芽孢桿菌在植物細(xì)菌病防治中的應(yīng)用

蒲林瀚 曲彥達(dá) 劉文鈺

（沈陽工學(xué)院生命工程學(xué)院 遼寧撫順 113122）

1 芽孢桿菌相關(guān)概述

芽孢桿菌是一種具有兼性厭氧特性的革蘭氏陽性菌，它可以產(chǎn)生能夠抵御高溫、干燥、電磁輻射、紫外線和一系列有害化學(xué)物質(zhì)的粒子。芽孢桿菌是重要的資源微生物之一，與人類活動息息相關(guān)。芽孢桿菌在土壤、植物、動物的腸道、空氣和水環(huán)境中很常見，很容易從土壤和植物中分離出來，具有抗逆能力強、所需營養(yǎng)簡單、繁殖迅速、穩(wěn)定等生物特性。常見的有枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌，此外還有短小芽孢桿菌和蠟狀芽孢桿菌以及巨大芽孢桿菌等。在工業(yè)中可以用作生產(chǎn)酶、抗生素，能夠促進(jìn)植物生長，在植物蟲害防治中被廣泛應(yīng)用。

芽孢桿菌具有培養(yǎng)周期短、培育速度快、代謝產(chǎn)物復(fù)雜多樣、與病原菌相互作用方式多、便于進(jìn)行人工培養(yǎng)等特點，因而日漸成為生防菌的優(yōu)勢菌源。但并不是所有芽孢桿菌都是對人類有利的，某些芽孢桿菌能污染乳制品等食品，導(dǎo)致食品安全問題出現(xiàn)。芽孢桿菌在生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，在科學(xué)研究領(lǐng)域中的貢獻(xiàn)價值不可估量。隨著2007年解淀粉芽孢桿菌FZB42全基因組測序的公布，使其產(chǎn)生抗菌物質(zhì)的相關(guān)研究逐步地深入，并成為近些年來的研究和應(yīng)用熱點。并在2010年的實驗室研究中證實了解淀粉芽孢桿菌B12發(fā)酵液對黃曲霉的孢子萌發(fā)和菌絲的生長有明顯的抑制作用[1]。芽孢桿菌屬是用于病原體和害蟲生物控制的最廣泛的微生物群之一，其會產(chǎn)生各種各樣的代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物可以抑制細(xì)菌、真菌、昆蟲、線蟲和病毒等生物的生長和功能。芽孢桿菌屬物種的基因組中充斥著涉及次生代謝產(chǎn)物生物合成的機(jī)械代碼，這些機(jī)械代碼顯示出抗菌特性。它還可通過產(chǎn)生抗菌化合物、酶或毒素來直接抑制害蟲和病原體的生長，而間接地，植物免疫反應(yīng)可能是由特定的細(xì)菌引發(fā)劑觸發(fā)的。由芽孢桿菌產(chǎn)生的抗菌化合物和毒素由于其可能的商業(yè)開發(fā)前景而顯得特別重要。

2 芽孢桿菌的作用機(jī)制

芽孢桿菌屬植物促進(jìn)植物生長的各種直接和間接機(jī)制包括固氮、磷和其他養(yǎng)分的增溶和礦化，植物激素的產(chǎn)生，鐵載體、抗微生物化合物和水解酶的產(chǎn)生等。芽孢桿菌這種細(xì)菌可以被認(rèn)為是植物和環(huán)境的主導(dǎo)群體，所以許多優(yōu)良菌株表現(xiàn)出能夠?qū)Χ喾N植物病原菌起到拮抗作用。抗菌的機(jī)制主要表現(xiàn)在競爭、細(xì)菌溶解、抗病等方面，還有最主要的相互拮抗作用。抗生素芽孢桿菌具有良好的抗生素效果，通常是由一系列的矛盾因素或抗生素機(jī)制引起的。

2.1 拮抗作用

拮抗意味著由一種微生物產(chǎn)生的物質(zhì)可以抑制或殺死另一種微生物，芽孢桿菌抑制病原菌的主要途徑就是通過拮抗作用。微生物拮抗劑在代謝活動中直接起到抑制病原體的作用。拮抗劑是保護(hù)物質(zhì)的基礎(chǔ)，對病原微生物均可表現(xiàn)出拮抗作用，包括拮抗蛋白方面和抗生素方面。芽孢桿菌在生長和代謝過程中釋放一些活性酶或蛋白質(zhì)，抑制植物病原素，使植物具有良好的繁殖效果。芽孢桿菌所產(chǎn)生的酶類主要包括溶菌酶、氨基酸轉(zhuǎn)移酶、酰胺酶和纖溶酶以及氧化酶[2]。不同的抗菌素結(jié)構(gòu)不同，不同的抗菌素機(jī)制也不同，一些抗菌素釋放出一系列相同的抗菌素結(jié)構(gòu)，說明抗菌素協(xié)同作用是存在于應(yīng)用的。

2.2 促生作用

有些芽孢桿菌是促進(jìn)植物生長的細(xì)菌，可以通過合成多種不同的促生長激素來促進(jìn)植物的生長。生長素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、乙烯（ET）和脫落酸是植物生長促生菌在土壤中產(chǎn)生的植物激素。在不同種類的芽孢桿菌中都有促生長激素的產(chǎn)生，芽孢桿菌作為植物生長促生菌在許多不同的田間和園藝作物中的應(yīng)用已有報道。兩株多功能菌株Bacillus sp.和B.cereus具有溶解磷、鉀和鋅的能力以及對稻瘟病菌和鐮刀菌有抑制活性的能力，在basmati水稻品種中表現(xiàn)出增產(chǎn)[3]。在田間條件下，研究巨大芽孢桿菌和安全雙歧桿菌對小麥根冠干重和種子重等生長參數(shù)的影響[4]。來自德國的B.velezensis FZB42，一種商業(yè)微生物效應(yīng)劑，當(dāng)接種在玉米植株上并施用堆肥時，明顯影響生長和養(yǎng)分吸收。光合活性的增強還表現(xiàn)在接種植物葉片中γ-氨基丁酸代謝物、葡萄糖、果糖和丙氨酸的增加。磷增溶劑B.megaterium mj1212能促進(jìn)芥菜的生長，提高葉片中葉綠素、蔗糖、葡萄糖、果糖和氨基酸的含量，提升芥菜的光合活性[5]。從蘋果根際土壤中分離到的循環(huán)芽孢桿菌CB7具有多方面的植物促生長特性，如磷的增溶，生長素、ACC脫氨酶和鐵載體的產(chǎn)生等，對溫室條件下番茄植株的生長有積極的影響。枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）能影響洋蔥的生長和產(chǎn)量。在馬鈴薯、棉花、小麥、番茄、草莓和萵苣等多種作物的生長過程中，植物生長促進(jìn)模型芽孢桿菌FZB42和生防芽孢桿菌已被證明具有促進(jìn)生長和抑制病害的作用[6]。

2.3 競爭作用

競爭是芽孢桿菌對抗其他有害微生物的關(guān)鍵機(jī)制，它可以通過快速生長和繁殖從而奪取水、汲取營養(yǎng)、占有適合生長的空間，還可以利用代謝作用消耗氧分等剝奪甚至全部占有同一生物環(huán)境中的某些致病菌。對營養(yǎng)的剝奪和對空間位置的占據(jù)體現(xiàn)了芽孢桿菌的競爭作用，以及空間競爭的位置，其主要活動在植物根際、植物體內(nèi)和土壤中。

2.4 誘導(dǎo)抗性作用

產(chǎn)生抗藥性是抗菌的一個重要方面。芽孢桿菌不僅直接抑制細(xì)菌，而且通過激發(fā)植物的抗病潛力來增強植物的抗病能力。事實證明，有益微生物可以誘導(dǎo)植物免疫系統(tǒng)的激活，從而暫時賦予植物對病原體和昆蟲的抗性。誘導(dǎo)抗性一般在誘導(dǎo)部位表達(dá)，但在植物其他部位也有表達(dá)，被視為系統(tǒng)抗性。一般而言，誘導(dǎo)抗性可提高對抗廣泛生物入侵的防護(hù)水平。與先前接觸病原體或害蟲而引發(fā)的系統(tǒng)獲得性的抗性不同，微生物介導(dǎo)的系統(tǒng)抗性通常通過茉莉酸（JA）和ET進(jìn)行協(xié)調(diào)。

2.5 生物膜作用

生物防治領(lǐng)域中的最新研究已考慮將根部定植和生物膜形成作為激發(fā)生物防治活性的機(jī)制之一。已知宿主植物的根系分泌物和脂肽（如細(xì)菌霉素和表面活性素）會在不同的細(xì)菌中誘導(dǎo)生物膜的形成。越來越多的研究結(jié)果表明，在根際和根際平面中生物膜的形成可用于病原體的生物防治，因此有必要開展更多的研究。

2.6 溶菌作用

由于其代謝的多樣性，芽孢桿菌屬眾所周知能夠產(chǎn)生許多水解酶。在這些酶中，幾丁質(zhì)酶、β-1，3-葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、脂肪酶和蛋白酶具有特殊的重要性，因為它們能夠降解真菌細(xì)胞壁的成分，如幾丁質(zhì)、β-葡聚糖和蛋白質(zhì)。已知枯草芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、短小芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌等多種芽孢桿菌可產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶[7]。短小雙歧桿菌SG2分泌的高效幾丁質(zhì)酶對禾谷鐮刀菌、立枯病絲核菌、稻瘟病菌、灰霉病菌等具有抑制作用[8]。已證明，蛋白酶和葡聚糖酶的作用可破壞細(xì)胞壁，貝萊斯芽孢桿菌HYEB5-6可控制炭疽菌。同樣，由芽孢桿菌產(chǎn)生的蛋白酶和β-1，3-葡聚糖酶也被認(rèn)為是控制油菜菌核病引起莖腐的手段之一[9]。岡薩雷斯·龐塞等人[10]的研究顯示，與天然HD-73菌株相比，融合幾丁質(zhì)酶和Cry1Ac的蘇云金芽孢桿菌HD-73對節(jié)食夜蛾具有更高的毒性。

3 芽孢桿菌的生防應(yīng)用

現(xiàn)在已經(jīng)有很多優(yōu)良的芽孢桿菌被篩選出來，它們的菌株在生產(chǎn)過程中和實踐中獲得了應(yīng)用，由于很多芽孢桿菌可以抗多種植物疾病、對人類和寵物無害、不污染環(huán)境，因此成為植物生長和提高免疫不二選擇。同時，由于符合消費者和產(chǎn)品的安全需求，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合治理和防治疾病中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，所以很多方面即將或者已經(jīng)成為投入生產(chǎn)的商品制劑。

4 總結(jié)與展望

芽孢桿菌是大多數(shù)土壤中主要的可培養(yǎng)土壤細(xì)菌之一，其以可以發(fā)揮多種植物有益作用而聞名。由于具有遺傳和代謝的多樣性，芽孢桿菌能夠很好地適應(yīng)各種環(huán)境條件。其具有廣泛的環(huán)境適應(yīng)性和多種有益性狀，是生物肥料或生防菌的理想選擇。芽孢桿菌和其他土壤微生物之間的相互作用也得到了很好的研究，并在一定程度上得到了商業(yè)開發(fā)。盡管芽孢桿菌作為植物生長促進(jìn)劑的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他細(xì)菌，但它們在作物和地理區(qū)域的適用性卻非常有限，有必要將重點放在芽孢桿菌的田間應(yīng)用上。芽孢桿菌具有多種功能特性，菌株可應(yīng)用于多種作物上，并且可以適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)氣候條件，在農(nóng)業(yè)生物技術(shù)中具有巨大的應(yīng)用潛力，接下來研究人員需要通過更加集中的研究和田間條件下作物生產(chǎn)力的測試來擴(kuò)大芽孢桿菌的實用領(lǐng)域。