冰核細菌研究進展分析及防控策略研究

趙晨心， 陶光耀

(貴州農業職業學院， 貴陽 551400)

1 冰核細菌研究意義

貴州省位于云貴高原東側，因其地理位置的特殊性，容易發生氣象災害，對農業生產造成巨大影響[1]。尤其是因低溫引發的霜凍災害。譬如2005年在銅仁萬山發生的低溫災害，凝凍使得農作物嚴重減產；習水、遵義縣、水城縣因其氣候特點被劃分為重級凝凍區[2]。因此，本文對于冰核細菌的探究能更好地指導生產，為減少凝凍災害的發生提供一定的參考。

當自然界中的水結冰時，冰核細菌為其形成更多冰晶提供模板。它的存在可以在較高溫度下誘發水凍結成冰，加重農作物和植物凍害。

2 國內冰核細菌研究概況

2.1 冰核概述

水的常見存在形式有三種(液態、固態、氣態)。在溫度下降到0 ℃的情況下，小體積純水仍然能維持液態，不會立刻結冰[1]這個純水所具備的能力叫做過冷力(president)。將液態水變成固態水的物質叫冰核，它們的存在會誘發植物體細胞間隙的水結冰，從而使霜凍更嚴重。冰核在自然界中種類有兩種：同質冰核和異質冰核，它們不同之處在于同質冰核由水分子構成的，而非水分子構成異質冰核。在合適的溫度下，同質冰核和異質冰核兩者都能使水分子以它們為模板聚集結冰。

2.2 冰核細菌

氣象學家瓦伊爾、vail和施恩(Schnen)于1972年第一次將冰核菌分離出來，其作用是催化水在低溫-1 ℃到-2 ℃時結冰，冰核活性極高[3]。同年秋天，假單胞屬(Pseudomonas)的冰核細菌也被Fresh R.分離得到[4]。我國從1986年開始進行冰核菌的研究，主要對國內冰核菌的致病機理、原理、關鍵類群等進行了深入的研究。國內專家學者從我國遼寧、山東等地的植物中分離出3個屬17個種的冰核細菌[5]。其中6個種是首次記錄的新種。其中，菠蘿歐文氏菌(Erwiniaananas)和丁香假單胞菌(P.syringae)是我國優勢種。冰核細菌在不同作物上分布的種類不同，分布具體情況見表1，不同地區的季節氣候會影響冰核細菌的存在，冰核細菌在不同地區處于不用季節的分布情況見表2。

表1 冰核細菌在不同種類的作物上分布情況

表2 冰核細菌在不同季節氣候上的分布種類和分布情況

2.3 冰核真菌

1988年科學家首次發現冰核真菌，它是具有冰核活性的地衣真菌，自從冰核細菌在1991年被報道以來，人們對于冰核真菌的研究關注度越來越高。

中國農業科學院重點實驗室于1993年開展對冰核真菌的研究，在1993年到1996年這4年間分離篩選出4株冰核真菌。1997年至1998年間，張敏等[6]，韋建福[9]等從蠶豆中分離出來的冰核細菌，在一定溫度下也有極強的冰核活性，證明冰核真菌對比冰核細菌而言，冰核真菌處于溫度不同的環境、酸堿性不同的環境中以及紫外線的環境中時，其對高溫更穩定、對酸堿適應性更強，并且對紫外線更加不敏感[6]。

3 冰核細菌與霜凍的聯系

霜凍對農作物有凍害作用，能在短時間內損壞大面積的農作物，造成農作物質量變劣，減產等重大損失。在人們的傳統觀念中，大家認為霜凍是由于低溫和植物對低溫的敏感性引起的。但是霜凍的發作機制研究還不完善。從1974年科研人員從植物的葉片中分離到冰核細菌開始，人們對霜凍的研究才有了新的思路，隨著越來越多的研究人員探索冰核細菌的特性，人們對于冰核細菌的了解越發深入，但植物霜凍的發生跟植物表面是否存在冰核細菌有很大的影響。當植物表面有冰核細菌腐生時，植物處于0 ℃至-3 ℃的溫度條件下，其細胞間水會被冰核細菌誘發結冰，從而發生霜凍[7]。冰核菌在自然界分布非常普遍，能誘發水在植物體細胞間凍結，從而導致植物霜凍加重[8]。綜上所述，冰核細菌因為其特性，不僅能誘發植物霜凍的發生，隨著氣溫的降低，冰核細菌還能加重霜凍危害的程度。因此，最重要的是防除冰核細菌。

4 冰核細菌的分子生物學研究

冰核細菌的研究始于1972年，因其與霜凍的發生發展有直接聯系，人們對于冰核細菌的研究已經不能停留在現有的階段，已經朝著分子方向進發。專家學者研究發現單個結構基因決定了冰核細菌的成冰核活性。該基因的存在與否關系到冰核活性的表達是否完整。

5 防霜技術的應用

我國平均每年因為霜凍災害造成的糧食和果蔬損失金額巨大。因此，防御霜凍、減輕凍害程度和減輕凍害面積成為亟待解決的問題。據科研學者研究發現，植物遭受凍害的嚴重程度，是由植物體上的低溫、植物抗凍能力以及冰核細菌的數量這三個因素共同決定[9]，因此要對癥下藥。

5.1 藥劑防治

根據冰核細菌的性質，藥劑防治冰核細菌具有藥效高、見效快的特點，因此，防治冰核細菌造成的凍害可以使用適合的殺菌劑。云南地區的研究人員早在1990～1997年間通過實驗測試篩選出防治效果好的藥劑，最后進行田間防霜實驗，取得了良好的效果。這一系列防霜藥劑也運用到常規防護中[10]。目前，殺菌劑已在玉米(Zeamaysl)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)和西紅柿(LycopersiconesculentumMill)等作物上取得了優異的成績[11]。經多年田間小區試驗，農大防霜劑對草生歐文氏菌(E.herbicola)、丁香假單胞菌(P.syringae)和菠蘿泛菌(P.ananatis)均有明顯的抑菌效果。

5.2 微生物防霜技術

化學試劑雖然能夠高效防除冰核細菌，但操作方法不當，也會造成污染環境和藥害等一系列問題。因此，根據可持續發展的原則，綠色無污染的防治方法無疑成為更適合社會發展形勢的方法。微生物防霜技術的用藥持效期長、對農作物不易產生藥害、對環境無不良影響等優點已經征服國內外學者。國內外的專家學者通過平板稀釋法從植物體上分離提純出多種微生物，并通過平板對峙法篩選拮抗菌。

6 冰核細菌的應用

冰核細菌具有成冰活性高、能誘發水結冰等特點，科學家從中獲得新的靈感，因此，冰核細菌在許多領域被開發利用。

6.1 冰核基因用作報告基因

應用冰核菌成為新的報告基因，它通過冰核菌可以誘發水結冰性質的冰核活性。主要調控細菌、植物基因某些特性的表達。

6.2 高敏檢測

冰核細菌具有快速誘發細胞間隙水結冰的特性，根據其反應迅速的特性，將冰核細菌運用到食品檢測中有重要的價值。例如，在食品中利用冰核基因對沙門氏菌進行快速檢測，在待測食品中加入沙門氏菌特異性噬菌體中注入冰核基因，檢測其冰核活性，如果有冰核活性，則說明食品中存在沙門氏菌。

6.3 食品冷凍

根據冰核細菌能在0 ℃以下的溫度下增快水結冰速率的特點，可將冰核細菌應用于食品冷凍中，冰核細菌的存在能催化細胞間隙的冰晶迅速增長，使得食品在0 ℃以下能快速進入冷凍狀態，能夠更好的保鮮。譬如冰核細菌在基圍蝦低溫貯藏保鮮中起到重要作用[12]。在食品冷凍濃縮和冷凍干燥中也應用了冰核細菌[13]。

6.4 人工降雪

根據冰核菌的特性，科研人員制作了人工增雪催化劑，而碘化銀是傳統人工增雪消霧催化劑中使用頻率最高的一種。但是碘化銀容易污染水體，并且易燃，將冰核蛋白應用于人工降雨、降雪中能夠減輕資源損耗，對環境無污染、無公害。

6.5 促凍殺蟲

冰核細菌可利用其冰核活性使昆蟲體內的水結冰，可破壞昆蟲的細胞組織，使昆蟲死亡。張新建等[14]所構建的基因工程菌，能夠在昆蟲體內大量繁殖，使蟲體結冰，最終凍死昆蟲，并且跟傳統殺蟲劑方法相比，該種防治方法具有見效快，無污染，安全性高等優勢。

7 研究目的與意義

霜凍因其破壞大、傳播快等特點聞名于世。農作物會因此遭受低溫凍害，導致農作物產量變少，并造成嚴重的經濟損失。而冰核細菌的存在會促進植物體細胞間隙水分子聚體結冰，使得霜凍危害發病急、危害重。為了盡可能地降低霜凍造成的危害，就要從根本上解決問題，降低冰核細菌的數量或者抑制冰核細菌的活性已經成為重要的研究課題。貴州氣候的復雜性和年均冬季氣溫的多變性也給冰核細菌的分離提供新的挑戰，根據筆者收集到的資料證明冰核細菌的存在受到氣溫的影響，如果冬季溫度升高，則不會發生霜凍，收集冰核細菌將變得困難。特別是在做田間防霜實驗時，田間溫度的多變性和田間環境的復雜性會陰影拮抗菌的防治效果。因此，筆者建議在做防霜實驗時，需在實驗室建立完備的實驗設備，才能提高篩選拮抗菌的效率，從而篩選出防控效果好的拮抗菌，為大田防霜實驗提供后續支撐，以期更好地指導實踐生產，取得良好的經濟效益。