木霉菌對作物及土壤生態(tài)環(huán)境的影響

趙欣， 王怡霏， 王嘉嘉， 王佩瑤， 王桂端， 朱利霞， 李俐俐

（周口師范學(xué)院生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)學(xué)院，河南 周口 466001）

土壤為作物生長提供所需的生長條件，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而不合理的施肥和耕作措施會導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞和土壤功能退化，阻礙農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此，如何有效改善退化的土壤、快速恢復(fù)土壤生態(tài)環(huán)境成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題之一。

目前，治理和改良退化土壤的技術(shù)主要有物理改良技術(shù)、化學(xué)改良技術(shù)和微生物改良技術(shù)。物理和化學(xué)改良技術(shù)常導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的喪失和二次污染；微生物改良技術(shù)是將有機肥與促使土壤養(yǎng)分快速釋放的微生物群體混合物施于土壤中，實現(xiàn)改善土壤理化性質(zhì)和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、達到土壤功能修復(fù)的目的，同時可帶來一定的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。在實際工作中，已經(jīng)將該技術(shù)商業(yè)化，制成微生物土壤改良劑、微生物肥等。其中，木霉菌（Trichoderma）廣泛存在于土壤和各種環(huán)境中[2]，是微生物改良技術(shù)中研究和應(yīng)用非常廣泛的一類生防真菌。木霉菌在土壤中有較強的定殖能力，可以有效改善土壤理化環(huán)境、促進土壤有益微生物群落的建立和維持、增加作物抗性，進而促進作物生長并提高作物產(chǎn)量[2-3]。因此，木霉菌在土壤改良中發(fā)揮著重要作用，對促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

基于此，本文系統(tǒng)闡述了木霉菌的生物學(xué)概況，分析了木霉菌在促進作物生長、提高作物產(chǎn)量、改善土壤質(zhì)量和增加土壤肥力等方面的影響，指出了木霉菌在改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成中的貢獻和木霉菌應(yīng)用過程中存在的問題，初步探討了木霉菌未來研究應(yīng)用的方向，可為木霉菌今后的推廣應(yīng)用提供參考。

1 木霉菌概況

木霉菌（Trichoderma）生活史分為無性階段和有性階段，其無性階段屬于半知菌亞門、絲孢綱、絲孢目、叢梗孢科；有性階段為子囊菌亞門、肉座目、肉座科的肉座菌屬[4]。目前普遍認為，木霉屬包括木霉組、肉座組、長枝組和粗梗組，主要包括哈茨木霉、棘孢木霉、長枝木霉、貴州木霉、平展木霉等104 個種。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的日益成熟，大量木霉菌新種被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并鑒定，目前共鑒定出250 多種木霉菌種[5]。木霉菌在生長繁殖過程中可產(chǎn)生大量次級代謝產(chǎn)物，這些次級代謝產(chǎn)物可降解病原菌細胞壁、抑制植物病原菌的生長，從而增加植物抗逆性和抗病性，促進植物生長[6]。研究證實綠色木霉和哈茨木霉對分屬于18 個屬的29 種植物病原真菌均有不同程度的抑制作用[7]。

木霉菌適應(yīng)性極強，在溫暖潮濕的環(huán)境中可快速生長繁殖，溫度20~28 ℃、空氣相對濕度90%以上的環(huán)境更有利于木霉菌生長與產(chǎn)孢。木霉菌可以在酸性、中性和偏堿性的環(huán)境中生長，但偏酸性環(huán)境條件下（pH 5.0~5.5）生長繁殖速度最大。實驗室條件下，木霉菌在馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基中初期菌落較致密，無固定形狀，顏色不一；后期孢子成熟后，菌落逐漸變?yōu)榫G色或黃綠色[8]。目前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的木霉菌有哈茨木霉、綠色木霉、康氏木霉、棘孢木霉、長枝木霉等[6]，其中關(guān)于哈茨木霉和綠色木霉的研究較多，尤其是哈茨木霉。為實現(xiàn)木霉菌的商業(yè)化應(yīng)用，常將木霉菌制成菌劑，目前已有250 余種木霉菌制劑用于商業(yè)化應(yīng)用[9]。木霉菌劑的劑型主要有普通粉劑、可濕性粉劑、水分散粒劑、液體菌劑和有機肥類型。木霉菌劑的有效成分均為分生孢子或分生孢子和菌絲，但普通粉劑中的活性成分較高[8]。無論何種劑型的木霉菌劑均可促進作物生長并改善土壤生態(tài)環(huán)境。

2 木霉菌對植物的促生作用

木霉菌可以促進植物生長，其促生機制主要包括木霉菌產(chǎn)生生長調(diào)節(jié)劑對植物生長的刺激作用、木霉菌代謝產(chǎn)物的抗菌作用以及木霉菌對土壤養(yǎng)分的活化3個方面。

2.1 產(chǎn)生植物生長調(diào)節(jié)劑

木霉菌具有雙向調(diào)節(jié)作用，既可以緩解高水平植物生長調(diào)節(jié)劑產(chǎn)生的藥害，又可以在調(diào)節(jié)劑處于低水平時起到促進作用，這對作物生長有重要作用[10]。木霉菌通過分泌嗜鐵素和生長素等物質(zhì)促進種子萌發(fā)和植物根系發(fā)育并提高作物產(chǎn)量[11]。研究表明，木霉菌可以有效提升玉米根系活力，提高玉米可溶性糖和可溶性蛋白的含量，從而促進玉米體內(nèi)脂肪和蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)合成，提高玉米細胞的保水能力[12]。哈茨木霉和長枝木霉還可以提高鹽堿脅迫下不同基因型玉米幼苗葉片光合特性及光合色素含量，增加細胞對活性氧（reactive oxygen species，ROS）的清除能力，維持滲透平衡和和代謝穩(wěn)態(tài)[13]，最終使玉米增產(chǎn)8%以上[14]。此外，經(jīng)鉤狀木霉處理后辣椒株高、根長、干重分別增加16%、19%、43%，對辣椒苗具有顯著的促生作用[15]。

2.2 產(chǎn)生抗性物質(zhì)

木霉菌的抗生作用是其發(fā)揮生防作用的重要機制。木霉菌在定殖過程中可以產(chǎn)生揮發(fā)性或非揮發(fā)性抗生素類物質(zhì)（如吡喃酮類、木霉素、抗菌肽等），從而抑制土壤病原菌，降低病原菌對植物根系的危害，促進作物的生長[2]。木霉產(chǎn)生的一些低分子量的非極性化合物對灰葡萄孢有抗真菌活性，如哈茨木霉T39 分泌的丁烯酸內(nèi)酯T39 和哈茨酮內(nèi)酯（harzianolide）以及由哈茨木霉T22 分泌的T22 嗜氮酮（azaphilone）和哈茨吡啶酮（harzianopyridone）均對灰葡萄孢有抑制作用[16]。一些高分子量極性物質(zhì)，如哌珀霉素（peptaibols）是一類線性非核糖體短肽鏈（小于25 個氨基酸殘基），可以在木霉菌與灰葡萄孢接觸時發(fā)揮抑菌活性，其水脂兩親性使它們能夠自我結(jié)合成跨脂質(zhì)雙層膜寬度的低聚離子通道，使寄主細胞質(zhì)泄漏，導(dǎo)致寄主細胞死亡[17]。研究表明，長枝木霉和擬康氏木霉對馬尾松幼苗立枯病的防治率分別為49%和54%，木霉菌有效增強了馬尾松幼苗對立枯病的抗性[18]。哈茨木霉和棘孢木霉能夠抑制立枯絲核菌對黃瓜的侵染力和致病力，激發(fā)植物防御機制，增加黃瓜對立枯病的抗性[19]。木霉菌對植物病原菌具有廣譜拮抗作用。木霉菌產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)可以阻止病原微生物在植物的根際定殖，并通過競爭營養(yǎng)和空間、重寄生、溶菌、產(chǎn)生抗生及次級代謝產(chǎn)物來抑制病原真菌[2,20]。

2.3 提高養(yǎng)分利用率

木霉菌提高養(yǎng)分利用率的方式包括改善根際土壤環(huán)境、提高作物抗性和促進植物生長等[9]。土壤中有許多以難溶狀態(tài)存在的營養(yǎng)元素，不易被作物吸收，而木霉菌可以提高作物對難溶養(yǎng)分的吸收能力。哈茨木霉和長枝木霉等能夠提高磷、鐵、銅、錳和鋅等元素的可溶性，減少鐵和銅在土壤中的固定[21-22]。研究表明，木霉菌能增加單株綠豆磷吸收總量，提高磷素收獲指數(shù)[23]，從而提高綠豆的磷素利用率。

3 木霉菌對土壤生態(tài)環(huán)境的影響

3.1 木霉菌對土壤理化性質(zhì)和肥力的影響

土壤中的養(yǎng)分大多以微溶性或不溶性狀態(tài)存在，部分元素以化合物的形式存在于土壤溶液中，其活性較低不易被利用，這在一定程度上影響了土壤中養(yǎng)分的循環(huán)[24]。土壤全量養(yǎng)分是評價土壤肥力高低的重要指標，而速效養(yǎng)分對作物生長的影響更為直接，增加土壤養(yǎng)分的可利用性成為提高養(yǎng)分利用率和改善土壤養(yǎng)分狀況的關(guān)鍵途徑[25]。一般而言，木霉菌通過分泌有機酸（如葡萄糖酸、檸檬酸和富馬酸）可以在一定程度上降低土壤pH、溶解土壤中的礦物質(zhì)并活化土壤養(yǎng)分[3,26]，而土壤pH 的降低是土壤養(yǎng)分有效性提高的主要原因之一。木霉菌施用2 年后，長期種植大豆的濕潤氧化土pH 下降0.2 個單位，H+Al 和Mn 含量分別顯著增加5 cmolc·dm-3和28 mg·dm-3[21]。研究表明，施用木霉菌RW309后土壤礦質(zhì)氮含量較不施用木霉菌處理增加50%左右[27]，木霉菌處理后土壤速效磷含量增加12%左右，提高了土壤養(yǎng)分有效性，增強了土壤生產(chǎn)力的可持續(xù)性[26]；在玉米出苗15和25 d后噴灑棘孢木霉懸液（0.7 g棘孢木霉粉劑溶于200 mL 水），土壤堿解氮含量提高15%[26]。由此可見，木霉菌可以明顯提高土壤活性養(yǎng)分含量。此外，F(xiàn)u 等[26]在長期種植玉米的黑土上施用木霉菌劑后發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)、全氮和全磷含量顯著增加；當木霉菌以菌肥形式施用時，>0.25 mm 團聚體有機碳含量增加52%，全土有機碳含量可增加70%[28]，木霉菌有效提高了土壤肥力。

木霉菌不僅能夠活化土壤中的養(yǎng)分，還可以在一定程度上改善土壤物理性質(zhì)。施用木霉菌肥后土壤大團聚體含量和團聚體穩(wěn)定性顯著增加[28]。Zhu 等[29]研究表明棘孢木霉菌肥替代20%化肥，可使>2 mm 團聚體含量增加40%左右，0.25~2.00 mm 團聚體含量也顯著增加，土壤團聚體平均重量直徑增加36%。土壤水分是影響植物生長發(fā)育最關(guān)鍵的因素之一。謝奎忠等[30]發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)4 年種植馬鈴薯的地塊上施用哈茨木霉菌后，土壤含水量和土壤持水能力明顯增加，土壤水分利用效率增加27.2%。呂曼曼等[31]也發(fā)現(xiàn)，棘孢木霉分生孢子懸液能明顯提高未栽培楊樹苗土壤的含水量。由此可知，木霉菌可以增加土壤大團聚體含量、增加土壤持水性能，從而改善土壤物理性狀。

3.2 木霉菌對土壤酶活性的影響

土壤酶參與土壤中各種生化過程和物質(zhì)循環(huán)，其活性可以反映土壤生化過程的強度與方向，還可以客觀地反映土壤肥力狀況。在鹽脅迫條件下，哈茨木霉ST02顯著提高土壤纖維素酶活性和過氧化氫酶活性[32]；施用木霉菌肥后小麥根際土壤脫氫酶、過氧化物酶和多酚氧化酶活性分別提高100.0%、10.34%和18.52%[33]。由此可見，木霉菌可以降低土壤中過氧化氫和酚類物質(zhì)的積累，減緩?fù)寥乐杏卸居泻ξ镔|(zhì)對作物的毒害作用。

木霉菌也可以通過改變土壤中與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化有關(guān)酶的活性活化土壤養(yǎng)分，增加土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力[26]。土壤脲酶可以專一催化土壤中的酰胺化合物水解為氨，促進土壤氮素尤其是有機態(tài)氮的周轉(zhuǎn)；土壤磷酸酶能夠促進土壤有機磷向無機磷轉(zhuǎn)化，保障土壤內(nèi)源無機磷的含量；蔗糖酶可以專一催化蔗糖分解，促進土壤有機碳積累與分解轉(zhuǎn)化，從而影響有機碳礦化過程。Liu 等[34]在辣椒生產(chǎn)中施用含有貴州木霉的菌肥后，土壤脲酶活性明顯增加，土壤有機態(tài)氮轉(zhuǎn)化加速，增加了辣椒根際土壤速效氮含量，促進了辣椒對養(yǎng)分的吸收進而提高辣椒產(chǎn)量。木霉菌不僅可以增加土壤脲酶活性，對堿性磷酸酶活性也有一定的促進作用。Asghar 等[27]在為期2 個月的培養(yǎng)試驗中發(fā)現(xiàn)，接種木霉菌RW309后土壤磷酸酶活性提高10%以上。木霉菌的接種提高了土壤磷酸酶活性，加速了土壤中有機磷化合物或無機磷酸鹽的轉(zhuǎn)化過程。因此，若要改善土壤氮磷供應(yīng)水平，可以通過接種哈茨木霉菌來實現(xiàn)。此外，施用木霉菌后種植白菜的土壤中蔗糖酶活性提高45%以上[35]，有效地促進土壤碳素周轉(zhuǎn)并改善土壤生態(tài)環(huán)境。綜上所述，木霉菌可以增加土壤中與碳、氮、磷轉(zhuǎn)化有關(guān)的土壤酶活性，改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況和作物根際生態(tài)環(huán)境，從而有利于作物的生長和產(chǎn)量的提高[27]。

3.3 木霉菌對土壤微生物的影響

土壤微生物幾乎參與土壤中所有養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程，較高的土壤微生物多樣性和適宜的群落組成是支持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要因素。木霉菌可以有效控制土壤微生物群落多樣性及數(shù)量，棘孢木霉與水合氧化鐵聯(lián)合施用后土壤總磷脂脂肪酸、革蘭氏陽性細菌、革蘭氏陰性細菌、放線菌、細菌和真菌磷脂脂肪酸分別增加了114%、68%、276%、292%、133%和626%[36]。Fu 等[26]發(fā)現(xiàn)，不同用量的木霉菌均可增加長期種植玉米土壤的細菌豐度，尤其是硝化螺旋菌屬（Nitrospira）和鞘脂單胞菌屬（Sphingomonas）的豐度；哈茨木霉菌可顯著增加紫花苜蓿根際土壤假單胞菌屬（Pseudomonas）、節(jié)核細菌屬（Arthrobacter）和黃桿菌屬（Flavobacterium）等細菌豐度，而對真菌豐度無明顯影響[37]。然而，王寧等[38]研究表明，木霉菌對土壤中細菌多樣性影響較小，但會降低真菌多樣性。由此可知，木霉菌促使土壤微生物由“真菌型”向“細菌型”轉(zhuǎn)變，保持了土壤微生物區(qū)系平衡，從而減輕作物病蟲害的發(fā)生。

木霉菌制劑是常見的真菌殺菌劑，被廣泛應(yīng)用于防治土傳病害。研究表明，哈茨木霉M-33對立枯絲核菌有較強的拮抗作用[39]，多孢木霉可以特異性殺滅土壤中的銹腐柱隔孢[40]。在與病原菌的對峙培養(yǎng)中，綠色木霉Tv-1511 可以有效抑制白絹病菌、層生鐮刀菌、尖孢鐮刀菌、串珠鐮孢菌、葡萄座腔菌和灰葡萄孢菌等病原真菌的生長，抑菌率達到59.8%~71.7%[41]。Wang 等[42]研究表明，哈茨木霉Th62菌株對土壤傳播的植物病原菌、尖鐮孢菌、交鏈格孢菌等具有明顯的拮抗作用。木霉菌對小麥全蝕病菌和根腐病菌也有明顯的抑制作用[43]。由此可見，木霉菌可以抑制病原菌的生長，減少土壤中病原菌數(shù)量，維持土壤健康。

綜上所述，木霉菌是一類重要的生防因子，對病原菌尤其是病原真菌有明顯的拮抗作用。木霉菌及其制劑可以改變土壤細菌和真菌的相對比例，改善微生物群落結(jié)構(gòu)進而改善土壤生態(tài)環(huán)境。

4 問題與展望

木霉菌是一類重要的生防真菌并被廣泛應(yīng)用。然而，與化學(xué)防治相比木霉菌的防治效果相對較慢，對環(huán)境條件要求較高；由于木霉菌制品的價格較貴，部分農(nóng)戶不愿在防治病蟲害方面承擔(dān)過多的費用。此外，由于制成菌劑的木霉菌均為活菌，不同區(qū)域土壤質(zhì)地和類型及其水熱狀況的差異較大，木霉菌劑施入田間后其活性常常受到影響，這在一定程度上限制了木霉菌劑的開發(fā)利用和田間推廣。因此多數(shù)木霉菌制劑的研究仍停留在實驗室階段。

現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展日新月異，為生物防治提供了新的契機，木霉菌制劑的開發(fā)研究也逐漸受到重視，木霉菌制品有了更廣闊的發(fā)展前景，主要表現(xiàn)為以下4 個方面：①利用基因重組技術(shù)等現(xiàn)代分子生物學(xué)手段構(gòu)建能夠耐受環(huán)境脅迫的工程菌株；②探尋木霉菌發(fā)酵適宜培養(yǎng)條件，提高木霉菌活性，增強防治效果；③改善土壤水熱狀況及養(yǎng)分狀況，為木霉菌的生長繁殖創(chuàng)造條件，促進其在土壤中的定殖；④針對不同病原真菌引起的植物病害采取不同的方式生產(chǎn)木霉菌制劑，提高生防效果。