貝萊斯芽孢桿菌HM-3分離鑒定及生防作用

摘要 從河北盧龍甘薯種植區發生莖線蟲較重的田塊選取未發生莖線蟲的甘薯，從其根部采集土壤樣品，以甘薯莖線蟲為靶標進行活性菌株篩選。結果表明：篩選得到的貝萊斯芽孢桿菌HM-3對甘薯莖線蟲具有高達82.5%的觸殺能力，具有快速繁殖和強大的定殖能力（151%）。經過10代培養后，該菌株對甘薯莖線蟲的觸殺效果仍保持在82.2%。此外，該菌株還具備解磷、解鉀和固氮的功能，能夠將土壤中的不溶或難溶磷、鉀元素轉化為作物可吸收的形式，并可固定空氣中的氮元素供作物使用，尤其是其解鉀能力最為突出。貝萊斯芽孢桿菌HM-3不僅對甘薯莖線蟲病表現出顯著的觸殺效果，還能為甘薯提供必要的營養物質，促進作物生長發育和提高產量。

關鍵詞 甘薯莖線蟲病；篩選；鑒定；貝萊斯芽孢桿菌；促生

中圖分類號 S 476 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2025）05-0096-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.05.019

Isolation，Identification and Biocontrol Effects of Bacillus velezensis HM-3

SONG Gen1，LIU Qing-qing2，ZHANG Bao-hai1 et al

（1. Qinhuangdao Hemiao Biotechnology Co.，Ltd.，Qinhuangdao，Hebei 066000;2. Hebei Normal University of Science and Technology，Qinhuangdao，Hebei 066000）

Abstract In this study，soil samples were collected from the roots of sweet potatoes that had not been affected by stem nematodes in fields heavily infested with stem nematodes in the sweet potato planting area of Lulong，Hebei. Active strains were screened with sweet potato stem nematode as the target. The research results showed that Bacillus velezensis HM-3 was identified with a contact killing ability of up to 82.5% against sweet potato stem nematodes，rapid reproduction，and a strong colonization ability （151%）. After 10 generations of cultivation，the contact killing effect of this strain on sweet potato stem nematodes remained at 82.2%. Additionally，Bacillus velezensis HM-3 was found to possess functions of phosphorus solubilization，potassium solubilization，and nitrogen fixation. Insoluble phosphorus and potassium elements in the soil were converted into forms that can be absorbed by crops，and nitrogen elements in the air were fixed for crop use，with potassium solubilization being particularly prominent. Bacillus velezensis HM-3 was observed to not only exhibit a significant contact killing effect on sweet potato stem nematode disease but also provide essential nutrients for sweet potatoes，promote crop growth and development，and increase yield.

Key words Sweet potato stem nematode disease;Screening;Identification;Bacillus velezensis;Promoting growth

我國線蟲種類繁多，對不同寄主植物構成廣泛威脅，涉及甘薯、馬鈴薯、當歸、大蒜等多種作物和雜草，引發的線蟲病害是農業、林業的第三大病害［1-2］。特別是甘薯莖線蟲病作為一種破壞性極高的疾病，會嚴重侵染甘薯苗、甘薯蔓基部、薯塊及粗根部位［3-4］，輕度感染可致使農作物減產10%～20%，而重度感染可能會減產70%以上甚至絕收。在北方的薯類種植區，尤其是河北和山東地區，已成為最嚴重的疾病之一［5-7］。此外，在儲藏期，線蟲侵染的甘薯會出現爛窯，育苗期爛床等問題［5，8］。因此，及時治理甘薯莖線蟲病，提高作物產量和品質是當務之急。

目前，對甘薯莖線蟲病的防治主要依賴于物理和化學防治。物理防治方法包括在育苗、種植及收獲等過程中及時清除和集中焚燒病株殘體。盡管這種方法能在一定程度上控制病害，但其操作復雜，耗時且效果有限［7］。相比之下，化學防治雖然相對有效［9］，但使用的化學殺線蟲劑存在高毒、高殘留的問題，對農作物和生產環境具有一定的安全威脅［5，10］。如，趙恭文等［11］研究發現，即便是采用噻唑膦防治根結線蟲，仍難以避免農藥殘留、作物藥害和環境污染等風險，且長期使用單一藥劑還會導致病害產生抗藥性，防效降低［12］。

在當今強調保護人類生活環境及農業可持續發展的背景下，生物防治技術的研究與應用至關重要［13］。生物農藥以其毒性低和殘留少的特點備受關注。然而，當前這類方法面臨的主要挑戰是其相對較低的防治效率。如，馬明敏等［14］研究發現，使用10億活孢子/g的淡紫擬青霉顆粒劑和10億CFU/mL的蠟質芽孢桿菌懸浮劑對番茄根結線蟲進行防治，取得的效果僅在75%和70%左右。宋振等［15］篩選出1株具有生防促生作用的菌株，該菌株對水稻白葉枯病和水稻細菌性條斑病的防治效果分別為74.57%和65.33%，對水稻芽長和根長的增長率分別達到37.70%和97.00%。該結果均凸顯了提高生物防治技術效率的迫切需求。

生物防治技術的主要優勢在于其利用微生物對作物產生正面影響，主要包括防治作物病害及促進作物生長。雖然最初人們更多關注其在促進作物生長方面的作用，但現階段對其在防治病害方面的潛力給予了更多關注［13，16］。特別是在設施蔬菜生產中，生物防治技術已證明對線蟲病害具有一定防控效果［6］。如劉強等［17］研究發現，貝萊斯芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、熒光假單胞桿菌、蠟質芽孢桿菌對甘薯莖線蟲病具有一定的防治能力。該研究核心目的是篩選出具有抗線蟲病和促進作物生長雙重功能的多功能菌株。自土壤中分離的微生物不僅能夠更好地適應作物生長的環境，促進作物生長［18］，還能有效控制多種土傳病害。因此，為了在大田條件下更理想地應用生物防治技術防治線蟲病害，積極擴大對具有高效殺線蟲能力微生物的研究和開發，充分利用自然界中的豐度資源顯得很有必要。

因此，筆者在不同類型種植區的甘薯莖線蟲發生地，采集甘薯根際土樣，篩選出抗莖線蟲病兼多重功能的微生物制劑，使其同時具備促生、固氮、解磷和解鉀的功能，鑒定該微生物并命名，旨在為甘薯莖線蟲病的防治及甘薯安全生產應用提供科學依據，對推動農業生產的提升及生態系統的可持續利用具有深遠意義。

1 材料與方法

1.1 材料

供試病原菌：甘薯莖線蟲母液（約含有莖線蟲1 000條/mL）。供試菌株：HC-5、GS4-X1、GS2-X5、GS5-X1、GS3-X4，均由秦皇島禾苗生物技術有限公司提供。供試培養基：LB培養基、PDA培養基、解鉀菌培養基、解無機磷菌培養基、阿須貝氏（固氮）培養基。

主要儀器設備：離心機、搖床、顯微鏡、高壓蒸氣滅菌器、細菌培養箱、真菌培養箱、蒸氣消毒器、超凈工作臺。

1.2 方法

1.2.1 甘薯莖線蟲懸液的配制。

取甘薯莖線蟲母液20 mL，加入80 mL蒸餾水充分混合，配制成莖線蟲200條/mL懸液，備用。

1.2.2 生防菌的篩選。

在無菌操作條件下，從拮抗菌株固體培養基上挑取單菌落，接種于100 mL LB液體培養基中。于30 ℃ 180 r/min條件下振蕩培養48 h，制成發酵培養液。隨后將培養液在10 000 r/min下使用離心機離心10 min，隨后取上清液并通過0.22 μm濾膜過濾，制得細菌發酵液清液，備用。在12孔板上，每孔加入500 μL準備好的甘薯莖線蟲懸液（約含100條莖線蟲）和500 μL細菌發酵液清液，輕輕搖勻以混合。以接種等量LB 液體培養基的處理作為對照，每處理重復3次。培養12 h后，使用顯微鏡檢查各孔中的線蟲反應。若觀察到線蟲身體僵硬且不活動，并且在轉移至清水中12 h后仍未恢復活動，則判定為死亡。

線蟲死亡率和校正死亡率計算公式如下：

死亡率=死亡的線蟲數量/線蟲總數×100%（1）

校正死亡率=（處理組死亡率-對照組死亡率）/（1-對照組死亡率）×100% （2）

1.2.3 生防菌的生長測定。

將初篩細菌菌株分別接入100 mL LB液體培養基，在37 ℃ 160 r/min的條件下進行搖瓶培養。培養過程中，定期使用分光光度計檢測OD600吸光度，以此來評估各菌株的生長速度，并篩選出繁殖速度快的細菌。

1.2.4 生防菌的性能測試。

1.2.4.1 遺傳穩定性測試。

通過劃線法將選定的細菌菌株在LB固體培養基上進行傳代培養，持續至第10代。隨后，應用12孔平板對峙法測定繼代菌株對甘薯莖線蟲的致死率，并將其校正死亡率與原始菌株（CK）進行對比。若經過10代培養的菌株顯示出與CK相近的校正死亡率，表明菌株具備較高的遺傳穩定性。試驗中每處理重復3次，最終數據結果以平均值呈現。

1.2.4.2 定殖能力測試。

將篩選得到的細菌菌株接種于LB液體培養基中，設定培養條件為溫度30" ℃和轉速160 r/min，持續培養48 h。將發酵液配制成含菌量1.0×109 CFU/mL的菌懸液，待用。

將市場購買的淡紫擬青霉（DZ）接種于PD液體培養基上，設定培養條件為28" ℃和轉速160 r/min，培養5 d，用篩網過濾出菌絲，將發酵液配制成含孢子量1.0×108 CFU/mL的菌懸液，待用。作為比較基準。將無菌土與固體發酵培養基按4∶1均勻混合，填充于直徑為10 cm，高為11 cm的花盆中，總填充量達150 cm3。向其中澆施200 mL菌懸液，然后將花盆放置于溫室中，溫度控制在20～28 ℃，維持15 d，每4 d澆1次無菌水。在第15天，從花盆中6 cm深的土壤中取樣1.0 g，檢測所含有效活菌數。對每種菌株進行5次重復試驗，計算每種菌株在1 g土壤中的定殖數量和定殖率。

定殖率=定殖數量/接種數量×100%（3）

1.2.4.3 促生性測試。首先，在無菌條件下，從低溫存儲的生防菌庫中取1環菌株，接種于LB固體培養基平板上，并在37 ℃恒溫培養箱中劃線培養2 d，為后續試驗作準備。接著，使用200 μL移液槍槍頭在已純化的菌株平板上均勻打孔，形成一致大小的菌餅。然后，將這些菌餅分別放置在解鉀菌選擇性培養基、解無機磷菌選擇性培養基和阿須貝氏培養基上，適當標記。這些平板隨后在37 ℃恒溫培養箱中倒置培養7 d。若菌株在上述選擇性培養基上生長，則表明具有解鉀、解磷或固氮的生理功能，菌落生長迅速，說明該菌株在解鉀、解磷、固氮方面功能較為強大；如果沒有生長，則認為菌株不具備這些功能。

1.2.5 生物學相關特性測定。

1.2.5.1 形態學及生理生化鑒定。

將篩選出的菌株在LB培養基上劃線接種，32 ℃培養24 h，觀察篩選出的生防菌單個菌落的形態、大小、顏色、干濕、光滑或粗糙等，并對生防菌進行一系列生理生化試驗，包括NaCl耐受度試驗、接觸酶試驗、明膠液化試驗、淀粉水解試驗、溶菌酶抗性試驗、Voges-Proskauer試驗、甲基紅試驗、卵磷脂酶試驗、吲哚試驗、阿拉伯糖試驗、硝酸鹽還原試驗、檸檬酸鹽利用試驗，并進行革蘭氏染色，以進一步鑒定菌株特性。

1.2.5.2 分子生物學鑒定。

利用細菌16S rRNA的高度保守性，對篩選到的生防菌進行分子鑒定。引物為細菌16S rDNA的通用引物，Primer1：5′-AGAGTTTGATCATGGCTCAG-3′；Primer2，5′-TACGGTTACCTTGTTACGACTT-3′，采用細菌單菌落為模板直接進行PCR擴增，反應體系為20 μL，反應條件為94 ℃ 5 min，94 ℃ 1 min，50 ℃ 1 min，72 ℃ 2 min ，30個循環;72 ℃延伸10 min。PCR產物經1%瓊脂糖凝膠電泳檢測，經純化后由上海生工基因有限公司進行序列測定。

2 結果與分析

2.1 生防菌種的篩選

在不同類型種植區的甘薯莖線蟲發生地采集甘薯根際土樣，分離得到35株細菌，進一步對其抗甘薯莖線蟲的能力進行測定，共篩選得到5株對甘薯莖線蟲具有良好觸殺效果的菌株（圖1）。5株菌株的校正死亡率均高達75.0%以上，其中HC-5的校正死亡率達82.5%，效果最好。

2.2 生防菌的生長測試結果

對上述5株菌株進行生長測試，吸光度的增大表明發酵液中的生物量增多，可反映出菌株的繁殖速度。根據細菌菌株的發酵液吸光度（圖2）可知，HC-5菌株的繁殖速度較其他菌株快，其吸光度高達6.15。因此，篩選出HC-5為優良菌株。

2.3 生防菌的性能測試結果

2.3.1 遺傳穩定性。

通過比較培養了10代的菌株HC-5與其原始菌株在同一條件下對甘薯莖線蟲的致死率，評價菌株的遺傳穩定性。通過試驗得知，HC-5的校正死亡率為82.2%，與原始菌株的死亡率 （82.5%） 接近，說明HC-5具有良好的遺傳穩定性。

2.3.2 定殖能力。由表1可知，HC-5菌株的定殖率高達151%，明顯超過了作為比較基準的淡紫擬青霉（DZ），其定殖率僅為對照值。這一比較結果強調了HC-5在定殖效果上的優勢，表現出其較強的定殖能力。這說明HC-5在與植物根系的相互作用中表現出更高的效率和適應性。

2.3.3 生防菌促生能力。圖3為HC-5在解鉀菌、解無機磷菌、固氮菌選擇性培養基上的生長情況。經測定，HC-5不僅具備固氮（+）和解無機磷（+）的功能，還有較強的解鉀（++）功能。在解鉀菌選擇性培養基上，HC-5形成了明顯的、較大的解鉀圈，這凸顯了其卓越的解鉀能力。綜合篩選以及性能測試的結果，可以確定HC-5是一種效果顯著的促生生防菌，具有較大的應用潛力。

2.4 生防菌的生物學相關特性

2.4.1 形態學鑒定。

HC-5的菌落外觀呈近似圓形，具有粗糙且不規則的邊緣，并顯示出皺褶狀的白色表面，菌落不透明。菌株HC-5細胞為桿狀，具有芽孢，呈革蘭氏陽性，如圖4所示。

2.4.2 生理生化特征。表2為HC-5菌株的生理生化特征及碳源利用情況。HC-5對鹽的耐受性顯著，在2%～10%NaCl中，菌株均表現出良好的生長能力。HC-5在多項生化試驗中表現為陽性，包括甲基紅反應，接觸酶活性，卵磷脂酶活性，明膠液化反應，淀粉水解能力、阿拉伯糖、溶菌酶抗性、硝酸鹽還原以及檸檬酸鹽利用。同時，HC-5在吲哚試驗和V-P試驗中呈陰性。該菌株能夠在多種碳源中生長，顯示出其廣泛的適應性和代謝能力。

2.4.3 分子生物學鑒定。

使用HC-5基因組DNA作為模板，通過PCR技術擴增了16S rRNA基因片段，并構建了系統進化樹（圖5）。通過測序和后續的同源性比對分析，發現HC-5與貝萊斯芽孢桿菌（Bacillus velezensis）的序列一致性高達99%。結合HC-5的形態學特征、測序數據及其生理生化測試結果，最終確定HC-5為貝萊斯芽孢桿菌。該菌株被命名為貝萊斯芽孢桿菌菌株HM-3，簡稱HM-3。HM-3已于2021年11月8日被保藏在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，保藏編號為CGMCC No.23739。

3 討論

甘薯作為一種營養價值極高的農作物，廣受種植者的青睞。然而，甘薯莖線蟲病嚴重威脅著其種植和產量。這種土傳病害不僅對甘薯，也對其他薯類農作物的產量和品質造成了嚴重影響，尤其在河北和山東省已經造成了大量農作物的損失［7］。目前，我國在生物防治甘薯莖線蟲病方面的研究相對較少，且在大田應用中效果也并不理想［6］，這對糧食安全構成了挑戰。因此，開發有效的防控策略迫在眉睫。該研究篩選出的貝萊斯芽孢桿菌HM-3對甘薯莖線蟲病具有顯著的防治效果，表明具有促進生長功能的生物防治菌株在實際應用中具有廣闊前景。

該研究篩選并驗證了1株對甘薯莖線蟲病具有高效防治作用且具備快速繁殖和強遺傳穩定性的菌株貝萊斯芽孢桿菌HM-3，進一步豐富了貝萊斯芽孢桿菌菌種資源庫。據文獻報道［17，19］，作為自然界中廣泛分布的一類細菌，芽孢桿菌種類繁多，能有效抑制多種植物病原真菌、細菌和線蟲的生長。田間應用芽孢桿菌的試驗證明，芽孢桿菌具備廣泛的環境適應性，能夠在不同條件下存活繁殖，同時表現出性能穩定和環保等優點。作為芽孢桿菌屬的重要成員，貝萊斯芽孢桿菌不僅能夠促進作物生長，還在病害防控方面表現出良好的效果［13，20-22］，可以產生具有廣譜抗菌活性的次生代謝產物，如嗜鐵素、酶、揮發性有機化合物和脂肽。其中，纖維素酶是多數生防菌株的重要拮抗因子，可通過降解病原菌細胞壁或改變菌絲結構有效抑制病原菌的生長［23-24］。

此外，相關研究表明，貝萊斯芽孢桿菌在農業生產中具有多種應用潛力。例如，在植物根際土壤中分離得到的貝萊斯芽孢桿菌SF327不僅能夠產生生長素吲哚-3-乙酸，促進植物生長，還對稻瘟病菌、黃瓜枯萎病菌、辣椒抑霉菌等具有明顯的拮抗作用［25］。在番茄中分離的貝萊斯芽孢桿菌SM2不僅可以通過顯微拮抗作用對病原菌絲構成直接威脅，還能通過誘導番茄葉片高度表達保護酶活性和增加滲透調節物質的含量來有效預防番茄灰霉病［26］。在設施大棚種植的土壤中分離篩選出的貝萊斯芽孢桿菌TMQ-KSL-1，其發酵液和發酵上清液對禾谷鐮刀菌不僅有顯著的拮抗作用，還能有效抑制線蟲卵孵化，促進番茄根系生長，同時防治番茄根結線蟲［27］。貝萊斯芽孢桿菌FZB42對松材線蟲具有明顯的抑殺效果［28］。這些研究成果不僅證實了貝萊斯芽孢桿菌在植物病害防治中的應用價值，也為該研究中HM-3菌株的發現和應用提供了重要的參考和支持。

解磷菌和解鉀菌能夠將不溶或難溶的磷、鉀元素轉化為作物易吸收的可溶性磷、可溶性鉀形式。通過分解磷灰石、鋁硅酸鹽、鉀長石等不溶的無機礦物，解磷菌和解鉀菌可以有效增加土壤中的速效養分含量，從而促進作物生長發育和提高產量［29-31］。此外，固氮菌能通過固定空氣中的氮元素，為作物提供必要的氮營養［32］。例如，淀粉芽孢桿菌B9601-Y2具有解磷、解鉀和固氮的能力，將其應用在玉米上，與對照組相比，玉米的株高、根長和葉寬分別提高28.29%、27.21%和17.24%［30］。該研究中的貝萊斯芽孢桿菌HM-3不僅對甘薯莖線蟲病具有高效防治能力，而且具備解磷、解鉀和固氮的功能，將空氣中游離的氮轉化為作物可吸收的氨，提高土壤中難溶態磷和鉀的有效性，為作物吸收利用，證明其作為一種多功能生物防治菌株的獨特價值。

該研究表明，貝萊斯芽孢桿菌HM-3在高效防治甘薯莖線蟲病方面具有顯著效果。這一菌株能夠迅速、安全地定殖于甘薯根際土壤，從而優化甘薯生長的生態環境，并為其提供安全保護作用。此外，該菌株在促進形成健康的植物根部土壤結構方面扮演著關鍵角色，具有解磷、解鉀和固氮的功能，有利于植物對營養元素的吸收。盡管該研究已經證實了貝萊斯芽孢桿菌HM-3對于甘薯莖線蟲病的抑制效果，但還需要進一步深入挖掘其具體的分子作用機理和抑制路徑。作為芽孢桿菌屬的重要成員，貝萊斯芽孢桿菌HM-3為作物生長提供了豐富的營養元素，有助于抵抗甘薯莖線蟲的攻擊。該研究不僅擴展了甘薯根結線蟲病生物防治的菌株資源庫，也為微生物肥料的生產開辟了新道路，預示著可減少并代替部分化學農藥試劑的使用，具有廣泛的應用前景。

4 結論

該研究在甘薯莖線蟲病發生地對甘薯根際土樣進行了采集和篩選，識別并選出了促生的生防菌HC-5，經鑒定將其命名為貝萊斯芽孢桿菌HM-3。結果表明，貝萊斯芽孢桿菌HM-3對甘薯莖線蟲具有較高的觸殺效果，校正死亡率高達82.5%。遺傳穩定性測試結果表明，即便經過培養10代后，該菌株對甘薯莖線蟲觸殺效果仍與原始菌株相近（82.2%），表現出151%的強大定殖能力。除此之外，HM-3還具備解磷、解鉀和固氮的多重功能，能夠促進作物生長。因此，HM-3菌株不僅能作為化學農藥的代替品，用于生物防治甘薯莖線蟲病，還在促進植物生長和激發系統性抗性方面具有顯著作用。這預示著貝萊斯芽孢桿菌HM-3具有減少化肥和農藥使用的潛力，有助于進一步提升農產品的產量和品質。

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基金項目 河北省重點研發計劃項目（20322911D，21322903D）；河北省創新能力提升計劃項目（20562903D）；河北省技術創新引導計劃項目（20822904D）；秦皇島市科學技術研究與發展計劃項目（202201B028）。

作者簡介 宋根（1985—），男，河北秦皇島人，農藝師，從事生物有機肥及微生物菌劑研究。*通信作者：吉國佳，講師，博士，從事微生物菌劑研究；張志偉，教授，博士，從事微生物菌劑研究。

收稿日期 2024-06-15