枯草芽孢杆菌在农作物生产上的应用研究进展

胡亚杰，韦建玉，卢 健，胡志忠，王生才，谭永忠，蒋 南，龚湛武，李迪秦

（广西中烟工业有限责任公司，南宁510001）

我国人均耕地面积不到世界人均值的一半，很大程度只能依赖化肥的投入来实现大面积增产，以满足人们的衣食住行［1］。据不完全统计，我国肥料当季利用率，氮肥为30%～35%，磷肥为10%～25%，钾肥为35%～50%，远低于世界发达国家平均利用率50%左右的水平［1］。农业生产上化肥的大量投入，直接导致土壤板结、微生物区系变化、土壤质量严重退化，环境污染加剧；尤其是施氮过多，易发生病虫害，进而加大农药施用量，既影响农产品安全，也可能引起农作物倒伏导致大面积减产。随着工业化和城镇化进程的加快，采矿业和生活污染物等对耕地造成的污染有逐年加重趋势。

为了落实2015年农业部提出的“一控两减三基本”目标，学界积极开展了微生物技术在农业生产上的应用，并取得了长足的进步。笔者重点阐述了近年枯草芽孢杆菌在作物生产上所取得的研究成果，旨在为其在农业生产上的深入研究和应用提供参考。

1 枯草芽孢杆菌对土壤的影响

枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）是芽孢杆菌属的一种，广泛分布在土壤及腐败的有机物中。其在农业生产上的作用机理大致归纳为：第一，菌体生长过程中产生的枯草菌素、多粘菌素、制霉菌素、短杆菌肽等活性物质，对致病菌或内源性感染的条件致病菌有明显抑制作用；或者迅速消耗游离氧，造成低氧环境，促进有益厌氧菌生长，间接抑制其它致病菌生长。第二，刺激植株产生抗病因子，提高植株免疫力。第三，通过自身合成α－淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等酶类，与其它植株体内酶协同发挥作用。同时，通过自身合成 B1、B2、B6、烟酸等多种 B族维生素，促进植物生长发育。现已广泛用于水产养殖、环境治理和农业生产。

1.1 对土壤养分含量及污染土壤修复的影响

徐洪宇等［2］研究表明，枯草芽孢杆菌有机肥可以分别提高植烟土壤有机质、有效磷、速效钾和全钾含量 8.38%、12.6%、5.51%和 10.6%。杨超才等［3］、李迪秦等［4］在烟稻轮作植烟土壤施用枯草芽孢杆菌，结果发现移栽后45 d和终采后，碱解氮含量显著增加13.6% ～25.3%、23.1% ～37.6%，移栽后60 d有效磷含量显著增加11.4%～48.1%，移栽后45 d和75 d有机质含量分别显著增加9.1%～15.2%、14.5%～24.7%，且上述含量与枯草芽孢杆菌用量呈显著相关关系，但对速效钾含量无显著影响。郑传进等［5］通过对以 Ca3（PO4）2和卵磷脂为唯一磷源的培养基接种巨大芽孢杆菌（B.megaterium）ACCC10011磷细菌后，发现无机磷培养物中水溶性磷总量比对照提高了13.6倍，有机磷培养物中水溶性磷总量比对照提高了4.16倍，表明巨大芽孢杆菌能有效降解土壤中有机磷，增加有效磷含量。韩晓阳等［6］研究发现，在茶园施用枯草芽孢杆菌K2菌株以后，速效钾和磷含量比对照分别提高28.4%和 28.5%。李伟等［7］研究证明，大田条件下，连续2年苹果园土壤施用枯草芽孢杆菌后，土壤养分含量明显升高，pH值下降。

此外，枯草芽孢杆菌对污染土壤也有良好的修复效果。张琳颖等［8］研究发现，接种枯草芽孢杆菌，土壤中的菲可以通过自然挥发、微生物降解、植物根系降解、植物吸收累积等途径得以去除，其中微生物在降解过程中发挥了重要作用。闫志宇等［9］应用获得的高效乙草胺降解菌株L3盆栽修复处理乙草胺污染土壤，发现其对乙草胺降解效果和土壤修复能力良好，土壤全氮、有效磷、速效钾、有机质分别提高77%、159%、698%和274%。周亮成等［10］研究指出，枯草芽孢杆菌BSF01菌剂能消除农田拟除虫菊酯类农药残留污染。

1.2 对土壤微生物种群数量的影响

土壤微生物是土壤中最具活力的组分，主要由土壤细菌、放线菌、真菌、藻类和各种微小的原生动物组成，其中以细菌的数量最多。研究枯草芽孢杆菌对土壤微生物种群数量的影响，对探讨其对土壤肥力的提高具有重要意义。

邢嘉韵等［11］通过盆栽试验发现，施用巨大芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌混合菌剂，可以提高马铃薯根际土壤细菌、真菌和放线菌种群的数量；且对不同微生物种群的影响不同，对细菌数目增加的幅度最大。李伟等［7］连续2年对施用枯草芽孢杆菌和解磷细菌的苹果园土壤分析发现，土壤中细菌数量明显增多，但真菌及放线菌数量无明显变化（p＞0.05），且真菌／细菌比值降低、差异显著。樊胜南等［12］通过在香蕉土壤灌根施用枯草芽孢杆菌 TR21（WP），发现枯草芽孢杆菌可以提高香蕉根际土壤微生物丰度S值，并引起根际芽孢杆菌数量增加。金京京等［13］研究指出，枯草芽孢杆菌B1514（WP）显著提高了土壤中可培养细菌数量（92.8%），降低了真菌数量（48.4%），但对放线菌数量无显著影响。荣兴民等［14］研究表明，枯草芽孢杆菌的胞外披膜或细胞壁可以提高使土壤金属阳离子吸附于枯草芽孢杆菌表面基团的可能性，且吸附量随细菌浓度的增大而增加。韩腾等［15］的大田试验表明，施用枯草芽孢杆菌Tpb55菌株，可以提高根围土壤细菌多样性和群落结构稳定性。

1.3 对植物激素和土壤酶活性的影响

李伟等［7］指出：枯草芽孢杆菌能显著提升土壤磷酸酶、脲酶、蛋白酶、蔗糖酶活性（p＜0.05）。易有金等［16］采用温室盆栽试验、内源激素检测及处理烟草植株B－001菌量追踪测定等方法，通过对内生枯草芽孢杆菌B－001的作用机制，及其自身在烟草体内的群体数量动态等研究，表明施用B－001菌株的烟草幼苗鲜重增加了43.0%～57.7%，烟草中吲哚乙酸、赤霉素和玉米素核苷的含量增加，脱落酸含量降低。刘丽英等［17］采用对峙法，从苹果连作土壤中分离得到1株连作生防细菌SNB－86，鉴定为枯草芽孢杆菌，并对该菌进行固态发酵制备菌肥应用，结果表明SNB－86菌肥处理可显著提高连作土壤中蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、中性磷酸酶的活性。闫志宇等［9］应用获得的高效乙草胺降解枯草芽孢杆菌株L3，通过盆栽对乙草胺污染土壤进行修复，结果表明L3对乙草胺污染土壤的蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、过氧化氢酶活力分别提高 100%、260%、56%与6%，说明乙草胺降解效果和土壤修复能力良好。

2 枯草芽孢杆菌对作物生长发育及产质量和抗病性的影响

枯草芽孢杆菌菌体生长过程中，产生抑菌和提高群体免疫力的枯草菌素、多粘菌素、制霉菌素、短杆菌肽等活性物质和抗病因子，并通过自身合成与其他植株体内酶协同发挥作用的α－淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等酶类，合成多种B族维生素，促进植物生长发育。随着枯草芽孢杆菌在农业生产上应用的不断深入，相关研究成果日渐增多［18，19］。

2.1 对作物生长发育及产质量的影响

刘丽英等［17］采用对峙法，从苹果连作土壤中分离得到1株连作枯草芽孢杆菌生防细菌SNB－86，用该菌进行固态发酵制备菌肥应用于甜茶幼苗，结果表明：幼苗鲜重和干重分别提高171.5%和142.3%，株高与地径分别增加97.9%和57.6%。杨超才等［3］、李迪秦等［4］、张成省等［20］指出，枯草芽孢杆菌基施有利于促进烟株生长发育，提高株高等烤烟主要农艺性状指标及鲜重。徐洪宇等［2］研究表明，枯草芽孢杆菌有机肥能提高上等烟比例1.82%，均价提高2.51%，有利于提高下部、上部初烤烟叶钾离子含量和内在化学成分的协调性，并改善抽吸品质。王丽丽等［21］在温室内通过盆栽试验的方法，对受石油污染土壤单纯接种枯草芽孢杆菌进行修复后表明，与对照组相比，60 d后能显著增加红三叶地上和地下干生物量、可溶性糖和脯氨酸含量，叶片CAT、POD活性显著升高，丙二醛含量显著减少。金京京等［13］研究指出，枯草芽孢杆菌B1514（WP）可以促进小麦产量的提高。闫志宇等［9］研究发现，乙草胺降解枯草芽孢杆菌株L3对乙草胺污染土壤小麦地上部分较对照组增高117%，总鲜重增重56%，根长增长27%，表现了良好的促进作物生长发育效果。李伟等［7］等研究指出，枯草芽孢杆菌和解磷细菌能显著提高苹果的可溶性固形物、中心糖、可溶性糖、可滴定酸及VC含量等。韩晓阳等［6］在茶园施用枯草芽孢杆菌K2菌株后，茶叶品质提升，茶叶产量提高，茶叶中氨基酸含量显著增加，酚氨比值降低。姜海燕［22］研究指出，西瓜接种枯草芽孢杆菌，可以促进西瓜植株的生长发育，植株干、鲜质量及叶片数均不同程度提高。刘欣等［23］采用胚根接种法和盆栽试验，测试枯草芽孢杆菌Bs－0728对苹果和海棠生长的促进作用及在苹果根际定殖能力，结果表明胚根接种 Bs－0728，胚根生长较对照分别提高了 12.9% ～112.0%；盆栽后Bs－0728发酵液灌根，对海棠生长促进作用显著优于浸种处理。汪军等人［24］通过添加含枯草芽孢杆菌BLG010复合微生物肥料盆栽试验表明，BLG010微生物菌肥能显著提高香蕉生物量，促进株高、茎围、地下部和地上部鲜重提高。孔凡利等［25］利用转入枯草芽孢杆菌植酸酶基因的不同烟草株系，通过无菌培养基、砂培和土培，发现对植酸磷的吸收和利用能力显著高于野生型，且其生物量比野生型提高了3.6～10.7倍。

研究表明，生长物质是调节植物生长、发育和分化的主要因子，其中，ZRs、GA1＋3、IAA被认为是促进植物生长的因子，而ABA则与植物的衰老和逆境相关，在植物体内起到抑制生长的作用［26～29］。王帅［30］温室下将芽孢杆菌菌株PGPR接种在已经接种烟草花叶病毒的烟株上，发现芽孢杆菌能诱导烟草产生诱导系统抗性，并伴随抗性相关基因的表达，表型上明显促进了烟草的株高和鲜重，并显著降低了烟株的发病程度；从枯草芽孢杆菌菌株G1发酵和分离纯化提取的脂肽类化合物，在大棚和田间小区条件下，既可促进辣椒和黄瓜及油菜的生长，又能提高辣椒叶绿素的含量。李龙梅等［31］将枯草芽孢杆菌纤溶酶（BSFE）基因及其信号肽序列转入烟草后，发现转基因烟草营养器官生长速率下降、叶片数目减少、叶片狭长、叶片宽度／叶片长度值降低以及植株矮小、节间缩短等，据此推测其与外源BSFE的蛋白水解活性有关。李国婧等［32］研究指出，转BSFE基因烟草各组织的 ZRs、GA1＋3、IAA含量均低于野生型烟草植株，而ABA含量却高于野生型烟草植株，表明转BSFE基因烟草有利于烟草的生长发育，内源生长物质的变化参与了这一过程的调节。

2.2 对作物主要土传病害的影响

国内外开展应用生防菌防治植物病害已有多年，植物根围促生细菌能够防治各种真菌、细菌和病毒病害，其机制主要是通过与病原菌竞争营养和空间位点、产生抗生素抑制病原物的发展和诱导植物产生抗病性。同时，也能够通过产生一些植物激素或促进植物在土壤中吸收更多的矿物质、氮或钾而促进植物的生长。

研究发现，枯草芽孢杆菌具有抑菌谱广、生长快、抗逆性强、使用方便等优点，目前已经成为较为理想的生防细菌。在控制植物病害上，其重要机制是分泌拮抗物质，对多种病原菌产生很强的抑制作用。

在真菌防治上，樊胜南等［12］用枯草芽孢杆菌TR21（WP）灌根处理香蕉，对香蕉枯萎病有较好的防效。陈立华等［33］连作芦蒿扦插苗施用含有枯草芽孢杆菌D9的生物有机肥，防病率达97.1%，能够显著降低芦蒿扦插苗的茎内和扦插苗根际土壤中尖孢镰刀菌数量。此外，陆小平等［34］采集并分离自广西发病香蕉园土壤和香蕉组织表面及内生的细菌，筛选对尖孢镰刀菌古巴专化型4号生理小种（Fusarium oxysprum f.sp.cubense race 4，FOC4）有拮抗作用的细菌菌株，盆栽试验发现其对香蕉枯萎病菌有较好的抑制和防治作用。汪军等［24］发现采用含枯草芽孢杆菌 BLG010的复合微生物肥料盆栽，明显降低香蕉枯萎病发病率。

在真菌性病害生防研究上，金京京等［13］用枯草芽孢杆菌B1514（WP）防治小麦纹枯病具有很好的防效。韩腾等［15］在大田用菌株枯草芽孢杆菌Tpb55处理的烟草黑胫病病情指数（5.29）显著低于对照（38.52）。马冠华等［35］分离出烟草内生细菌Itb57（枯草芽孢杆菌），经过进一步试验，表明其对烟草黑胫病具有很强拮抗作用，其发酵液对烟草黑胫病温室防治效果达69.3%，田间小区防治效果达61.3%以上。王雅平等［36］通过从丝瓜根部土壤分离枯草芽抱杆菌T2G6，盆栽对小麦赤霉病防效为82.3%～89.8%，浸根处理对西瓜枯萎病苗期防效可达100%；大田小区对小麦赤霉病和西瓜枯萎病防效分别为76.4%和73.1%，且有明显增产效应，其分泌的抗菌蛋白对植物病原菌有很强的抑菌作用。姜海燕［22］研究指出，西瓜接种枯草芽孢杆菌，对西瓜枯萎病有较好的防治效果。方敦煌［37］从健康烟草根际分离到1株根际芽孢杆菌，通过平板对峙培养、代谢产物活性检测，获得1株抑制烟草赤星病菌活性较强的菌株，菌株含菌发酵液和代谢粗提物的离体防效分别为75.6%、76.9%和62.5%、64.7%，小区防效分别为70.3%、75.8%和60.3%、64.4%；代谢粗提物的抑菌作用试验发现，菌株的代谢粗提物在一定浓度范围能抑制赤星病菌孢子萌发、菌丝生长与产孢。刘欣等［23］从土壤中分离筛选了1株枯草芽孢杆菌Bs－0728，采用胚根接种法和盆栽试验发现，Bs－0728菌株发酵液对苹果再植病菌有抑制作用和控制效果，其中：3%的发酵液对6个供试病原菌株菌丝生长抑制率达到22.6%～100%，对孢子萌发抑制率为44.3%～60.8%。

在细菌防治方面，王雅平等［36］通过从丝瓜根部土壤分离到枯草芽抱杆菌T2G6，其对烟草青枯病的防效，浸根处理苗期达 100%，大田小区达到79.6%，且有明显增产效应，其分泌的抗菌蛋白对植物病原菌有很强的抑菌作用。张秀玉等［38］从枯草芽孢杆菌SH7代谢物中分离纯化出一种具有淀粉酶活力相对分子质量33.6 kD的蛋白，此分泌物对烟草青枯病菌具有一定抑制作用。易有金等［16］采用温室盆栽试验、内源激素检测及处理烟草植株内生枯草芽孢杆菌（B－001）菌量追踪测定等方法，通过对其作用机制和自身在烟草体内的群体数量动态等进行研究，发现其菌悬浮液对烟草青枯病的防治效果达50.3%～70.3%。焦延静等［39］研究指出，枯草芽孢杆菌对杜梨根癌病原菌质粒有较强的抑制作用。

在病毒病的防治方面，张成省等［40］研究指出，枯草芽孢杆菌Tpb55对烟草TMV具有较好的钝化、预防和治疗效果，枯斑抑制率分别为96.2%、79.7%和65.7%。王伟伟等［41］从枯草芽孢杆菌W－QX－1的发酵液中粗提了碱性蛋白酶，初步测定了其抗TMV活性及其酶学性质，并采用半叶法测定了其抗烟草花叶病毒TMV的活性，发现该酶在酶液浓度为50 mg／L时，对TMV的体外钝化效果达到53.4%，对TMV初侵染和体内复制增殖也具有一定的抑制能力，抑制其侵染力效果达50.4%。毕延刚等［42］通过在密闭式完全人工可控的植物工厂中，黄瓜幼苗接种枯草芽孢杆菌，能够明显降低枯萎病病原菌对黄瓜生长的抑制作用，但这一趋势受作物生长基质堆肥的显著影响，堆肥主要通过其微生物与枯草芽孢杆菌协同抵御黄瓜病原菌，并促进根系生长。

3 展望

枯草芽孢杆菌在促进作物生长、土壤提质和作物微环境改良、土传病害控制及农业耕地污染治理等方面的作用将越来越广泛［43～47］。为深入了解其作用机理，学界可以从以下几个方面开展进一步的探讨。

（1）土壤环境对枯草芽孢杆菌作用效果发挥的影响。微生物功能的发挥受土壤环境影响较大，其中，土壤环境中的温度与湿度是其功能彰显的最主要的影响因子。

（2）枯草芽孢杆菌与作物、有机肥及耕作制度的协同。土壤微生物生物量、土壤酶的活性及作为植物生长必需的三大营养元素氮、磷、钾的含量均是土壤肥力的指标。微生物功能的发挥除受环境的制约外，作物种类、有机肥及耕作制度等，也是影响其功能发挥的重要因素。未来可以在协调枯草芽孢杆菌与作物、有机肥及耕作制度间的关系，发挥其在土壤改良提质、促进作物生长等领域开展相关研究。

（3）枯草芽孢杆菌农业生产上特定功能的研究。已有研究表明［48］，枯草芽孢杆菌在土壤降害、污染治理等方面具有良好的效果，但生态区域、土壤病害类型、耕作土壤污染源等不同，可针对不同生态区域土壤病害种类及耕作土壤污染源的差异，充分利用枯草芽孢杆菌的相关功能展开研究。

（4）基于分子水平的作用机理研究。随着分子生物学和生物信息技术的发展［49～52］，利用核心微生物组的方法，来描述和分析样本中的枯草芽孢杆菌核心微生物组和关键种，揭示其与宿主健康、生长和生产等密切相关的类型，有助于深入认识其与宿主间的相互关系，深刻理解其对宿主的影响，更好地理解枯草芽孢杆菌微生物组在自然生态系统中的功能。