芽孢杆菌在植物细菌病防治中的应用

蒲林瀚 曲彦达 刘文钰

（沈阳工学院生命工程学院 辽宁抚顺 113122）

1 芽孢杆菌相关概述

芽孢杆菌是一种具有兼性厌氧特性的革兰氏阳性菌，它可以产生能够抵御高温、干燥、电磁辐射、紫外线和一系列有害化学物质的粒子。芽孢杆菌是重要的资源微生物之一，与人类活动息息相关。芽孢杆菌在土壤、植物、动物的肠道、空气和水环境中很常见，很容易从土壤和植物中分离出来，具有抗逆能力强、所需营养简单、繁殖迅速、稳定等生物特性。常见的有枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌，此外还有短小芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌以及巨大芽孢杆菌等。在工业中可以用作生产酶、抗生素，能够促进植物生长，在植物虫害防治中被广泛应用。

芽孢杆菌具有培养周期短、培育速度快、代谢产物复杂多样、与病原菌相互作用方式多、便于进行人工培养等特点，因而日渐成为生防菌的优势菌源。但并不是所有芽孢杆菌都是对人类有利的，某些芽孢杆菌能污染乳制品等食品，导致食品安全问题出现。芽孢杆菌在生产中应用十分广泛，在科学研究领域中的贡献价值不可估量。随着2007年解淀粉芽孢杆菌FZB42全基因组测序的公布，使其产生抗菌物质的相关研究逐步地深入，并成为近些年来的研究和应用热点。并在2010年的实验室研究中证实了解淀粉芽孢杆菌B12发酵液对黄曲霉的孢子萌发和菌丝的生长有明显的抑制作用[1]。芽孢杆菌属是用于病原体和害虫生物控制的最广泛的微生物群之一，其会产生各种各样的代谢产物，这些代谢产物可以抑制细菌、真菌、昆虫、线虫和病毒等生物的生长和功能。芽孢杆菌属物种的基因组中充斥着涉及次生代谢产物生物合成的机械代码，这些机械代码显示出抗菌特性。它还可通过产生抗菌化合物、酶或毒素来直接抑制害虫和病原体的生长，而间接地，植物免疫反应可能是由特定的细菌引发剂触发的。由芽孢杆菌产生的抗菌化合物和毒素由于其可能的商业开发前景而显得特别重要。

2 芽孢杆菌的作用机制

芽孢杆菌属植物促进植物生长的各种直接和间接机制包括固氮、磷和其他养分的增溶和矿化，植物激素的产生，铁载体、抗微生物化合物和水解酶的产生等。芽孢杆菌这种细菌可以被认为是植物和环境的主导群体，所以许多优良菌株表现出能够对多种植物病原菌起到拮抗作用。抗菌的机制主要表现在竞争、细菌溶解、抗病等方面，还有最主要的相互拮抗作用。抗生素芽孢杆菌具有良好的抗生素效果，通常是由一系列的矛盾因素或抗生素机制引起的。

2.1 拮抗作用

拮抗意味着由一种微生物产生的物质可以抑制或杀死另一种微生物，芽孢杆菌抑制病原菌的主要途径就是通过拮抗作用。微生物拮抗剂在代谢活动中直接起到抑制病原体的作用。拮抗剂是保护物质的基础，对病原微生物均可表现出拮抗作用，包括拮抗蛋白方面和抗生素方面。芽孢杆菌在生长和代谢过程中释放一些活性酶或蛋白质，抑制植物病原素，使植物具有良好的繁殖效果。芽孢杆菌所产生的酶类主要包括溶菌酶、氨基酸转移酶、酰胺酶和纤溶酶以及氧化酶[2]。不同的抗菌素结构不同，不同的抗菌素机制也不同，一些抗菌素释放出一系列相同的抗菌素结构，说明抗菌素协同作用是存在于应用的。

2.2 促生作用

有些芽孢杆菌是促进植物生长的细菌，可以通过合成多种不同的促生长激素来促进植物的生长。生长素、赤霉素、细胞分裂素、乙烯（ET）和脱落酸是植物生长促生菌在土壤中产生的植物激素。在不同种类的芽孢杆菌中都有促生长激素的产生，芽孢杆菌作为植物生长促生菌在许多不同的田间和园艺作物中的应用已有报道。两株多功能菌株Bacillus sp.和B.cereus具有溶解磷、钾和锌的能力以及对稻瘟病菌和镰刀菌有抑制活性的能力，在basmati水稻品种中表现出增产[3]。在田间条件下，研究巨大芽孢杆菌和安全双歧杆菌对小麦根冠干重和种子重等生长参数的影响[4]。来自德国的B.velezensis FZB42，一种商业微生物效应剂，当接种在玉米植株上并施用堆肥时，明显影响生长和养分吸收。光合活性的增强还表现在接种植物叶片中γ-氨基丁酸代谢物、葡萄糖、果糖和丙氨酸的增加。磷增溶剂B.megaterium mj1212能促进芥菜的生长，提高叶片中叶绿素、蔗糖、葡萄糖、果糖和氨基酸的含量，提升芥菜的光合活性[5]。从苹果根际土壤中分离到的循环芽孢杆菌CB7具有多方面的植物促生长特性，如磷的增溶，生长素、ACC脱氨酶和铁载体的产生等，对温室条件下番茄植株的生长有积极的影响。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）能影响洋葱的生长和产量。在马铃薯、棉花、小麦、番茄、草莓和莴苣等多种作物的生长过程中，植物生长促进模型芽孢杆菌FZB42和生防芽孢杆菌已被证明具有促进生长和抑制病害的作用[6]。

2.3 竞争作用

竞争是芽孢杆菌对抗其他有害微生物的关键机制，它可以通过快速生长和繁殖从而夺取水、汲取营养、占有适合生长的空间，还可以利用代谢作用消耗氧分等剥夺甚至全部占有同一生物环境中的某些致病菌。对营养的剥夺和对空间位置的占据体现了芽孢杆菌的竞争作用，以及空间竞争的位置，其主要活动在植物根际、植物体内和土壤中。

2.4 诱导抗性作用

产生抗药性是抗菌的一个重要方面。芽孢杆菌不仅直接抑制细菌，而且通过激发植物的抗病潜力来增强植物的抗病能力。事实证明，有益微生物可以诱导植物免疫系统的激活，从而暂时赋予植物对病原体和昆虫的抗性。诱导抗性一般在诱导部位表达，但在植物其他部位也有表达，被视为系统抗性。一般而言，诱导抗性可提高对抗广泛生物入侵的防护水平。与先前接触病原体或害虫而引发的系统获得性的抗性不同，微生物介导的系统抗性通常通过茉莉酸（JA）和ET进行协调。

2.5 生物膜作用

生物防治领域中的最新研究已考虑将根部定植和生物膜形成作为激发生物防治活性的机制之一。已知宿主植物的根系分泌物和脂肽（如细菌霉素和表面活性素）会在不同的细菌中诱导生物膜的形成。越来越多的研究结果表明，在根际和根际平面中生物膜的形成可用于病原体的生物防治，因此有必要开展更多的研究。

2.6 溶菌作用

由于其代谢的多样性，芽孢杆菌属众所周知能够产生许多水解酶。在这些酶中，几丁质酶、β-1，3-葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、脂肪酶和蛋白酶具有特殊的重要性，因为它们能够降解真菌细胞壁的成分，如几丁质、β-葡聚糖和蛋白质。已知枯草芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、贝莱斯芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌等多种芽孢杆菌可产生几丁质酶[7]。短小双歧杆菌SG2分泌的高效几丁质酶对禾谷镰刀菌、立枯病丝核菌、稻瘟病菌、灰霉病菌等具有抑制作用[8]。已证明，蛋白酶和葡聚糖酶的作用可破坏细胞壁，贝莱斯芽孢杆菌HYEB5-6可控制炭疽菌。同样，由芽孢杆菌产生的蛋白酶和β-1，3-葡聚糖酶也被认为是控制油菜菌核病引起茎腐的手段之一[9]。冈萨雷斯·庞塞等人[10]的研究显示，与天然HD-73菌株相比，融合几丁质酶和Cry1Ac的苏云金芽孢杆菌HD-73对节食夜蛾具有更高的毒性。

3 芽孢杆菌的生防应用

现在已经有很多优良的芽孢杆菌被筛选出来，它们的菌株在生产过程中和实践中获得了应用，由于很多芽孢杆菌可以抗多种植物疾病、对人类和宠物无害、不污染环境，因此成为植物生长和提高免疫不二选择。同时，由于符合消费者和产品的安全需求，在农业生产综合治理和防治疾病中发挥着至关重要的作用，产生了巨大的经济效益和社会效益，所以很多方面即将或者已经成为投入生产的商品制剂。

4 总结与展望

芽孢杆菌是大多数土壤中主要的可培养土壤细菌之一，其以可以发挥多种植物有益作用而闻名。由于具有遗传和代谢的多样性，芽孢杆菌能够很好地适应各种环境条件。其具有广泛的环境适应性和多种有益性状，是生物肥料或生防菌的理想选择。芽孢杆菌和其他土壤微生物之间的相互作用也得到了很好的研究，并在一定程度上得到了商业开发。尽管芽孢杆菌作为植物生长促进剂的研究远远多于其他细菌，但它们在作物和地理区域的适用性却非常有限，有必要将重点放在芽孢杆菌的田间应用上。芽孢杆菌具有多种功能特性，菌株可应用于多种作物上，并且可以适应不同的农业气候条件，在农业生物技术中具有巨大的应用潜力，接下来研究人员需要通过更加集中的研究和田间条件下作物生产力的测试来扩大芽孢杆菌的实用领域。