MacrolactinA最具抑菌活性［23］。Bacillaene是1種22元不飽和的大環多烯內酯磷酸酯，具有線性結構，與若干順式雙鍵結合，并具有1個β-分枝，能夠抑制原核生物蛋白質的合成，具有廣譜抗菌性［24，25］。董月［26］從解淀粉芽孢桿菌的發酵液中分離純化出2種對青枯病菌茄科勞爾氏菌有抑制作用的物質，經過鑒定，確定這兩種物質為MacrolactinA和Bacillaene。

1.1.3 細菌素 解淀粉芽孢桿菌產生的細菌素是通過核糖體合成的一類小分子蛋白類抗菌物質，抗逆性較強，多為環狀結構，能夠在靶細胞膜上形成孔道，造成內容物外泄或各種平衡機制失調，從而發揮其殺菌作用［27、28］。核糖體合成的細菌素可按照是否含有羊毛硫氨酸分為兩類：一種是羊毛硫細菌素，又稱硫醚抗生素，是一類在自身核糖體合成，經翻譯后修飾形成具有羊毛硫氨酸、β-甲基羊毛硫氨酸等特殊氨基酸的環狀多肽［28］，抑菌時不需要特定的膜受體，而是破壞細胞膜的完整性達到抑菌目的［29］。另一種是非羊毛硫氨酸細菌素，殺菌機制是在形成膜孔道之前，與膜交連的受體蛋白產生相互作用，使細胞膜失去穩定性從而產生抑菌作用［30］。Chen等［31］發現與不產生細菌素的無毒菌株相比，浸泡在無毒細菌素懸液中的煙草幼苗根系更能有效地抵御由青枯病菌引起的枯萎病，推測是產生的細菌素抑制病原菌的生長。

1.2 促進植物生長

植物根際是一個非常活躍并且復雜的區域，根系分泌的復雜有機物質可以作為微生物的營養源，供給植物根際促生細菌生長以及發揮其對植物有益的功能。為了在競爭根系分泌物中的營養物質的過程中占據優勢，生防菌首先要在根際穩定存活，而后發揮其益生功能［7］。解淀粉芽孢桿菌作為一種生防菌，能夠在植物根部定殖［32］，通過調控根際微生物群落多樣性，產生赤霉素、吲哚乙酸等物質促進植物生長。

1.2.1 定殖 生防菌的趨化運動性對于根際定殖的起始階段非常重要，生防菌通過感受根系分泌物中特定的信號物質向根表移動，在抵達根際或根表后，通過感受外界環境信號變化調控生物膜相關基因的激活，聚集在一起開始形成生物膜，進而完成根部定殖［33］。劉云鵬［8］研究發現，D-半乳糖對解淀粉芽孢桿菌SQR9具有很強的吸引作用，外源添加D-半乳糖能夠促進SQR9根際定殖，通過對甲基化趨化受體蛋白（MCP）的敲除和進一步的趨化試驗，發現McpA是負責感受D-半乳糖的惟一受體，D-半乳糖不僅能夠吸引SQR9，而且能夠以McpA依賴型的方式促進SQR9生物膜的形成。對玉米幼苗進行的離體研究表明，離主根基部2～8 cm的片段是解淀粉芽孢桿菌FZB42定殖最多的區域，而在萵苣幼苗中，細菌定殖主要發生在原根和根毛上，以及根尖和鄰近的邊緣細胞上，說明解淀粉芽孢桿菌能夠很好地在植物體內定殖［34］。

1.2.2 促進生長 解淀粉芽孢桿菌能夠調控根際微生物群落多樣性，通過產生吲哚乙酸、赤霉素、細胞分裂素等物質促進植物生長。黎妍妍等［9］施用解淀粉芽孢桿菌對煙草根際進行處理，結果發現，在大田中使用解淀粉芽孢桿菌能夠使土壤中的有益微生物（如木霉菌、赤霉菌）比例上升。已有研究表明，較高的子囊菌門和擔子菌門有利于分泌消化酶將土壤中的有機物質（如纖維素、木質素等）分解為小分子，促進土壤C循環［35］。木霉菌（Trichoderma）可直接與根系相互作用，通過產生生物活性物質促進植物生長，進而抵抗生物侵染和非生物脅迫［36］。赤霉菌（Gib?berella）可分泌赤霉素，促進植物生長［37］。李晴晴等［38］在水稻大田種植中施加解淀粉芽孢桿菌菌劑FH-1，分析顯示菌劑FH-1處理土壤中富集的微生物有19個，主要包括綠彎菌門、芽孢桿菌綱、芽孢桿菌目、浮霉菌綱、紅螺菌目、生絲微菌科、紅螺菌科等，因此推測解淀粉芽孢桿菌是通過調控根際微生物群落結構來促進植物生長和發育。

1.3 競爭作用

解淀粉芽孢桿菌能夠分泌嗜鐵素，嗜鐵素通過配基的螯合使環境中的鐵濃度降低，使病原菌缺鐵而不能生長繁殖，進而達到控制植物病害的目的。鐵元素在植物生長過程中發揮重要作用，鐵可以合成多種氧化物酶和過氧化物酶的輔基，同時也是葉綠素和各種細胞色素的主要成分，植物缺鐵易導致失綠癥發生，嚴重時造成植株白化［39］。土壤中可供植物直接利用的鐵元素有限，已有學者證明，在缺鐵條件下，解淀粉芽孢桿菌可以產生嗜鐵素吸附土壤中的Fe3+，通過螯合作用運至植物體內，供給宿主植物的生長所需，甚至可以與植物病原微生物競爭生物體直接可利用的Fe3+，間接促進植物生長，同時抑制病原物對其的侵害［10、40］。

1.4 誘導植物抗性

解淀粉芽孢桿菌產生的拮抗物質可作為激發子誘導植物系統抗性，從而降低土傳病害的發生。誘導系統抗性（Induced Systemic Resistance，ISR）途徑，主要是指非病原物作用于宿主植物后，激活了該植物自身的物理或化學屏障，從而產生系統抗性的過程［41］。研究發現，在解淀粉芽孢桿菌所產生的根系分泌物中檢測到的抗真菌脂肽物質有90%是Surfactin，在定殖7 d后檢測到少量的Iturins和fengycin。此外，在解淀粉芽孢桿菌定殖的植物根附近，未檢測到抗菌聚酮等生物活性化合物［42-44］。因此，推測解淀粉芽孢桿菌可能是激發了ISR，增強了植物對病原的防御能力。劉云鵬［8］在解淀粉芽孢桿菌SQR9基礎上，構建了若干個突變體菌株，分別缺失了Feng?cycin、Surfactin、Bacillomycin D、Bacillaene、Difficidin、Macrolactin、Bacilysin，測試這些突變體在誘導植物抗性中對抗病原菌時的差異，結果顯示，缺失任一物質均導致SQR9對植物的抗性誘導能力顯著降低，由此可見，解淀粉芽孢桿菌所產生的激發子能夠通過不同防御信號途徑協同誘導植物對抗不同植物病原菌的能力，而產生的拮抗物質在該過程中起主要作用。在大豆和番茄中，Surfactin和少量的Fengycin可作為誘導宿主植物免疫的誘導因子，有助于增強大豆和番茄植株對病原微生物的抗性［11］。王雪等［45］研究發現，解淀粉芽孢桿菌FS6菌株能夠在人參植株內定殖傳導，且能在一定程度上誘導人參產生抗病性。

2 解淀粉芽孢桿菌的生防應用

解淀粉芽孢桿菌作為生防菌，在農業上用于處理土壤和種子，防治植物土傳病害，除此之外，解淀粉芽孢桿菌還能與其他的生防菌混合使用，且不受殺蟲劑、殺菌劑的影響。

2.1 土壤處理

解淀粉芽孢桿菌可作為殺菌劑處理土壤，不僅對土傳病害病原菌有較好的抑制作用，還可促進植物生長。目前，國內登記的解淀粉芽孢桿菌殺菌劑劑型較少，主要有以下幾種（表1）。

表1 部分國內登記的解淀粉芽孢桿菌殺菌劑制劑

國內對解淀粉芽孢桿菌的研究報道比較多，但是對于其劑型的研究卻是近幾年開始的，李西會等［46］將解淀粉芽孢桿菌Q426研發成可濕性粉劑，對尖孢鐮刀菌有較好的抑制活性；魏嬌洋等［47］將解淀粉芽孢桿菌X-278研發成片劑，該片劑不僅對棉花黃萎病有較好的防治效果，還可提高棉花產量；張俊祥等［48］將解淀粉芽孢桿菌GB1發酵菌液制成水懸浮劑，發現其有較好的穩定性。實踐證明，在土壤中引進生防菌劑能夠有效地防治作物土傳病害，并且能促進作物的生長。

2.2 種子處理

種子包衣是防治土傳病害的有效手段，目前的種子處理劑多為化學農藥，而微生物的種子處理劑非常少。在國內，尚未發現解淀粉芽孢桿菌種子處理劑的登記，而國外已經取得若干種子處理劑的登記如表2所示［49］。

表2 部分國外登記的解淀粉芽孢桿菌種子處理劑

目前，在國內，已有學者利用解淀粉芽孢桿菌開發成種衣劑的研究，如董麗萍等［50］將解淀粉芽孢桿菌B9601-Y2與吡蟲啉、多菌靈復配在一起，制成丸化種衣劑，用于油菜種子包衣，該種衣劑可以防治蚜蟲和土傳病害。

2.3 與其他生防菌混合使用

將不同的菌株混合使用，不僅能夠通過不同機制抑制病原菌，增加其抑菌廣譜性，同時也可以減少菌株的選擇變異性，提高防治效果。楊定祥［51］將木霉菌菌株與解淀粉芽孢桿菌菌株的固體發酵物混合，發現混合后的發酵物對辣椒疫病有一定的田間防病效果，并對辣椒生長具有較好的促進作用。

3 問題與展望

近年來，解淀粉芽孢桿菌己經成為菌劑研制開發的熱點，該生防菌不僅具有產生抗菌物質、誘導植物系統抗性等特性，還能有效地抑制病原菌的入侵，提高植物的抗性，促進植物的生長。雖然解淀粉芽孢桿菌己經被大量的研究報道，但其在田間的生物防治作用仍存在很多問題，主要表現在：①用解淀粉芽孢桿菌對土壤進行處理時，受土壤溫濕度、酸堿度等外界因素的影響，導致其防病促生效果不穩定。②在使用解淀粉芽孢桿菌防治植物土傳病害時，不同的植物，不同的病害，所使用的劑量也不相同，劑量的過高過低對植物有不同的影響［52］。③對于解淀粉芽孢桿菌防治植物病害，大部分抑菌試驗是在室內進行，與田間試驗的防治效果差異較大。

為了解決這些問題，未來應該在以下幾個方面進行研究：①對解淀粉芽孢桿菌菌株進行改良，提高菌株的生防活性，開發新型的解淀粉芽孢桿菌菌株。②加強解淀粉芽孢桿菌與其他生防菌劑聯合使用的研究，使多種生防菌劑協同增效，增加其抑菌廣譜性，最大化利用土壤中的養分，改變土壤微生物群落結構，從根本上解決土壤障礙問題。③提高解淀粉芽孢桿菌生物農藥的質量，增強解淀粉芽孢桿菌適應環境脅迫的能力，同時加強新型劑型的開發，以減少外界環境對解淀粉芽孢桿菌活性的影響。