解淀粉芽孢杆菌对植物土传病害的作用机制

陆景倩，郎剑锋，杨秋侠，石明旺

（河南科技学院，河南 新乡 453003）

土传病害是指病原体如真菌、细菌、线虫等随病残体生活在土壤中，条件适宜时从作物根部或茎部侵害作物而引起的病害，包括根腐病、青枯病、根结线虫病等［1］。这些病害在中国频繁发生，危害近0.33亿hm2的经济作物，造成的损失达数百亿元［2］，严重制约着中国农业的可持续发展。

根据土传病害的发生特点，可以采用农作防治、物理防治、品种选用、化学药剂防治、生物防治和多措施的协调使用等来防治土传病害的发生［3］。生物防治具有安全、有效、无残留等优点，在农田中使用生防菌不但可以制约土传病害的初侵染源、保护其侵染点，还能够调控土壤环境、促进植物生长、增强寄主抗性，同时还能降低化学农药使用量，是保障农业可持续发展的有效措施［4］。解淀粉芽孢杆菌（Ba⁃cillus amyloliquefaciens）属于芽孢杆菌属，为革兰氏阳性菌，呈杆状，两端钝圆，有运动性，在NA培养基上呈现粗糙的表面和不规则的边缘［5］，是一种与枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）亲缘度很高的细菌［6］。解淀粉芽孢杆菌在生长过程中产生一系列能够抑制真菌和细菌的活性代谢物质，具有广谱的抗真菌、细菌活性［7］；所产生的活性代谢物质，可作为激发子诱导植物抗性［8］；同时又是一种植物根际促生菌，将解淀粉芽孢杆菌的发酵液对农作物进行拌种、喷施、灌根等方法使用，均可促进植物的生长［9］；且解淀粉芽孢杆菌能与病原菌竞争营养物质，间接抑制植物病害［10］，因而备受学者的青睐。本研究主要从拮抗作用、促生作用、竞争作用和诱导抗性4个方面对解淀粉芽孢杆菌的生防机制加以阐述，并对其今后发展进行展望。

1 解淀粉芽孢杆菌的生防机制

1.1 拮抗作用

解淀粉芽孢杆菌能够产生丰富的活性代谢产物，通过对解淀粉芽孢杆菌FZB42基因分析表明，总共有11个基因簇用于合成抗菌代谢物质，占总基因组8.5%以上［11］，主要包括非核糖体合成的脂肽类化合物、聚酮类化合物和核糖体合成的细菌素，这些活性代谢产物对植物病原菌生长有直接抑制作用。

1.1.1 脂肽类化合物 解淀粉芽孢杆菌产生的脂肽类化合物具有抗真菌活性，可以明显地抑制多种病原菌的生长，破坏细胞壁的完整性，抑制菌丝生长和分生孢子的萌发。脂肽是由肽合成酶（NPRS）非核糖体合成的小分子抗生素，这种生物合成系统导致了环状脂肽产物之间显著的结构异质性，这些产物在氨基酸残基的类型、数量和序列以及肽环化的性质上各不相同，在每个家族中，脂肪酸链的性质、长度和分支都存在一定的差异，从而导致同一品系同时产生多种相似的Surfactin、Iturin、Fengycin和Bac⁃illomycin D［12］。Surfactin是生物表面活性剂，具有强大的乳化、发泡等作用，Surfactin能够与细胞膜磷脂层联合，带负电的支链伸入到水中，而非极性的部分则进入到膜上疏水孔中，通过破坏细胞膜影响膜的稳定性，从而达到抑菌的目的［13］；Fengycin抑菌机制是影响真菌细胞膜的表面张力，导致微孔的形成，造成了K＋及其他重要离子从细胞内渗漏，最后引起细胞死亡［14］；Iturin以及Fengycin是抑制病原真菌的重要因素，能够干扰植物真菌病原体的胞内过程，特别是抑制毒素的形成［15］；Bacillomycin D会导致病原菌细胞壁与细胞膜遭受严重的破坏，菌丝与孢子都出现严重的质壁分离以及细胞质外渗现象［16］。

经研究发现，Surfactin在解淀粉芽孢杆菌对核盘菌、山药腐皮镰刀菌和立枯丝核菌的平板拮抗过程中是主要的参与物质［16］；Iturin可以导致大丽轮枝菌的细胞溶解和细胞质外泄［17］；Fengycin参与了解淀粉芽孢杆菌对尖孢镰刀菌、禾谷镰刀菌、大丽轮枝菌、疫霉和山药腐皮镰刀菌的拮抗过程［16，18］；Bacillo⁃mycin D是解淀粉芽孢杆菌抑制病原菌禾谷镰刀菌和尖孢镰刀菌的主要脂肽类物质［16，19］。

1.1.2 聚酮类化合物 解淀粉芽孢杆菌产生的聚酮类化合物具有抗细菌活性，能够抑制植物病原细菌的生长。聚酮化合物是由聚酮合成酶（PKS）催化合成的，PKS是一类复杂的多酶体系，大部分以脂酰为底物，通过重复的脱羧缩合过程产生线性聚酮化合物或环状的酮内酯，产生过程类似于脂肪酸合酶催化的脂肪酸生物合成的过程［20］。产生的聚酮类化合物有Difficidin、Bacilysin、MacrolactinA和Bacillaene。

Difficidin为一种高度不饱和22元大环多烯内酯，能够抑制蛋白质的合成和破坏细胞壁结构［21］，李冰［16］研究发现，解淀粉芽孢杆菌SQR9对茄科劳尔氏菌72.8%的拮抗活性是因为Surfactin与Diffici⁃din的参与。Bacilysin由1个非蛋白胺基酸L-anti⁃capsin和1个L型丙氨酸缩合形成，Bacilysin的抗菌活性依赖于被肽酶水解而成的anticapsin，干扰细菌肽聚糖和真菌甘露糖蛋白的合成，导致细胞壁裂解和细胞溶解［22］。

Macrolactin是由1个包含3个独立的二烯结构的24元环内酯构成，其中MacrolactinA最具抑菌活性［23］。Bacillaene是1种22元不饱和的大环多烯内酯磷酸酯，具有线性结构，与若干顺式双键结合，并具有1个β-分枝，能够抑制原核生物蛋白质的合成，具有广谱抗菌性［24，25］。董月［26］从解淀粉芽孢杆菌的发酵液中分离纯化出2种对青枯病菌茄科劳尔氏菌有抑制作用的物质，经过鉴定，确定这两种物质为MacrolactinA和Bacillaene。

1.1.3 细菌素 解淀粉芽孢杆菌产生的细菌素是通过核糖体合成的一类小分子蛋白类抗菌物质，抗逆性较强，多为环状结构，能够在靶细胞膜上形成孔道，造成内容物外泄或各种平衡机制失调，从而发挥其杀菌作用［27、28］。核糖体合成的细菌素可按照是否含有羊毛硫氨酸分为两类：一种是羊毛硫细菌素，又称硫醚抗生素，是一类在自身核糖体合成，经翻译后修饰形成具有羊毛硫氨酸、β-甲基羊毛硫氨酸等特殊氨基酸的环状多肽［28］，抑菌时不需要特定的膜受体，而是破坏细胞膜的完整性达到抑菌目的［29］。另一种是非羊毛硫氨酸细菌素，杀菌机制是在形成膜孔道之前，与膜交连的受体蛋白产生相互作用，使细胞膜失去稳定性从而产生抑菌作用［30］。Chen等［31］发现与不产生细菌素的无毒菌株相比，浸泡在无毒细菌素悬液中的烟草幼苗根系更能有效地抵御由青枯病菌引起的枯萎病，推测是产生的细菌素抑制病原菌的生长。

1.2 促进植物生长

植物根际是一个非常活跃并且复杂的区域，根系分泌的复杂有机物质可以作为微生物的营养源，供给植物根际促生细菌生长以及发挥其对植物有益的功能。为了在竞争根系分泌物中的营养物质的过程中占据优势，生防菌首先要在根际稳定存活，而后发挥其益生功能［7］。解淀粉芽孢杆菌作为一种生防菌，能够在植物根部定殖［32］，通过调控根际微生物群落多样性，产生赤霉素、吲哚乙酸等物质促进植物生长。

1.2.1 定殖 生防菌的趋化运动性对于根际定殖的起始阶段非常重要，生防菌通过感受根系分泌物中特定的信号物质向根表移动，在抵达根际或根表后，通过感受外界环境信号变化调控生物膜相关基因的激活，聚集在一起开始形成生物膜，进而完成根部定殖［33］。刘云鹏［8］研究发现，D-半乳糖对解淀粉芽孢杆菌SQR9具有很强的吸引作用，外源添加D-半乳糖能够促进SQR9根际定殖，通过对甲基化趋化受体蛋白（MCP）的敲除和进一步的趋化试验，发现McpA是负责感受D-半乳糖的惟一受体，D-半乳糖不仅能够吸引SQR9，而且能够以McpA依赖型的方式促进SQR9生物膜的形成。对玉米幼苗进行的离体研究表明，离主根基部2～8 cm的片段是解淀粉芽孢杆菌FZB42定殖最多的区域，而在莴苣幼苗中，细菌定殖主要发生在原根和根毛上，以及根尖和邻近的边缘细胞上，说明解淀粉芽孢杆菌能够很好地在植物体内定殖［34］。

1.2.2 促进生长 解淀粉芽孢杆菌能够调控根际微生物群落多样性，通过产生吲哚乙酸、赤霉素、细胞分裂素等物质促进植物生长。黎妍妍等［9］施用解淀粉芽孢杆菌对烟草根际进行处理，结果发现，在大田中使用解淀粉芽孢杆菌能够使土壤中的有益微生物（如木霉菌、赤霉菌）比例上升。已有研究表明，较高的子囊菌门和担子菌门有利于分泌消化酶将土壤中的有机物质（如纤维素、木质素等）分解为小分子，促进土壤C循环［35］。木霉菌（Trichoderma）可直接与根系相互作用，通过产生生物活性物质促进植物生长，进而抵抗生物侵染和非生物胁迫［36］。赤霉菌（Gib⁃berella）可分泌赤霉素，促进植物生长［37］。李晴晴等［38］在水稻大田种植中施加解淀粉芽孢杆菌菌剂FH-1，分析显示菌剂FH-1处理土壤中富集的微生物有19个，主要包括绿弯菌门、芽孢杆菌纲、芽孢杆菌目、浮霉菌纲、红螺菌目、生丝微菌科、红螺菌科等，因此推测解淀粉芽孢杆菌是通过调控根际微生物群落结构来促进植物生长和发育。

1.3 竞争作用

解淀粉芽孢杆菌能够分泌嗜铁素，嗜铁素通过配基的螯合使环境中的铁浓度降低，使病原菌缺铁而不能生长繁殖，进而达到控制植物病害的目的。铁元素在植物生长过程中发挥重要作用，铁可以合成多种氧化物酶和过氧化物酶的辅基，同时也是叶绿素和各种细胞色素的主要成分，植物缺铁易导致失绿症发生，严重时造成植株白化［39］。土壤中可供植物直接利用的铁元素有限，已有学者证明，在缺铁条件下，解淀粉芽孢杆菌可以产生嗜铁素吸附土壤中的Fe3+，通过螯合作用运至植物体内，供给宿主植物的生长所需，甚至可以与植物病原微生物竞争生物体直接可利用的Fe3+，间接促进植物生长，同时抑制病原物对其的侵害［10、40］。

1.4 诱导植物抗性

解淀粉芽孢杆菌产生的拮抗物质可作为激发子诱导植物系统抗性，从而降低土传病害的发生。诱导系统抗性（Induced Systemic Resistance，ISR）途径，主要是指非病原物作用于宿主植物后，激活了该植物自身的物理或化学屏障，从而产生系统抗性的过程［41］。研究发现，在解淀粉芽孢杆菌所产生的根系分泌物中检测到的抗真菌脂肽物质有90%是Surfactin，在定殖7 d后检测到少量的Iturins和fengycin。此外，在解淀粉芽孢杆菌定殖的植物根附近，未检测到抗菌聚酮等生物活性化合物［42-44］。因此，推测解淀粉芽孢杆菌可能是激发了ISR，增强了植物对病原的防御能力。刘云鹏［8］在解淀粉芽孢杆菌SQR9基础上，构建了若干个突变体菌株，分别缺失了Feng⁃cycin、Surfactin、Bacillomycin D、Bacillaene、Difficidin、Macrolactin、Bacilysin，测试这些突变体在诱导植物抗性中对抗病原菌时的差异，结果显示，缺失任一物质均导致SQR9对植物的抗性诱导能力显著降低，由此可见，解淀粉芽孢杆菌所产生的激发子能够通过不同防御信号途径协同诱导植物对抗不同植物病原菌的能力，而产生的拮抗物质在该过程中起主要作用。在大豆和番茄中，Surfactin和少量的Fengycin可作为诱导宿主植物免疫的诱导因子，有助于增强大豆和番茄植株对病原微生物的抗性［11］。王雪等［45］研究发现，解淀粉芽孢杆菌FS6菌株能够在人参植株内定殖传导，且能在一定程度上诱导人参产生抗病性。

2 解淀粉芽孢杆菌的生防应用

解淀粉芽孢杆菌作为生防菌，在农业上用于处理土壤和种子，防治植物土传病害，除此之外，解淀粉芽孢杆菌还能与其他的生防菌混合使用，且不受杀虫剂、杀菌剂的影响。

2.1 土壤处理

解淀粉芽孢杆菌可作为杀菌剂处理土壤，不仅对土传病害病原菌有较好的抑制作用，还可促进植物生长。目前，国内登记的解淀粉芽孢杆菌杀菌剂剂型较少，主要有以下几种（表1）。

表1 部分国内登记的解淀粉芽孢杆菌杀菌剂制剂

国内对解淀粉芽孢杆菌的研究报道比较多，但是对于其剂型的研究却是近几年开始的，李西会等［46］将解淀粉芽孢杆菌Q426研发成可湿性粉剂，对尖孢镰刀菌有较好的抑制活性；魏娇洋等［47］将解淀粉芽孢杆菌X-278研发成片剂，该片剂不仅对棉花黄萎病有较好的防治效果，还可提高棉花产量；张俊祥等［48］将解淀粉芽孢杆菌GB1发酵菌液制成水悬浮剂，发现其有较好的稳定性。实践证明，在土壤中引进生防菌剂能够有效地防治作物土传病害，并且能促进作物的生长。

2.2 种子处理

种子包衣是防治土传病害的有效手段，目前的种子处理剂多为化学农药，而微生物的种子处理剂非常少。在国内，尚未发现解淀粉芽孢杆菌种子处理剂的登记，而国外已经取得若干种子处理剂的登记如表2所示［49］。

表2 部分国外登记的解淀粉芽孢杆菌种子处理剂

目前，在国内，已有学者利用解淀粉芽孢杆菌开发成种衣剂的研究，如董丽萍等［50］将解淀粉芽孢杆菌B9601-Y2与吡虫啉、多菌灵复配在一起，制成丸化种衣剂，用于油菜种子包衣，该种衣剂可以防治蚜虫和土传病害。

2.3 与其他生防菌混合使用

将不同的菌株混合使用，不仅能够通过不同机制抑制病原菌，增加其抑菌广谱性，同时也可以减少菌株的选择变异性，提高防治效果。杨定祥［51］将木霉菌菌株与解淀粉芽孢杆菌菌株的固体发酵物混合，发现混合后的发酵物对辣椒疫病有一定的田间防病效果，并对辣椒生长具有较好的促进作用。

3 问题与展望

近年来，解淀粉芽孢杆菌己经成为菌剂研制开发的热点，该生防菌不仅具有产生抗菌物质、诱导植物系统抗性等特性，还能有效地抑制病原菌的入侵，提高植物的抗性，促进植物的生长。虽然解淀粉芽孢杆菌己经被大量的研究报道，但其在田间的生物防治作用仍存在很多问题，主要表现在：①用解淀粉芽孢杆菌对土壤进行处理时，受土壤温湿度、酸碱度等外界因素的影响，导致其防病促生效果不稳定。②在使用解淀粉芽孢杆菌防治植物土传病害时，不同的植物，不同的病害，所使用的剂量也不相同，剂量的过高过低对植物有不同的影响［52］。③对于解淀粉芽孢杆菌防治植物病害，大部分抑菌试验是在室内进行，与田间试验的防治效果差异较大。

为了解决这些问题，未来应该在以下几个方面进行研究：①对解淀粉芽孢杆菌菌株进行改良，提高菌株的生防活性，开发新型的解淀粉芽孢杆菌菌株。②加强解淀粉芽孢杆菌与其他生防菌剂联合使用的研究，使多种生防菌剂协同增效，增加其抑菌广谱性，最大化利用土壤中的养分，改变土壤微生物群落结构，从根本上解决土壤障碍问题。③提高解淀粉芽孢杆菌生物农药的质量，增强解淀粉芽孢杆菌适应环境胁迫的能力，同时加强新型剂型的开发，以减少外界环境对解淀粉芽孢杆菌活性的影响。