芽孢杆菌防治马铃薯主要病害的研究现状与展望

汝甲荣 明立伟 李志新 张金鹏 赵 雪 刘卫平 李长辉 王怀鹏 史乔丹 刘玲玲

（黑龙江省农业科学院克山分院，齐齐哈尔 161005）

粮食安全是全球重要问题，保障粮食供应是世界农业发展的核心使命。马铃薯因其营养丰富，维生素C 和维生素B 含量远超于苹果，被国际粮农组织美誉为“被埋没的宝物”，有“地下苹果”之称[1-2]。目前马铃薯在我国有着广阔的生产前景，与其他作物相比优势巨大，是我国最有发展前景的经济作物之一[3]。马铃薯主食产业化是促进马铃薯产业跨越发展的有效途径，是满足居民膳食结构转型升级的重要选择，对促进农业可持续发展、确保国家粮食安全意义重大[4]。

随着马铃薯主粮化战略的实施与推进，我国农业生产对马铃薯的种植和加工业逐渐重视起来，如何保证马铃薯增产增效成为业内讨论的重要问题，但由于我国马铃薯种植面积较广且栽培环境复杂，马铃薯生长过程中常受到病原菌的侵染，严重影响马铃薯的产量和品质[5]。其中真菌性病害在马铃薯栽培中发生最频繁，危害也最严重。马铃薯主要真菌性病害包括马铃薯晚疫病、环腐病、早疫病、黑痣病和枯萎病[6]，这些病害的出现，给中国马铃薯产业稳定、可持续发展带来了威胁。一直以来化学杀菌剂作为主要的病害防治手段，因其作用效果快等优点被广泛应用，但是长期不合理的施用带来“3R”（Resistane，Resurgence，Residue）问题，即会使农药大量残留，对水源、土壤和空气等环境造成污染，农作物病原菌产生抗药性且农药残留还会对人体造成影响。随着生物科技的不断发展，更多绿色、安全、高效和环保的生防方式被开发利用，高效的生防菌被大家所重视。生防菌能够直接或者间接地改良土壤、恢复土壤肥力、预防土传病害、维持根际微生物区系平衡和降解有毒物质等[7]。目前已经成熟的、进行商业化的生防菌主要类别为枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢杆菌（Bacillus lichenformis）、解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）、绿针假单胞菌（Pseudomonas chlororaphis）、哈茨木霉（Trichoderma harzianum）、灰绿链霉菌（Streptomyces griseoviridis）等[8]。芽孢杆菌因其获取方面，耐高温、耐盐碱，物美价廉，在农业生产中应用广泛，本文旨在研究芽孢杆菌在马铃薯早疫病、晚疫病及疮痂病等方面的防治效果，并对其进行整理及探讨，为后续进一步探究生防菌用于作物提供借鉴和方向。

1 芽孢杆菌对马铃薯早疫病的影响

1.1 发病症状马铃薯早疫病在全球马铃薯种植区均可发生，由坏死性不完全的真菌引起，是影响全球马铃薯产量的重要病害，其中最常见的是A.solani和3 种小孢子物种（A.alternata、A.infectoria.和A.tenuissima）。马铃薯早疫病发病较快，初期侵染时主要在植株下部的叶片形成圆形褐色斑点，直径约为3.5mm，且易发生于较老叶片，侵染后期病斑迅速扩大蔓延至植株上部，形成棱角型病斑后坏死[9-11]。马铃薯早疫病侵染块茎后，表皮形成褐色突起，块茎周围有圆形至不规则形状的轻微凹陷，且变软[12]。马铃薯叶片掉落后，马铃薯早疫病因其分生孢子具有较强的生存能力，能够在冬天的泥土里存活，导致翌年种植发生二次侵染，加重马铃薯早疫病的病害。

1.2 流行特点马铃薯早疫病病原菌生存的环境条件影响着马铃薯早疫病的发生和流行。温暖、潮湿的环境条件有利于马铃薯早疫病的发生，在适宜温度下形成的孢子囊可借助风、雨、气流等媒介传播，形成再次侵染。研究发现，平均气温在11～15℃，相对湿度超过70%，植株会遭到早疫病的侵害；气温20～25℃，相对湿度80%以上，马铃薯早疫病将迅速流行。疏松的沙质土壤若有机质含量较少、肥力较弱、所需营养元素不均衡，长势较差的植株早疫病发生严重。在雨后，病原菌会随雨水进入土壤内，致使病原菌在土壤内生长，播种时期不适、施肥不科学、田间排水不良、种植过密及常年连作重茬地易导致马铃薯早疫病发病严重。收获时机械损伤多，贮藏环境温度偏高、通风不畅发病也较重。

1.3 生物防治研究发现，芽孢杆菌形成的抗菌物质会扭曲细胞，抑制孢子萌发，同时芽孢杆菌还可以诱导植株获取抗性，因芽孢杆菌属具有独特的快速复制能力并表现出广谱抗生素活性，这些抗性对于病害都有不同的防治效果，其作为植物细胞激活剂，诱导植物获得抗性[13]。不同种芽孢杆菌具有不同生防效果，例如枯草芽孢杆菌的特定有益菌株可有效控制许多真菌病害，包括由病原体青枯链孢菌引起的链格孢杆菌病。解淀粉芽孢杆菌可产生抑菌物质，抑制革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌等多种病原菌。这些物质还具有抗病毒、抗支原体、抗原性蠕虫等生物防治活性；同时还具有较强的抗真菌活性，能抑制病原菌的生长。其中，丰原素具有广谱抗菌活性、低毒、耐药等特点[14]。

许多学者研究发现，部分芽孢杆菌对马铃薯早疫病有较好的防治效果。王怡凡等[15]筛选出1株拮抗细菌WK-1，鉴定为枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），WK-1 对马铃薯早疫病的防治效果为88.39%，表明WK-1 对马铃薯早疫病具有较强的抑制作用，可以有效防控马铃薯早疫病的发生。张岱等[16]在筛选出的枯草芽孢杆菌ZD01 的基础上，利用基质辅助激光解析串联飞行时间质谱（MALDITOF-MS）分析手段，对芽孢杆菌分泌的抑菌物质进行成分鉴定，并利用转录组技术分析了抗菌肽丰原素对茄链格孢菌的影响，研究结果表明，枯草芽孢杆菌ZD01 发酵液可显著降低马铃薯早疫病的发病率和病斑面积，经叶片离体试验发现，叶片经ZD01次级代谢产物处理后，茄链格孢病菌拷贝数降低72.86%。同时研究还发现，丰原素为枯草芽孢杆菌ZD01 次级代谢产物抗菌肽中主效抑菌物质，可显著抑制马铃薯早疫病菌菌丝生长，导致菌丝弯曲、表面褶皱、局部膨大等畸形，细胞外分泌物明显增多。经抗菌肽丰原素处理茄链格孢菌孢子后，其萌发率仅为16.67%，表明枯草芽孢杆菌ZD01 对马铃薯早疫病具有良好的生防作用，且主要的作用物质为丰原素。韩龙等[17]筛选出1 株解淀粉芽孢杆菌D1，研究发现，当菌液浓度为4%时，D1 的抑菌率为68.59%，菌液浓度达到32%时，D1 的抑菌率为100%，致使马铃薯早疫病病原菌不能生长，表明解淀粉芽孢杆菌D1 对马铃薯早疫病有较好的抑制作用，在马铃薯早疫病的防治中具有潜在的应用价值。

2 芽孢杆菌对马铃薯晚疫病的影响

2.1 发病症状马铃薯晚疫病是制约马铃薯产量和品质的影响因素之一，其导致马铃薯茎叶死亡和块茎腐烂，是一种毁灭性卵菌病害，其病原菌为致病疫霉（Phytophthora infestans），具有很高的流行性[18]。马铃薯晚疫病的主要发病部位是叶片、茎和茎块，病害早期先从植株下部的老叶叶尖开始，形成水渍状褪绿斑点，病斑周围有浅绿色晕圈，且在潮湿条件下逐渐扩大，颜色变成黑灰或黑褐色，周围产生霉层。叶片的病原菌可逐渐侵染蔓延至茎秆及叶柄，使其表皮产生褐色条斑。薯块受到侵染后，表面形成不规则状褐色病斑，病斑下面的薯肉呈深度不等褐色坏死斑，受致病疫霉侵染的马铃薯抗性降低，储藏期间易被其他腐生菌侵染而软腐。

2.2 流行特点从马铃薯晚疫病的流行角度分析，可分3 个发病阶段：首先为病株中心发病阶段，其次是病情逐渐蔓延阶段，最后是病情发生严重阶段，蔓延趋势为中心向四周扩散[19]。多数植株叶片出现个别病斑后，则进入了普遍蔓延阶段，从中心病株出现经过15d 左右后病情蔓延，病情严重阶段大量植株枯死[20]。

2.3 生物防治国内外早有对微生物制剂的研究，自1887 年科学家发现豆科植物根瘤具有固氮功能，并且根瘤菌的纯培养获得成功后，微生物的研究与应用得到了迅速的发展。我国微生物制剂的研究应用始于豆科植物应用根瘤菌接种剂，20 世纪50 年代一些细菌肥料从苏联被引进，如磷细菌和自生固氮菌等；70 年代放线菌制剂被推广，如“5406”抗生菌肥料和固氮蓝藻；70 年代至80 年代中期开始研究推广VA 菌根；80 年代中期至90 年代联合固氮菌被推广使用[21]。如今微生物防治植物病害在众多科研工作者努力下，已经有很大的进展，而马铃薯晚疫病病害原因具有多样性和复杂性，芽孢杆菌具有一定的生物防治效果，被大众逐渐开发重视[22]。

已有报道许多拮抗微生物已被用作生物防治剂来抑制马铃薯晚疫病的侵扰并减少合成杀菌剂的使用[23]。其中最具有生防潜力和商业价值之一的生防菌——芽孢杆菌，日益受到人们的重视，国内外各界学者纷纷探究其生防机理，是当前开发生防资源的研究热点[24]。因为芽孢杆菌能够产生耐热、耐旱、抗紫外线和抗有机溶剂的内生孢子，所产芽孢可制成粉剂、可湿性粉剂等各种剂型，且与化学农药混用后不失活，是理想的生防菌筛选对象。

黄保全等[25]研究发现，枯草芽孢杆菌对马铃薯晚疫病的防效为80.59%，能够增加马铃薯产量且对马铃薯生长无不良影响，连续使用可改善土壤微生态，促进作物生长，增强抗病性，提高马铃薯产量和商品性；2021 年学者Rani 等[26]研究发现，芽孢杆菌显著减少马铃薯晚疫病病变区域面积，培养滤液浓度为100%时效果最显著，证明芽孢杆菌对致病菌群有显著的拮抗作用；2020 年Sorokan 等[27]多位学者研究发现，枯草芽孢杆菌26DCryChS 菌株能够从苏云金芽孢杆菌B-5351 中产生Cry1Iaδ-内毒素，所产生的Cry1Iaδ-内毒素是B-5351 成为1 株具有综合杀菌剂和杀虫活性菌株的关键因素，Cry1Iaδ-内毒素能够很好地抑制马铃薯晚疫病的菌丝生长，与未处理的植物相比，植物的晚疫病症状发展减少了35%，并对马铃薯甲虫具有杀虫活性，表明使用以枯草芽孢杆菌26DCryChS 为基础的生物防治剂，可作为一种植物综合保护的替代策略。

3 芽孢杆菌对马铃薯疮痂病的影响

3.1 发病症状马铃薯疮痂病（Potato common scab）是由腐生性丝状革兰氏阳性链霉菌疥疮链霉菌（Streptomyces scabies）、酸性疮痂链霉菌（S.acidiscabies）和肿痂链霉菌（S.turgidiscabies）等多种植物致病性链霉菌引起的土传兼种传病害[28]。病薯症状主要表现为疮痂病病原菌在马铃薯表面形成褐色木栓化病斑，严重时呈疮痂状，外观的破坏对于马铃薯商品化有较为不良的影响[29]。

马铃薯疮痂病可以在马铃薯块茎内和土壤内过冬，继续侵染次年的马铃薯，其致病菌可在土壤内存活10 年之久。马铃薯疮痂病主要侵染的部位为马铃薯块茎，对于马铃薯地上部位无较大影响，发病初期薯块表面形成浅褐色小斑点，随着侵染面积加大，马铃薯块茎出现较大的斑块，且形状多表现为不规则形，主要形状为凸起病斑。

3.2 流行特点马铃薯疮痂病病原菌能够种传和土传，其中种植带菌种薯是马铃薯疮痂病发生和传播的重要途径，白色薄皮品种易感染疮痂病，褐色厚皮品种相对薄皮品种不易感染。现有研究表明，马铃薯疮痂病中的致病性链霉菌一旦在土壤中建立，就极难根除，其可以在马铃薯作物之间持续数年，且被感染的马铃薯块茎表面常出现凹陷或凸起的坏死病变，严重影响块茎品质[30]。马丹丹等[31]研究发现，马铃薯疮痂病较重发生时，在植株的地上、地下组织中均可检测到疮痂病病原菌，其中块茎的含菌量随病害的发展明显增加，土壤中的疮痂病菌在马铃薯块茎膨大期明显增加，根际土的含菌量高于自由土。

3.3 生物防治国内外已有芽孢杆菌作用于马铃薯疮痂病方面的相关报道，Li 等[32]通过拮抗试验获得了110 株分离株，发现其中1 株芽孢杆菌AMCC 101304 对马铃薯疮痂病病原菌中疥疮链霉菌有较好的防治效果。试验证明，施用AMCC 101304 后，马铃薯发病率由100%降至34.19%，效果较为显著。Chen 等[33]研究发现，侧孢芽孢杆菌AMCC5 在土壤中能够稳定定植，使马铃薯收获期链霉菌病原菌群从土壤中显著减少，病害严重程度显著降低，生防效果高达70.51%，表明AMCC5 对于马铃薯疮痂病有较好的生防效果。糜芳等[34]在土壤中分离获得的1 株解淀粉芽孢杆菌Ba002，通过试验证明其对马铃薯疮痂病病原菌有一定的抑制作用，通过田间试验与盆栽试验发现，施用Ba002 后，马铃薯疮痂病防治效果分别达到59.72%、66.44%，且与传统化学农药多菌灵防治效果相比，施用Ba002 的防治效果显著提高，田间试验结果表明，Ba002 能够提高马铃薯产量。前人研究结果表明，生防菌芽孢杆菌在马铃薯疮痂病生物防治方面具有显著的作用，同时为未来微生物菌剂替代传统农药防治马铃薯疮痂病提供理论依据。

4 展望

本文总结了一些研究报道，证明部分芽孢杆菌能够对马铃薯部分病害起到生物防治效果，发现芽孢杆菌对于马铃薯病害是一种有效的生物防治手段，具有广阔的研究前景，能够为农业可持续发展提供有力的技术保障。基于对现有研究结果的理解，对芽孢杆菌的前景进行分析展望。

研究表明，芽孢杆菌对马铃薯病害具有较为有效的抑制作用，能够起到很好的生防作用，但是多数试验都是在室内温室进行的微生物拮抗试验与植株表达试验，应用到田间的试验较少，而室内试验的环境是人工可控的，田间试验的环境则较为复杂且不可控制，每年的种植环境与气候变化多样且复杂，因此想要更好地将有效菌株应用到生产实践中，并将其作用发挥到最大化，应提高生防菌株的生物防治效率。本研究认为加强生防菌株的实践基础研究也很有必要，例如开展较多的、连续性的田间试验，进行同种菌株不同地域、不同环境的试验，加强生防菌株在不同土壤中的适生性（如存活、定殖和繁衍等），探索芽孢杆菌与作物根系土壤微生物的互作关系，以便于在田间试验中发现并解决问题，对于植物病害的生物防治具有重要指导作用。