解淀粉芽孢桿菌在農業領域的研究與應用

郭玥岐，周麗洪，龔利娟，郭曉藝

(1. 四川輕化工大學生物工程學院，四川 宜賓 644000；2. 四川省農業科學院水稻高粱研究所/農業部西南水稻生物學與遺傳育種重點實驗室，四川 德陽 618000 )

解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)屬于芽孢桿菌屬，其親緣性與枯草芽孢桿菌相近，為革蘭氏陽性細菌，屬兼性厭氧細菌，桿狀，可形成內生芽孢，呈橢圓形，兩端鈍圓，芽孢囊不膨大，中生到次端生，有運動性，菌落在LB培養基上和牛肉膏蛋白胨培養基上呈淡黃色不透明菌落，表面粗糙，有隆起，邊緣不規則，在多種培養基上均不產色素，液體培養靜止時有菌膜形成[1]。該菌是一種作物根際促生菌(plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR)，可以通過多種機制促進植物生長，其拮抗作用和觸發“誘導全身性抗性”(ISR)的能力，使植物能夠在適當刺激下增強自身的防御能力[2-3]，產生多種α-淀粉酶、蛋白酶、β-右旋糖酐酶、α-右旋糖酐酶、木聚糖水解酶等多種酶以及大量的二次代謝產物[4]，通過體內合成途徑產生環狀LP芽孢霉素D、風霉素、聚酮類藥物和芽孢桿菌素、細菌素等抗菌物質[5]。解淀粉芽孢桿菌在各個領域均有較好的應用前景。在農業方面，有多個學者研究表明解淀粉芽孢桿菌能促進作物的生長、抗病能力、非生物脅迫抗性，通過實驗對解淀粉芽孢桿菌的作用進行初探，發現解淀粉芽孢桿菌既可以通過自身表達改善植物外界環境，也可以通過調控植物本身代謝途徑增強其對外界的抗性[6-9]。在醫藥、畜牧領域，解淀粉芽孢桿菌能夠分解菊糖產生抑制癌細胞的活性多糖、降低微生物毒素對動物細胞的毒性、改善動物腸道菌群[10-13]。在礦業領域，解淀粉芽孢桿菌也表現出較好的脫硅提鋁效果[14]。

隨著現代農業技術的發展與應用，化肥和農藥的不合理使用對中國農業的可持續發展帶來了日趨嚴重的問題，如土地生產能力降低、土壤肥力下降、土壤板結、環境污染等問題突出[15]。解淀粉芽孢桿菌對植物、環境的促進作用引起廣泛關注，有望代替化肥、農藥應用于農業生產當中，形成一條綠色、無污染的生產鏈。本文就以解淀粉芽孢桿菌在農業生產上的研究展開闡述。

表1 解淀粉芽孢桿菌在各領域中的功能舉例

1 促進作物生長

隨著現代農業的發展，人們逐漸對作物有生長快、周期短、產量高的追求，因此大量化肥應運而生。然而化肥的不規范使用以及濫用會導致土地生產能力降低、土壤肥力下降、土壤板結、環境污染等問題[10]。解淀粉芽孢桿菌作為一種根際促生菌，能夠為代替化肥，從生物的角度對作物進行增產。解淀粉芽孢桿菌能對地上、地下部位都有一定的促生作用(表2)，例如對茶樹的抽梢有一定促進作用[16]、使煙草和玉米幼苗更粗壯[17]、促進檳榔盆栽苗生長、有利于馬鈴薯、擬南芥、西瓜、茶用菊幼苗的地上、地下部位生長[18-21]。

表2 解淀粉芽孢桿菌在各類作物上的研究情況

解淀粉芽孢桿菌自身合成IAA等生長激素直接促進作物的生長，能夠提高作物體內谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶的含量，促進其對土壤中氮元素的吸收[18]。此外該菌其合成的2，3-丁二醇和乙酰脲揮發到大氣后對周圍作物有促生長的作用，通過Sec途徑合成的植酸酶可以幫助分解植物無法吸收的土壤有機磷，從而促進作物生長發育，還能緩解土壤氨揮發，能夠有效防止空氣污染和提高氮素利用率[22-24]。

2 增強植物抵御病害的能力

作物對病害表現具有特異性，不同的作物對不同的病害抵御能力都大相徑庭。土壤中各種病原菌對作物的侵染是作物患上病害的主要原因，因此要從根本上解決作物的病害，需要解決病原菌的侵染問題。解淀粉芽孢桿菌主要通過自身合成代謝產物的拮抗作用、影響致病菌定殖、調控植物代謝途徑3種方式來防治病害(表3)。解淀粉芽孢桿菌產生的脂肽類化合物、聚酮類化合物、細菌素[25]使其對土壤中的致病菌有拮抗作用，抑制病原菌在土壤中的定殖。多位研究者在解淀粉芽孢桿菌產物中分離到一些抗真菌化合物，對病原菌有較強的抑制作用[26-29]。此外，解淀粉芽孢桿菌可以通過改變致病真菌的菌絲形態或妨礙孢子正常產生，抑制致病真菌的定殖與增殖，從外源方面杜絕致病菌對作物的侵染[30-31]。從內源方面，解淀粉芽孢桿菌可以通過誘導作物的一些抗病基因的表達，調控作物代謝途徑，增強其對病原菌的防御力，并對病原菌的侵染做快速反應[32-34]。

3 提高作物抗非生物脅迫能力

3.1 通過改變作物體內酶活性從而加強作物對非生物脅迫的抗性

3.2 刺激植物代謝物合成，加強抗金屬類脅迫能力

Zhou等[38]研究表明解淀粉芽孢桿菌SAY09的有機揮發物能夠促進在Cd脅迫下植物體內生長素的生物合成，該物質能夠刺激NO合成，并進一步激活了根細胞壁Cd固定增加和Fe攝取相關基因等一系列適應性機制，使植物的葉綠體呈現更多的正常顆粒堆積，增強Cd造植物根系中的固定，降低根部到枝條的易位比，最終使植物對Cd抗性增強。張莉[39]發現解淀粉芽孢桿菌QST713可以通過降低低鈣脅迫下黃瓜幼苗的相對電解質滲透率來提升幼苗根以及葉中的鈣元素含量，緩解低鈣脅迫帶來的損害，同時還能夠通過促進幼苗葉綠素合成，提高光合電子傳遞效率和 PSⅡ參與光合的光化學反應效率，從而提高黃瓜幼苗對低鈣脅迫的耐受性。

3.3 調整作物的脅迫激素水平，提升作物的抗脅迫能力

Sheteiwy等[40]將解淀粉芽孢桿菌接種于大豆的種子發育階段并使大豆處于干旱條件下，發現該菌的加入緩解了干旱誘導的可溶性糖、脂類、蛋白質和油脂含量的降低，同時種子中的脅迫激素水平脫落酸(ABA)降低，赤霉素(GA)、反式玉米素核苷(ZR)和吲哚乙酸(IAA)升高，其質膜H+-ATP酶、膜Ca2+-ATP酶、Mg2+-ATP酶的水解活性也增加[40]。以上研究均表明解淀粉芽孢桿菌的加入可以增強植物本身對外界環境的抗壓能力，通過促進植物體內抗脅迫基因的表達從而增強對非生物脅迫的能力。

4 土壤微生態環境得到改善

解淀粉芽孢桿菌不僅可以對土壤的理化、酶活性有所改善，同時還能修復土壤的微生態環境，避免連作帶來的負面影響。胡基華發現解淀粉芽孢桿菌可以使土壤中的脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶數量增加，同時提高細菌和放線菌的數量，降低了真菌的數量[41]。樊祖青[42]將解淀粉芽孢桿菌B1619菌劑施用在煙草作物上，通過宏基因組微生物分類測序發現在在煙株整個生長過程中，無論是細菌還是真菌在目、門水平上均有差異變化，其中鞘氨醇單孢菌屬(降解土壤有毒物質最有效的細菌屬)和赤霉菌屬(促進植物生長的真菌屬)數量明顯增加。Wang等[43]用解淀粉芽孢桿菌FH-1對黃瓜種植土壤進行浸泡，待黃瓜苗播種35d對土壤進行細菌多樣性分析，發現FH對根際細菌多樣性有負面影響，但變形桿菌屬有所增加，酸桿菌屬有所減少。Duan等[44]將解淀粉芽孢桿菌QSB-6作為菌肥施用于土壤中，發現該菌能顯著改變土壤真菌群落結構，減少土壤真菌數量，其中鐮刀菌的豐度顯著降低，通過即時定量PCR測定發現增殖性黃萎病菌、黃萎病菌、尖孢黃萎病菌和茄病菌的豐度明顯下降。曹旭等[45]利用在大豆根部分離到的一株解淀粉芽孢桿菌TF28對黃瓜進行施肥處理，通過ITS測序技術，對棚室連作黃瓜土壤真菌群落組成及結構變化進行分析，發現TF28對棚室連作黃瓜土壤真菌具有調節作用，使子囊菌門、接合菌門和擔子菌門等腐生菌為主要優勢菌類群，抑制對致病真菌鐮刀菌屬、核盤菌屬、頂襄殼屬和腐霉菌屬的繁殖，同時提高毛殼菌屬(具有生物防治作用)豐度。以上研究結果均表明，解淀粉芽孢桿菌在土壤定殖的同時，能夠抑制一些致病菌的繁殖，降低真菌豐度及數量，對一些土壤益生菌有促進作用。

5 展望

使用生物方式代替化學手段將打開農業生產與環境資源相協調的農業新格局。解淀粉芽孢桿菌的促進農作物生長能力、防治作物病害能力、提升作物抗脅迫能力、改善土壤環境能力使其具有成為現代農業綠色產業鏈新技術的優勢。解淀粉芽孢桿菌的培養成本低，解淀粉芽孢桿菌DF-7在蔗糖29.01g/L、蛋白胨24.45g/L、KH2PO46．47g/L的培養基內便能大量生殖[46]。該菌發酵液抗生素活性物質含量豐富且性質穩定，在最適條件下，解淀粉芽孢桿菌HRH317產生的抗菌肽含量為(50.53±0.37)μg/mL，其抑菌圈直徑達15.97mm[47]。解淀粉芽孢桿菌DF-7發酵液在40～60℃、pH在4～8之間，在紫外照射90min以及-80℃的低溫條件下均能保持一定的穩定性[46]。此外，解淀粉芽孢桿菌F11的發酵液經1000倍稀釋后對樟樹炭疽病菌防治效果可達100%，稀釋10倍之后對煙草黑脛病菌、核盤病菌、玉米大斑病菌、獼猴桃軟腐病菌4種病原菌均有一定防治效果[48]。說明解淀粉芽孢桿菌的代謝產物在較低的濃度下也能發揮作用。可利用以上特性對該菌發酵液進行產物提取，可為解決農業問題提供一條新的途徑，工業上也可以對其進行大批量生產，具有一定的經濟效益。發產物酵較穩定的特點使其具有成為生防菌劑的優勢，，無論是其發酵液還是菌體本身均具有一定的經濟價值。

利用解淀粉芽孢桿菌采用微生物處理的方式應用在農業上能夠有效緩解化學手段帶來的土壤營養失衡、病蟲害的自然選擇、農產品質量下降等一系列問題。未來有望通過生物的形式替代化學手段，從而從根本上解決農作物的問題，保護自然生態、提升經濟效益，形成一條綠色無污染的生產鏈。