小麦赤霉病生防机制研究进展

周晴晴，路艳琴，陆景倩，李松伟

(河南科技学院资源与环境学院/河南省生物药肥研发与协同应用工程中心，河南新乡 453003)

随着社会发展变革，农业规模化和机械化生产趋势无法逆转，在发展的同时，农田生态环境遭到破坏，伴随着全球变暖，小麦赤霉病未来将会更加流行。作为世界范围内重要谷物类病害之一，小麦赤霉病不仅能造成严重的经济损失，其病原菌产生的毒素也严重危害了人类和牲畜的健康。为了降低小麦赤霉病的发生和危害，全球学者都在努力寻求防治小麦赤霉病的最佳策略。在绿色农业的大背景下，通过对比分析各种小麦赤霉病的防治方法，发现利用微生物及其代谢产物进行的生物防治是绿色健康且顺应时代发展趋势的重要方法之一。因此，本文主要对小麦赤霉病的生物防治方法进行介绍和归纳，重点总结生物防治中的竞争、拮抗、诱导植物抗性以及溶菌寄生等生防机制，以期为小麦赤霉病生物防治提供参考。

1 小麦赤霉病

小麦赤霉病是小麦真菌性病害之一，由禾谷镰刀菌、燕麦镰刀菌、串珠镰刀菌和黄色镰刀菌等多种镰刀菌引起，其中禾谷镰刀菌为我国主要的致病镰刀菌[1-2]。禾谷镰刀菌在侵染小麦时，会产生玉米赤霉烯酮(ZEN)和单端孢霉烯族化合物2类毒素。单端孢霉烯族化合物包括T-2毒素[3]、蛇形毒[4]、脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)[5]、雪腐镰刀菌烯醇[6]、镰刀菌烯酮-X、疣孢漆斑霉素和杆孢霉素[7]。ZEN可使人的免疫系统发生紊乱，毒素摄入过量时还会提高人类患癌症的概率[8]。DON可使人和动物出现恶心、免疫系统紊乱等现象，严重时致畸致癌[9]。小麦赤霉病的发生导致我国各地小麦种植区都遭受了不同程度的损害。近几年，我国小麦主产区小麦赤霉病的危害面积近20%，对我国粮食生产安全造成了严重威胁[10]。由于气候变暖以及耕作制度的改变，小麦赤霉病的发生频率和危害程度逐步增加，已经成为我国小麦生产上的主要病害之一。由于赤霉病病菌自身生长速度快且拥有多种胁迫应答机制，同时，随着化学农药的使用，其抗逆性也随之增强，在这种情况下，赤霉病病菌的生存能力和竞争力逐渐增强[11]。因此，选择绿色、健康的防治策略显得尤为紧迫。

1.1 防治方法

防治小麦赤霉病主要有农业防治、抗病育种、化学防治和生物防治等方法[12]。农业防治可以通过轮作免耕等基础措施改变，但在我国耕地面积紧张的整体背景下，轮作免耕等方式存在现实困难；抗病育种可以提高作物抗性，改良小麦抗性品种是国内外研究的重点，但在推进上有一定困难。一方面缺乏优质种质资源和关键的抗性基因，且赤霉病病菌具有多基因侵染性，抗性评价较为困难[13]。同时，部分抗性基因具有不确定的变异性，此外，作物品系中众多的小效抗性数量性状位点不能有效组合，这些因素都阻碍着抗小麦赤霉病品种的育种进展。另一方面，通过常规育种来培育新的品种需要约10年的时间，改良品种投放市场的紧迫性无法得到及时缓解，不能及时应对小麦赤霉病的发展和危害[14]。因此，需要不断地更新育种技术，如基因组选择、标记辅助选择和标记辅助重复选择等，来加快传统育种进程[15-18]。而小麦赤霉病化学防治也存在一定的健康和环境问题，且过度使用化学药剂会导致病菌对杀菌剂科生耐药性。因此，学者们一直致力于寻找能够代替化学防治的方法。

1.2 生物防治

生物防治广义上是指利用活体生物来抑制其他不良生物生长和增殖的方法[19-20]。这些生物体，特别是微生物，可以通过抑制、控制或减少病原体及其代谢产物来干扰病原体的存活或活性，这些微生物称为生防制剂[19，21]。生防制剂有很多种，包括细菌生防制剂，如芽孢杆菌、假单胞菌、放线菌等；以及真菌生物防制剂，如粉红黏帚霉和球孢子菌等[22-28]。生防制剂能抑制小麦赤霉病病菌的生长，不仅能降低真菌毒素含量，还能够在种子周围形成保护膜进而保护种子免受病原菌侵染[29-30]，在保护小麦的同时，还能够促进其生长[31-34]。生防制剂被认为比现有化学杀菌剂更自然、更环保，是化学杀菌剂理想的替代品，越来越多的生防菌株被发掘用作生防制剂来防治小麦赤霉病(表1)。

表1 生防菌种类、特征及其作用机制

2 作用机制

微生物被广泛地应用于生物防治，人们利用微生物间的作用关系来抑制植物病害的发生和危害，这些作用关系包括直接相互作用、混合途径相互作用和间接相互作用等。其中直接相互作用分为重寄生或过寄生；混合途径相互作用包含分泌抗生素或裂解酶；间接相互作用有营养、空间的竞争和诱导抗性的产生等[19]。根据微生物间的相互作用关系可知，微生物生防机制包括竞争、拮抗、诱导抗性的产生、促进植株生长及溶菌、寄生等几种形式。

2.1 竞争作用

竞争是指微生物间通过竞争营养和生存空间，利于自身生长而不利于对方生长的防治机制[35]。长久以来，竞争营养和空间被认为是生物防治中的经典机制[36]。拮抗菌在与病原菌通过生态物理争夺，竞争位点与营养，具生防能力的微生物会优先吸收利用根系分泌物和根际营养，从而遏制病原菌在植物根系的繁殖和生存[37]。如Armando等从动物消化系统中分离得到的酿酒酵母，其可与禾谷镰刀菌竞争营养和空间，进而抑制其生长[38]。Schisler等从小麦花药中分离的隐球酵母可与病原菌竞争营养和空间，在温室和田间防治赤霉病中发挥作用[39]。解淀粉芽孢杆菌通过抢占结合位点来有效地干扰赤霉病病菌在小麦上定殖和侵染，进而对小麦赤霉病具有防治作用[40]。

2.2 拮抗作用

拮抗是指一种微生物产生的代谢产物，对另一种微生物生长繁殖具有抑制作用[35]，其产生的代谢产物被称为抗菌物质。抗菌物质通过作用于病原菌细胞上靶标来达到干扰其正常生理代谢活动，抑制或杀死病原菌的目的[41]。这些抗菌物质主要有毒素、溶菌酶或蛋白酶(如果胶酶、葡聚糖甘酶、几丁质酶等)、缺陷型噬菌体、抗生素、细菌素或细菌类似物，以及初始代谢途径中的副产物和其他次生代谢产物，如氨类、有机酸、过氧化氢等[42]。程超发现产酶溶杆菌产生的抗菌活性物质热稳定性抗真菌因子(HSAF)，可通过多种方式防治小麦赤霉病，HSAF可影响菌丝、芽管的形态以及孢子萌发点来破坏病原菌的生长；小麦赤霉病病菌的能量代谢途径也受HSAF影响，HSAF也能够造成小麦赤霉病病菌细胞质壁分离，细胞内陷以及脂肪体增多；同时由于HSAF的存在，使小麦赤霉病病菌应对环境胁迫的能力降低，对渗透胁迫因子、细胞膜胁迫因子，细胞壁胁迫因子等更为敏感[43]。

抗生素和抗菌蛋白是生防菌代谢产生的主要抗菌物质之一。其中抗生素包括吩嗪羧酸、双乙酰藤黄酚、吩嗪酰胺、吡咯菌素和丁酰内酯等[44-47]，抗菌蛋白主要有非核糖体小肽、伊枯草菌素、芬荠素、表面活性肽、制磷脂菌素等[48]。

2.2.1 吩嗪类化合物 Hu等在研究小麦赤霉病的生物防治对策中，筛选出假单胞菌抗菌生防制剂Pcho10，根据核磁共振鉴定出Pcho10产生的主要抗菌代谢物为吩嗪-1-甲酰胺(PCN)，吩嗪-1-甲酰胺对禾谷镰刀菌孢子萌发、菌丝生长和DON的产生都具有明显的抑制作用；室内和田间试验表明，假单胞菌Pcho10制剂在小麦穗部有良好的定殖效果，能有效地防治小麦赤霉病[49]。杨楠在小麦病穗上，分离得到1株对禾谷镰刀菌具有抑制效果的绿针假单胞菌，该生防菌能够产生吩嗪-1-甲酰胺，PCN可降低禾谷镰刀菌菌丝的生长速率，干扰菌丝正常形态形成，同时也可以严重破坏禾谷镰刀菌的细胞结构[50]。李宇等在黑龙江漠河泥土中分离得到1株放线菌，对该菌株发酵并对发酵产物进行分离鉴定，得到对小麦赤霉病有抑制效果的新吩嗪生物碱类化合物，将其命名为izuminoside D[51]。

2.2.2 脂肽类化合物 丰原素、伊枯草菌素是芽孢杆菌产生的2种脂肽类化合物，二者对小麦赤霉病都具有抑制效果的。丰原素可通过改变病菌的理化性质，对小麦赤霉病起到抑制作用。Wang等在试验中获得对禾谷镰孢菌具有抑制作用的枯草芽孢杆菌菌株IB，并从发酵液中分离纯化出主要的抑菌物质。经分析确定该抑菌物质为丰原素，它对禾谷镰刀菌菌丝具有渗透破坏作用[52]。伊枯草菌素通过改变病菌的结构，发挥对小麦赤霉病的抑制作用。Gong等从田间小麦病穗中分离得到可产生伊枯草菌素的解淀粉芽孢杆菌S76-3。伊枯草菌素对小麦赤霉病病菌有较强的抗菌活性，伊枯草菌素通过引起孢子形态变化，使质膜与细胞壁分离，最终导致细胞内容物失活，引起液泡化，从而起到对小麦赤霉病病菌的抑制作用[53]。

除丰原素和伊枯草菌素外，还有其他脂肽类化合物，在防治小麦赤霉病发生上发挥作用。多黏类芽孢杆菌产生的邻苯二甲酸二丁酯对禾谷镰刀菌菌丝生长和孢子萌发具有明显的抑制作用，其可使病菌的芽管长度变短甚至不形成芽管，还可使病菌的孢子球变小变形，进而抑制赤霉病病菌孢子的萌发，进而发挥抑制作用[54]。在Roberti等的研究中，环二肽类化合物可有效抑制赤霉病的蔓延，试验发现环-(L-苯丙氨酸-L-脯氨酸)可使禾谷镰刀菌的孢子发生膨大、裂解等现象，将从解淀粉芽孢杆菌中提取的环-(L-苯丙氨酸-L-脯氨酸)喷洒在处于扬花期并已接种禾谷镰刀菌的小麦穗上，与对照组相比，试验组小麦并未呈现枯黄、腐败等赤霉病症状[32]。

2.2.3 醌类化合物 醌类化合物主要包括蒽醌、菲醌、萘醌和苯醌等，具有抗菌活性，被广泛应用于农药领域[55-56]。田月娥等研究醌类化合物对菌丝生长速度的影响，发现茜素和菲醌对小麦赤霉病病菌表现出较好的抑菌效果[57]。吡喃醌类化合物可通过调节基因表达情况来防治小麦赤霉病。其中，吡喃萘醌类Frenolicin B会严重干扰禾谷镰刀菌脂肪酸羟化酶基因的表达，破坏禾谷镰刀菌的细胞质膜结构。同时酸性磷酸酶、碱性磷酸酶以及磷酸渗透酶相关基因的表达也受到抑制，对禾谷镰刀菌的能量代谢和信号转导也产生影响。Frenolicin B干扰禾谷镰刀菌与核苷酸代谢相关基因的表达，从而抑制核苷磷酸、核苷酸、核碱基和细胞氨基酸等多种代谢途径，且与防御作用相关的短链脱氢酶基因和起解毒作用的谷胱甘肽S-转移酶基因显著上调，表明Frenolicin B能对禾谷镰刀菌产生应激反应[58]。

2.2.4 抗菌蛋白 由解淀粉芽孢杆菌产生的含 α-氨基酸糖蛋白可破坏禾谷镰刀菌细胞壁；同时，其对N-乙酰葡萄糖胺的分解合成以及体内可溶性蛋白合成也具有一定的抑制作用，影响禾谷镰刀菌能量和蛋白合成代谢途径，造成菌体吸收还原糖的能力减弱，进而抑制菌丝生长和孢子萌发[59]。刘悦等的研究表明，由枯草芽孢杆菌产生的水溶性拮抗蛋白对小麦赤霉病病菌菌丝生长和孢子萌发都有显著抑制作用，该拮抗蛋白可阻止孢子萌发，造成菌丝体畸形，室内实验结果表明当其浓度达 3.23 mg/mL 时，对小麦赤霉病病菌的拮抗带可宽达18 mm[35]。陆长婴等分离得到对小麦赤霉病具有拮抗作用的抗菌蛋白N1235，通过马铃薯葡萄糖琼脂培养基含药膜片法测定可知发酵液抗菌蛋白N1235可造成小麦赤霉病病菌孢子芽管顶端膨大及菌丝体异常粗短的畸形现象[60]。裴韬等从枯草芽孢杆菌中分离出耐高温、稳定性强的抗菌蛋白P72，发现该蛋白能够抑制禾谷镰刀菌生长[61]。

2.3 诱导植物产生抗性作用

诱导植物产生抗性是指用物理、化学或生物方法诱导植物系统产生抗性。一些生防菌本身或其代谢组分可诱导植物对病原菌产生抗性，激活植物体内的病害防御系统。诱导植物病程相关蛋白(PR)积累、植保素以及其他次生代谢物质合成、水解酶和氧化酶产生等，在宿主细胞上主要表现为细胞壁增厚形成乳突、细胞壁中木质素含量增加、细胞壁机械强度增强等[62-63]。

植物防御反应中的3种信号通路主要包含水杨酸通路(SA)、茉莉酸通路(JA)和乙烯通路(ET)。生防菌利用这些信号通路来诱导植物应对病原菌侵染的抗性[64]，其中，PR与SA信号途径相关，丙二烯氧化物合酶(AOS)与JA信号途径相关，1-氨基环丙烷羧酸(ACC)氧化酶(ACOL)、S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(SAM)和转录因子(ERF)与ET信号途径相关[65]。徐莉等从杜仲叶片组织中分离得到拮抗枯草芽孢杆菌DZSG23，通过SA、JA和ET通路相关基因PR-1、AOS、ACOL、ERF和SAM进行荧光定量试验监测，结果表明拮抗菌DZSG23可激活PR-1和AOS基因表达，增强小麦对病原菌的抗性，可以用作防治小麦赤霉病[66]。植物免疫抗性不但由生防菌菌体诱导产生，同时生防菌组分或代谢物也能激发植物获得免疫抗性，植物体内防御性酶类和病程相关蛋白是诱导植物抗性的主要途径[67]。Jochum等发现小麦在产酶溶杆菌C3诱导下产生赤霉病抗性，用于防治小麦赤霉病[68]。Gong等的研究表明，荧光假单胞菌可以诱导小麦过氧化物酶表达，诱导小麦抗性来抵御禾谷镰刀菌侵染[53]。

2.4 溶菌和寄生作用

溶菌和寄生作用也是利用微生物防治小麦赤霉病的重要机制。生防菌利用其产生且对自身无破坏性的酶或生防物质来发挥溶菌作用，具有极大的开发利用价值[69]。枯草芽孢杆菌的溶菌作用主要体现在2个方面：一方面通过吸附在病原菌菌丝上与其共同生长，随后产生的溶菌物质会使病原菌原生质泄露乃至菌丝体断裂；另一方面产生抗菌物质使病原菌孢子的细胞壁或细胞膜溶解，使细胞壁穿孔、畸形，使孢子的萌发受到抑制[70]。高学文等对枯草芽孢杆菌产生的胞外物质进行分离纯化，得到使小麦赤霉病病菌分生孢子发生畸形的抗菌物质，从而抑制小麦赤霉病的发生[71]。寄生作用也是利用微生物防治小麦赤霉病的重要机制。寄生是指一种微生物在另一种微生物体内生活，并从中摄取生长繁殖所需的营养物质，同时给对方造成一定危害的防治机制[35]。球形孢子菌为禾谷镰刀菌的特异性寄生菌[27]，适用于小麦前期保护，防护小麦花和种子免受病原菌侵染，对小麦赤霉病发病初期具有防治效果[72]。Vujanovic等的研究表明，球形孢子菌还可诱导赤霉病病菌中单端孢子烯和金丝桃素基因的下调表达，降解脱氧雪腐镰刀菌烯醇、3-乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇、乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇和玉米赤霉烯酮等真菌毒素[73-78]。木霉也可产生水解酶破坏病原菌细胞壁，进而通过寄生作用抑制病原菌的生长。Lutz等从环境中分离得到深绿木霉通过寄生作用抑制小麦叶片原位镰刀菌，从而抑制小麦赤霉病[79]。Mukherjee等通过筛选得到了对禾谷镰刀菌具有抑制效果的哈茨木霉，哈茨木霉寄生到病原菌后，可分泌溶解细胞壁的几丁质酶和纤维素酶，然后吸收利用病原菌细胞中的营养，最终导致禾谷镰刀菌死亡[80]。

2.5 其他机制

Chen等在研究小麦穗部假单胞菌和镰刀菌相互作用时，获得1株对小麦赤霉病具有高拮抗活性的假单胞菌ZJU60；FgGcn5是 spt-ada-gcn5-乙酰基转移酶复合物的组蛋白乙酰转移酶，而假单胞杆菌ZJU60分泌的吩嗪-1-羧酰胺会直接影响真菌蛋白 FgGcn5活性，致使禾谷镰刀菌组蛋白乙酰化失调，抑制真菌生长和毒素合成，可知，该拮抗菌可操纵真菌组蛋白修饰来抑制病原菌的生长和毒力[81]。总之，生防菌不仅单个机制在发挥作用，许多生防机制间也相互协作增强生防活性。生物防治赤霉病的策略也被灵活地应用于小麦生长发育的各个时期，防治小麦赤霉病的发生和危害。

3 防治策略

小麦萌发期、扬花期和蜡熟期是感染赤霉病的高发期。不同时期造成被侵染的原因各不相同，种子萌发期，主要是残留在土壤中的病原菌；开花期与蜡熟期，则是弥散在空气与雨水中的孢子。所以，根据不同时期的侵染特点，应选取多种生防菌进行防治。用生防菌处理萌发期小麦以破坏病原菌的生存条件来保护植株生长。根据病原菌在作物残茬上形成子囊孢子越冬习性，宜尽早选用营腐生拮抗菌处理作物残茬，破坏病原菌生长所需要的营养和空间，如Microsphaeropsissp.[82]和粉红螺旋聚孢霉[83]或链霉菌BRC87B等[84-85]。同时，部分拮抗菌具有促进种子萌发和植物生长的作用，通过定殖于植物组织，与病原菌竞争取得优势地位，增强植株抗性[86-88]；扬花期利用生防菌影响禾谷镰刀菌在小麦上定殖和毒素积累[89-90]。有试验对比表明，经过乳杆菌SLG17和解淀粉芽孢杆菌FLN13处理后的小麦，扬花期赤霉病的发病率明显降低至49.6%[91]；入库期，当环境适宜时，已感染病菌的小麦仍能持续积累毒素，因此，在入库前要用生防菌处理小麦，形成对小麦全生育期的有效保护。

4 总结与展望

赤霉病严重损害了小麦的产量和品质，除影响小麦生长外，其病原菌产生的毒素也对人和动物产生极大危害。为减轻并消除小麦赤霉病带来的严重影响，人们积极采取化学防治和抗病育种等多种防治策略，化学防治虽见效快，效果好，但随着用药量和用药次数的增多，环境问题和抗药性问题也随之而来；抗病育种因耗时长、培育费用高而并未得到广泛使用。受环保理念和消费观念影响，人们逐步认识到生物防治是防治小麦赤霉病不可缺少的途径之一。

在小麦整个生育期，使用生防菌能够有效地抑制赤霉病的发生。生防菌在配合化学制剂达到高效杀菌效果的同时，还能降低病原菌产生抗药性的风险；且部分生防菌分离自小麦内部，其具有对植株本身无害且适应性强的特点，更易于定殖于小麦特定组织中。随着生物防治研究的深入，国内外学者总结出多种以生防菌应对小麦赤霉病的生防机制。其一，生防菌通过与病原菌竞争营养和空间来遏制病原菌的繁殖和生长；其二，一些生防菌利用自身分泌的抗菌活性物质来抑制病原菌的生长和扩繁；其三，有的生防菌还可通过分泌溶菌物质或寄生在病原菌上来杀死病原菌；其四，生防菌还可以通过激活植物自身防御系统来增强其对病原菌的抗性。

未来关于小麦赤霉病的研究仍待深入，其生防研究方法将继续推进，虽然现在关于生防菌拮抗机制的研究已存在大量相关文献，但对诱导植物抗性及其他潜在作用机制仍需要进一步研究。通过完善小麦赤霉病生物防治机制，以更有效全面的方式抑制小麦赤霉病发生和发展，多种防治策略协同发挥作用，才能更好利用生防菌来防治小麦赤霉病。