植物根際促生菌防治黃瓜枯萎病的研究進展

楊 倩，薛 璐，郭 慧，付瑞珂，張 濤，申順善，杜南山，樸鳳植

（1.河南農業大學園藝學院 鄭州 450002；2.河南農業大學植物保護學院 鄭州 450002）

黃瓜（L.）是一種典型的全球性重要蔬菜和經濟作物。據FAO數據顯示，2020年全球黃瓜種植面積高達225萬hm，產量為9035萬t，而我國黃瓜種植面積和產量均居世界首位，分別為127萬hm和7336萬t，約占世界總產量的81.2%，在我國“菜籃子”工程建設中占有重要地位。然而，近年來隨著種植年限的增加，我國黃瓜栽培生產中枯萎病日趨嚴重，可導致黃瓜減產10%～20%，嚴重時甚至導致絕產絕收。黃瓜枯萎病是由尖孢鐮刀菌黃瓜專化型f.sp.J.H.Owen（FOC）引起的一種真菌性土壤傳播病害，病原菌直接侵入黃瓜植株的根頸部并寄生于維管束內，阻礙植株對水分和養分的吸收，最終引起植株萎蔫枯黃。目前，黃瓜抗枯萎病品種較少，傳統的化學農藥、土壤熏蒸等方法容易造成環境污染、病原菌抗藥性增加、產品安全性下降等問題，嫁接換根、輪作等防治措施效果較好，但操作繁瑣，工作量大，而且成本較高。因此，尋找使用方便且環境友好型的生物防治方法，對我國農業的安全可持續發展有重要意義。

植物根際促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）是指生活在宿主植物根際或定殖于根系表面，對植物生長具有促進作用的有益菌的統稱。PGPR不僅可以促進作物的生長并提高產量，還能抑制病原菌生長和誘導植物產生抗性等抵御病原體侵害。由于PGPR具有促生能力和較強的適應能力，能夠抵御外界不利條件，在植物病害防治中起著重要作用。筆者對PGPR促進植物生長、提高抗逆性的生理機制和防治黃瓜枯萎病的研究進展進行了綜述。

1 植物根際促生菌的作用機制

PGPR可通過生物固氮、溶磷和解鉀等作用提高寄主植物對土壤氮、磷、鉀等礦質元素的吸收和利用，或者通過調節植物激素水平來直接促進植物生長，以及通過產生抗生素、分泌嗜鐵素、與病原菌競爭和誘導植物產生系統抗性（Inducedsistiemicresistance，ISR）等作用來防治植物病害和提高植物的抗逆性。

1.1 促進植物根際營養吸收

在植物生長中，氮、磷、鉀等營養元素是限制植物生長和產量的主要因素。土壤中雖含有大量的營養元素，但其可利用率低，不易被植物體吸收利用。而PGPR菌株可通過固氮、溶磷、解鉀等方式提高土壤中營養元素的可利用率，促進宿主植物對營養元素的吸收利用，從而促進植物的生長。Han等研究發現，接種束村氏菌屬（sp.）P9和伯克霍爾德氏菌屬（sp.）P10后，根際土壤中固氮菌和溶磷菌數量明顯增多，堿解氮及速效鉀含量顯著提高，促進了寄主植物的生長。Esitken等研究發現，接種假單胞菌（sp.）BA-8、芽孢桿菌（sp.）OSU-142和芽孢桿菌（sp.）M-3能明顯提高草莓產量，且接種后草莓葉片中磷、鋅等營養元素含量顯著增加。Kang等研究發現，接種類球紅細菌（）能夠顯著提高黃瓜葉片中鈣、鉀、鎂和磷酸鹽含量，促進黃瓜植株的生長。

1.2 產生植物激素

植物激素對植物生長發育有著重要作用，而研究表明多種PGPR具有分泌生長素（IAA）、細胞分裂素（CTK）、赤霉素（GA）等植物激素的能力。Cassán等研究表明，固氮螺菌（sp.）能夠分泌IAA、GAs、CTKs、ABA等調控寄主植物的生長發育。李建宏等研究發現，蕈狀芽孢桿菌（）Gnyt1能分泌IAA、GA及玉米素等多種激素，顯著促進青稞的生長。此外，研究還發現假單胞菌（sp.）、蠟樣芽孢桿菌（）、枯草芽孢桿菌（）等可通過產生CTK調節植物葉片氣孔的開閉，提高植物逆境下的光合效率，促進新葉重生、延緩宿主植物的衰老。另外，一些PGPR自身不產生植物激素，但能夠通過產生1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）脫氨酶，影響寄主植物乙烯的合成水平，從而增強寄主植物的抗逆性。例如，多粘類芽孢桿菌（）ANR-ACC3、惡臭假單胞菌（）UW4及鏈霉菌（sp.）PGPA39等能夠產生ACC脫氨酶進而降低寄主植物中的乙烯合成水平，從而增加植物在逆境條件下的耐受能力，促進植物生長。

1.3 提高植物抗病性

1.3.1 與病原菌的競爭 PGPR可通過競爭作用及形成生物膜與病原菌爭奪營養和生存空間，抑制病原菌生長進而降低病害發生概率。Chen等研究表明，枯草芽孢桿菌生物膜形成能力和表面活性素的產生能力是防治番茄青枯病的重要機制。Shi等研究指出，多粘類芽孢桿菌（）NSY50能夠通過改變根際微生物群落結構和組成，激活有益菌群，減少枯萎病病原菌尖孢鐮刀菌的豐富度，進而有效控制黃瓜枯萎病的發生。此外，多項研究表明，熒光假單胞菌（）分泌嗜鐵素，與病原菌競爭土壤中可利用的鐵元素，抑制病原菌孢子的萌發，進而降低植物發病率。還有研究指出，利用尖孢鐮刀菌的非致病菌與致病菌進行營養與侵染位點的競爭，也能達到較好的防治病害效果。

1.3.2 分泌拮抗物質 一些PGPR能夠釋放特異或非特異性的代謝物，抑制病原菌的正常生長或殺滅病原菌。研究表明，PGPR諸如哈茨木霉菌、假單胞菌和多粘類芽孢桿菌等，可以分泌幾丁質酶、纖維素酶、葡聚糖酶和蛋白酶等水解酶或胞外酶，破壞尖孢鐮刀菌（）、辣椒疫霉菌（）、甜瓜蔓枯病菌（）等病原菌的細胞壁，從而提高植物抗病性，達到防治植物病害的目的。婁海博等研究發現，熒光假單胞菌（）SN15-2能產生2，4-二乙酰基間苯三酚（2，4-DAPG）、硝吡咯菌素（Pyrrolnitrin）、藤黃綠膿菌素（Pyoluteorin）等抗生素來抑制番茄青枯病的發生。此外，一些PGPR如多粘類芽孢桿菌WR-2，埃吉類芽孢桿菌（）HOA73還能產生諸如2，3-二羥基苯甲酸甲酯、苯甲醛、十六烷醛等揮發性有機化合物，對尖孢鐮刀菌、灰葡萄孢菌、辣椒疫霉菌等病原菌均有較強的抑制作用。

1.3.3 誘導系統抗性 一些PGPR還能夠誘導植物產生系統抗性（induced systemic resistance，ISR）。Cecchini等研究表明，熒光假單胞菌（）WCS417r能夠誘導擬南芥對丁香假單胞菌（pv.）、寄生霜霉菌（）及灰霉病菌（）等多種病原菌產生系統抗性，具有廣譜抗性。Ferraz等研究發現，鏈霉菌（）UFV618、蠟樣芽胞桿菌（）UFV592和黏質沙雷氏菌（）UFV252均能增強番茄過氧化物酶、多酚氧化酶、葡聚糖酶、幾丁質酶、苯丙氨酸解氨酶和脂肪加氧酶活性，誘導番茄植株抵抗番茄枯萎病。另外，還有研究發現假單胞菌（sp.）CH267和雙色蠟蘑（）甚至能夠誘導植物對食草昆蟲的系統抗性。

2 PGPR防治黃瓜枯萎病機制及效果

PGPR具有安全、高效、對環境無污染等優點，是防治黃瓜枯萎病的有效方法之一。然而，不同PGPR與不同植物復雜的互作模式，以及不同PGPR易受到環境因素影響造成防效減弱等問題，制約了生防技術和產品在農業生產中的推廣與應用。因此，及時總結不同PGPR防治黃瓜枯萎病的防病效果和作用機制，對進一步研發用于黃瓜栽培生產的PGPR產品具有重要意義。以下從細菌、真菌以及放線菌展開，總結歸納其對應PGPR的作用機制（表1）。

表1 PGPR防治黃瓜枯萎病的作用機制

2.1 細菌

2.1.1 假單胞桿菌屬 假單胞桿菌（sp.）能產生苯吡啶、氫氰酸、硝吡咯菌素及脂肽等多種抗生物質，對真菌、細菌、原生動物和線蟲等具有拮抗作用。研究表明，通過黃瓜間作、施肥等措施，改變根際細菌群落組成。其中，根系假單胞桿菌（）數量的增多有利于抵御黃瓜枯萎病。Islam等從植物根際分離出的銅綠假單胞桿菌（）BA5可以通過溶磷、固氮、產生有機酸和形成生物膜的方式來促進黃瓜生長，通過產生嗜鐵素、釋放揮發性物質，對FOC菌絲抑制率達58.33%，能有效防治黃瓜枯萎病。El-Sharkawy等將熒光假單胞桿菌（）接種于黃瓜植株，發現該菌能夠提高過氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）等防御酶活性，對FOC菌絲抑制率達87.04%，降低了黃瓜植株枯萎病發病率。Alizadeh等研究發現，熒光假單胞桿菌能誘導植物產生系統抗性，防治黃瓜枯萎病。此外，在黃瓜枯萎病侵害下，植株接種假單胞桿菌（）18/1K 4周后，黃瓜產量提高了41.8%，顯著降低了枯萎病帶來的損失。

2.1.2 芽孢桿菌屬 芽孢桿菌（sp.）可以產生耐高溫、輻射、高酸堿等抗逆性極強的內生芽胞，在土壤中能夠良好地定殖，且具有防病增產的作用。因此，篩選具有高拮抗活性的芽孢桿菌備受人們的重視。目前，已經分離出解淀粉芽孢桿菌（）、巨大芽孢桿菌（）、枯草芽孢桿菌（）等多種能有效拮抗黃瓜枯萎病的菌株。Cao等研究發現，枯草芽孢桿菌（）SQR9能產生枯草菌素（Subtilin）、表面活性素（Surfactin）等多種抗真菌化合物，可抑制黃瓜枯萎病。Jia等研究發現，枯草芽孢桿菌（）B006通過產生脂肽類代謝物質和誘導系統抗性防治黃瓜枯萎病，對黃瓜枯萎病抑制率達42.9%。Han等研究發現，解淀粉芽孢桿菌（）B1408通過增加有益菌群數量來改變土壤微生物群落，減少病原菌在黃瓜根際定殖數量，降低黃瓜枯萎病的發生率，從而促進黃瓜生長。近年來，用于防治黃瓜枯萎病的芽孢桿菌大多分離于土壤或植株根際。而陳香等從海洋中分離出海洋源蠟樣芽孢桿菌（）Y3F，能分泌抑制病原菌生長的活性物質，提高黃瓜植株生物量，顯著降低黃瓜根際土壤真菌和尖孢鐮刀菌數量，增加根際土壤細菌和放線菌數量。

2.1.3 類芽孢桿菌 類芽孢桿菌（sp.）可以產生多種抗菌物質，包括抗真菌的多肽類、具有拮抗作用的蛋白類和核苷類物質等，對黃萎病、軟腐病、枯萎病等多種植物病害有很好的防治效果，是一種重要的植物根際促生菌。Du等研究發現，接種多粘類芽孢桿菌（）NSY50能通過改善黃瓜根系中防御相關蛋白的代謝，緩解枯萎病引起的植株損傷。Zhai等研究發現，多粘類芽孢桿菌（）HX-140能產生蛋白酶、纖維素酶、β-1，3-葡聚糖酶和抗真菌揮發性化合物，有效降低黃瓜幼苗的枯萎病發病率達50.9%。Li和Chen發現了首個既能產生鐮孢菌素（fusaricidin）又能固氮的多粘類芽孢桿菌（）WLY78，其產生的鐮孢菌素（fusaricidin）可通過水楊酸信號誘導黃瓜對枯萎病的系統抗性，對黃瓜枯萎病菌有較強的抑制作用。此外，張曉琳等研究發現，將多粘類芽孢桿菌（）NSY4作為生防菌基質接種于黃瓜植株，能顯著促進黃瓜生長，提高根際酶活性，并顯著增加了根際基質中細菌、放線菌數量，減少了真菌、尖孢鐮刀菌數量，對黃瓜枯萎病的防治效果達到25.00%～62.50%。

2.2 真菌

2.2.1 木霉菌 木霉（）是重要的土壤習居菌。木霉菌對病原菌具有拮抗、重寄生和競爭等作用，具有安全、持久、有效等特點，是比較理想的生防真菌。木霉對黃瓜枯萎病的抑制作用顯著，已經被廣泛應用于黃瓜枯萎病的防治。近年來，隨著對木霉菌防治黃瓜枯萎病研究的深入，它的作用機制也逐漸被挖掘。在利用棘孢木霉（）525、哈茨木霉（）610和擬康氏木霉（）886防治黃瓜枯萎病的研究中發現，3種木霉菌通過促進黃瓜幼苗生長、增強植物抗氧化酶活性、降低質膜透性和丙二醛含量，從而提高了對黃瓜枯萎病的抗性。Wu等鑒定了一種新型棘孢木霉（）GDFS1009，它分泌幾丁質酶、葡聚糖酶和蛋白酶及多種抗菌次生代謝物質防治黃瓜枯萎病。Chen等研究發現，哈茨木霉（）TH58通過增強抗氧化能力，降低黃瓜枯萎病菌侵染后根系活性氧和活性氮的積累，調控AsA-GSH和OPP途徑防治黃瓜枯萎病，進一步完善了木霉對黃瓜尖孢鐮刀菌的防御機制。Kareem等研究發現，接種長枝木霉（）NGJ167不僅能降低黃瓜枯萎病發病率，還能明顯提高黃瓜單果質量，并在黃瓜中檢測不到長枝木霉的DNA，這對將木霉菌投入到農業生產中有重要意義。還有研究表明，將木霉菌與優質有機肥結合應用，能提高對黃瓜枯萎病防治效果的穩定性和持效期。這為進一步利用木霉菌防治黃瓜枯萎病提供了新思路。

2.2.2 叢枝菌根真菌 叢枝菌根（，AM）真菌可以和包括黃瓜在內約80%的維管束植物的根系形成菌根共生。適宜的菌根共生體組合有利于促進植株生長以及激活寄主防御機制。眾多研究表明，植物根系中叢枝菌根的產生有利于提高植物對土傳病害的抗病性和耐病性。王倡憲等研究發現，接種與兩種AM真菌可減輕苗期黃瓜枯萎病病害，與其能誘導幼苗根系幾丁質酶、β-1，3-葡聚糖酶與PAL酶等防御酶活性有關。Hu等研究發現，叢枝菌根真菌不僅能降低黃瓜枯萎病發病率，還能提高黃瓜產量。利用根際促生細菌或褪黑素等外源物質與叢枝菌根真菌聯合施用，能促進叢枝菌根真菌在根系的定殖，提高對黃瓜枯萎病的防治效率。不過目前利用叢枝菌根真菌防治黃瓜枯萎病研究較少，要將叢枝菌根真菌應用到生產中還需分離出更高效的菌株。

2.2.3 其他真菌 目前，已報道的防治黃瓜枯萎病的生防真菌還有酵母菌、非致病鐮刀菌、青霉菌等。Luo等在雅浦海溝分離出一株籃狀菌（）DYM25，對黃瓜枯萎病的防治效果達52.9%，這可能與其產生的具有抗菌作用的生物堿有關。張俊杰等從葡萄果表皮分離出1株對黃瓜枯萎病菌有較強拮抗作用的酵母菌1-101，其產生的揮發性物質對病原菌的抑菌率高達52%。李舒展研究發現，青霉菌NSY15能通過促進黃瓜幼苗養分吸收，提高其抗氧化酶活性防治黃瓜枯萎病，防病指數達52.39%。Huang等研究發現，污泥和有機堆肥能防治黃瓜枯萎病是因為含有非致病性尖孢鐮刀菌。目前，還無法通過菌株形態特征將致病性尖孢鐮刀菌與具有生物防治潛力的非致病性尖孢鐮刀菌分離。Wang等利用修飾后的引物FIGS11/NPIGS-R，分離鑒定出尖孢鐮刀菌的非致病菌以有效防治黃瓜枯萎病。Abro等分離出青霉菌（sp.）、肉座菌（sp.）、脈胞菌（sp.）等多株內生真菌，對黃瓜枯萎病菌菌落均有較強的抑制作用，在溫室實驗中共接種多株內生真菌，能有效防治黃瓜枯萎病。

2.3 放線菌

放線菌能合成多種抗生素及分泌蛋白酶、淀粉酶、幾丁質酶等多種水解酶，在防御植物病害中有重要的作用。目前，已分離出龜裂鏈霉菌（）、肉桂栗色鏈霉菌（）等多種放線菌用于防治黃瓜枯萎病。梁銀等研究發現，白刺鏈霉菌（）CT205能抑制黃瓜枯萎病病原菌菌絲的生長，對黃瓜枯萎病防治效果為51.85%。圓圓等研究發現，蒼黃鏈霉菌（）S-101能與病原真菌產生拮抗作用，菌株S-101發酵液對黃瓜枯萎病的防治效果達57.11%。Lu等研究發現，放線菌M527發酵液中抗真菌物質龜裂殺菌素能顯著抑制尖孢鐮刀菌孢子萌發，有效防治黃瓜枯萎病。此外，放線菌還能通過提高可溶性糖、可溶性蛋白含量，提高抗氧化酶活性，從而誘導植物產生系統抗性來防治枯萎病。目前，已有報道從海洋、冰川等極端環境中分離出放線菌。王皓等從海洋中分離出鏈霉菌YH91，對黃瓜枯萎病病原菌抑菌效果明顯。而利用放線菌發酵液能進一步提高黃瓜枯萎病防治效率。放線菌HGJ-5通過固態發酵，研制出粉劑和顆粒劑2種劑型的生防劑，2種劑型對病害的防效在50%以上，顯著高于50%多菌靈可濕性粉劑。

3 問題與展望

利用PGPR防治黃瓜枯萎病具有綠色、環保、高效的顯著優勢，近年來已經成為農業持續發展研究的熱點之一。但是目前對于PGPR防治黃瓜枯萎病的研究大多還處于菌株分離與鑒定及其抗病機制的初級研究階段，真正投入大田生產的PGPR還相對較少，并且要將其作為生防菌劑及產品運用到生產實踐中，還存在諸多問題。首先，一些研究者指出，如果PGPR不能在植物根圍成功定殖，所有的防病機制都沒有真正的生防價值。PGPR的定殖能力對其防病效果和促生效果至關重要。然而，大田生產中PGPR的定殖受土壤理化性質、作物類型、氣候條件、栽培管理措施等諸多因素的影響，研究利用有機肥、生物炭等作為PGPR菌肥載體，提高PGPR的穩定性，提高防治效率，顯得尤為重要。其次，隨著越來越多的不同功能的PGPR被挖掘，利用不同PGPR與植物根際微生物群落之間的互作，以增強土壤抑病能力越來越受到重視，研發適應性強的復合PGPR菌劑防治植物病害將是今后研發的熱點。總之，進一步開發和利用PGPR防治蔬菜作物病害將會是蔬菜產業可持續發展的重要課題和有效策略。