芽孢桿菌防治植物病害的機(jī)理及研發(fā)問題探究,植物保護(hù)論文

芽孢桿菌防治植物病害的機(jī)理及研發(fā)問題探究,植物保護(hù)論文長期以來，植物病害的防治主要以化學(xué)農(nóng)藥為主，化學(xué)農(nóng)藥對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上防治病蟲害起了特別重要的作用，但長期不合理使用化學(xué)農(nóng)藥產(chǎn)生了眾多問題。如化學(xué)農(nóng)藥不僅對(duì)人、畜的健康造成危害，而且對(duì)土壤、水體、大氣造成嚴(yán)重污染，毀壞了生態(tài)平衡；病原菌和害蟲抗藥性的不斷加強(qiáng)，農(nóng)藥的使用量和使用頻度不斷加大，出現(xiàn)了用藥量與病蟲害互相遞增的惡性循環(huán)。因而開發(fā)對(duì)人類和環(huán)境友好、并具良好防治效果的新植物病蟲害防治策略尤為重要[1].隨著人們對(duì)食品安全的日益重視和可持續(xù)控制病蟲害發(fā)展的需要，生物防治遭到各國和植物保衛(wèi)專家的重視。生物防治是以生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)來控制有害生物，是綜合防治體系中一個(gè)必不可缺少的組成部分。生物防治避免了化學(xué)農(nóng)藥使用帶來的一系列植保、環(huán)境和能源方面存在的問題，促進(jìn)了環(huán)境生態(tài)平衡和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。植物微生態(tài)學(xué)理論以為[2]:存在于植物體表或體內(nèi)的微生物群落是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的生態(tài)系，一旦平衡打破，則發(fā)生植物病害；植物病害生物防治是在被病原物占據(jù)主導(dǎo)的生態(tài)系中引入有益的微生物，構(gòu)成不利于病原物生長而利于植物生長的新的動(dòng)態(tài)平衡體系，進(jìn)而控制病害發(fā)生和發(fā)展。近年來隨著分子生物學(xué)技術(shù)、發(fā)酵工程和生物信息工程等新技術(shù)的飛速發(fā)展，為生物農(nóng)藥的研發(fā)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和可靠的技術(shù)道路。芽孢桿菌作為重要的生防資源，具有廣闊的應(yīng)用前景。利用芽孢桿菌防治植物病害，國內(nèi)外報(bào)道較多[3-7].芽孢桿菌在生長經(jīng)過中能夠在寄主植物根、葉圍定殖，與病原菌競爭營養(yǎng)和侵染位點(diǎn)；分泌抗菌物質(zhì)、抑制病原菌生長；誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗病性、抵御病原菌入侵，進(jìn)而到達(dá)生物防治的目的。同時(shí)，芽孢桿菌能夠產(chǎn)生耐熱、耐旱、抗紫外線和有機(jī)溶劑的芽孢，所以是理想的生防菌挑選對(duì)象。很多性狀優(yōu)良的芽孢桿菌菌株已成功應(yīng)用于植物病害的防治。本文就芽孢桿菌類生物殺菌劑的研發(fā)現(xiàn)在狀況、芽孢桿菌防治植物病害的機(jī)理以及在實(shí)踐應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行扼要綜述。1芽孢桿菌類生物殺菌劑的研發(fā)現(xiàn)在狀況芽孢桿菌Bacillusspp.是一類好氧或兼性厭氧、革蘭氏染色陽性、產(chǎn)芽孢的桿狀細(xì)菌。芽孢桿菌產(chǎn)生的芽孢，有較強(qiáng)的抵抗枯燥、熱和紫外線輻射等外界環(huán)境壓力的能力，同時(shí)芽孢桿菌種群中有很多具有特殊功能的菌株，所以在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和食品加工等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[8,9].由于生防芽孢桿菌具有抑制多種植物病原菌的能力，并且是自然界中廣泛存在的非致病細(xì)菌，對(duì)人畜無害，對(duì)環(huán)境友好，因而，備受國內(nèi)外植物保衛(wèi)和環(huán)境保衛(wèi)專家的青睞。當(dāng)前，生防芽孢桿菌廣泛應(yīng)用于植物根部、枝干、葉片以及果蔬采后病害的防治上[10-13].1.1國外生防芽孢桿菌的應(yīng)用現(xiàn)在狀況美國已有3株枯草芽孢桿菌Bacillussubtilis和1株解淀粉芽孢桿菌B.amyloliquefaciens獲得環(huán)保局〔EPA〕商品化生產(chǎn)應(yīng)用許可，進(jìn)入大面積推廣應(yīng)用，并獲得較好的銷售業(yè)績?？莶菅挎邨U菌GB03商品名為Kodiak,由Gustafson公司研發(fā)，主要應(yīng)用于土菌病害防治，十分是棉花和大豆的種子處理，在美國市場的銷售良好?？莶菅挎邨U菌MBI600商品名為Subtilex,由MicrobioLtd公司研發(fā)，主要通過根部使用或拌種防治由鐮刀菌、曲霉菌等引起的豆類、棉花和花生的根部病害?？莶菅挎邨U菌QST713商品名為Serenade,由AgraQuest公司開發(fā)，能同時(shí)防治由真菌和細(xì)菌引起蔬菜和水果的葉面病害。解淀粉芽孢桿菌FZB42和枯草芽孢桿菌GB122混用制成的殺菌劑商品名為BioYield,由Gustafson公司研發(fā)，應(yīng)用于防治蔬菜、櫻桃、葡萄、葫蘆和胡桃的白粉病、霜霉病、疫病、灰霉病等病害。德國將解淀粉芽孢桿菌FZB42用于微生物肥料，解淀粉芽孢桿菌CECT5940作為飼料添加劑。澳大利亞開發(fā)的B.subtilisA-13對(duì)麥類和胡蘿卜立枯病以及其他土傳病害具有很好的防治和增產(chǎn)作用。日本東京技術(shù)研究所的枯草芽孢桿菌RB14和NB22分別對(duì)立枯絲核菌Rhizoctoniasolani、尖孢鐮刀菌Fusariumoxysporum和青枯菌Pseudomonassolanacearum引起的番茄病害有良好的防效。1.2國內(nèi)生防芽孢桿菌的研發(fā)大概情況國內(nèi)科研工作者對(duì)具有生防作用的芽孢桿菌進(jìn)行了廣泛的研究。我們國家利用枯草芽孢桿菌防治植物病害的應(yīng)用研究也到達(dá)了世界先進(jìn)水平，現(xiàn)已開發(fā)出一批生防作用優(yōu)良的枯草芽孢桿菌菌株如Bs-916、B908、B3、B903、BL03、XM16、BII、PRs5、ZH-2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保衛(wèi)研究所陳志誼等[14,15]挑選獲得的菌株Bs-916對(duì)多種病原真菌和水稻白葉枯病菌都有顯著抑制作用，自從1991年至今對(duì)水稻紋枯病田間防效穩(wěn)定在60%~81%,累計(jì)推廣應(yīng)用面積達(dá)800萬hm2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)[16]生防菌B3〔商品名麥豐寧〕對(duì)小麥紋枯病田間防效50%~80%.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)共同研制的微生物農(nóng)藥百抗〔10億孢子/g枯草芽孢桿菌可濕性粉劑〕，已獲得農(nóng)業(yè)部登記注冊(cè)，累計(jì)推廣面積約4667hm2,主要防治水稻紋枯病、三七根腐病、煙草黑脛病。林東等[17]發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌SO113對(duì)水稻白葉枯病菌具有強(qiáng)烈的抑菌作用。胡劍等[18]從枯草芽孢桿菌BS-98中分離純化抗真菌蛋白，發(fā)現(xiàn)該抗菌蛋白對(duì)蘋果輪紋病、蘆筍枯萎病具有很強(qiáng)的抑制作用。顧真榮等[19]評(píng)估顯示枯草芽孢桿菌G3對(duì)菜豆和茄子苗期炭疽病、菌核病以及番茄葉霉病均具有很好的防效。不同生防菌株的抑菌譜、抑菌作用及機(jī)理等有較大差異。如從絲瓜根際土壤分離到的枯草芽孢桿菌TG26[20],對(duì)小麥赤霉病和西瓜枯萎病有較強(qiáng)的抑制作用，對(duì)小麥赤霉病的盆栽防效達(dá)89.8%,對(duì)西瓜枯萎病的苗期防效達(dá)100%.張榮勝等[21]挑選到一株解淀粉芽孢桿菌Lx-11在田間防治細(xì)菌性條斑病菌上防效達(dá)60.2%,顯著高于化學(xué)藥劑20%葉枯唑的防效。王奕文等[22]從甜瓜外表分離到1株解淀粉芽孢桿菌，對(duì)灰葡萄孢、鏈格孢、尖孢鐮刀菌、黑曲霉和粉紅單端孢等8種果蔬采后病原真菌具有廣譜的拮抗作用；陳士云等[23]從土壤中分離到1株解淀粉芽孢桿菌CH22,對(duì)油菜盤核菌具有強(qiáng)烈的抑制作用；歐雄常等[24]從紅樹內(nèi)生細(xì)菌中分離到1株能夠拮抗辣椒疫霉病的解淀粉芽孢桿菌RS261,噴施RS261后6d的防效大于80%,9d的防效為60%.截止到2020年12月，我們國家芽孢桿菌類生物殺菌劑已經(jīng)完成農(nóng)藥登記的生防芽孢桿菌的種類有5種；產(chǎn)品共有59個(gè)，產(chǎn)品的劑型主要有水劑、可濕性粉劑和懸浮劑3種〔表1〕。2芽孢桿菌防治植物病害的機(jī)理關(guān)于芽孢桿菌的防病促生作用機(jī)制，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。普遍以為芽孢桿菌生防機(jī)制主要有營養(yǎng)和空間位點(diǎn)競爭，分泌抗菌物質(zhì)，溶菌作用，誘導(dǎo)植物抗病性等方面。芽孢桿菌生防效果具體表現(xiàn)出是以上幾種方式共同作用的綜合效果。2.1營養(yǎng)與空間位點(diǎn)競爭作用營養(yǎng)和空間位點(diǎn)競爭指存在于同一個(gè)微生態(tài)環(huán)境中的2個(gè)或2個(gè)以上微生物之間對(duì)空間、營養(yǎng)、氧氣等進(jìn)行競爭的現(xiàn)象。營養(yǎng)競爭是生防芽孢桿菌在微生態(tài)環(huán)境中與其他微生物〔包括病原菌〕在其定殖部位爭奪可利用營養(yǎng)物質(zhì)，這些物質(zhì)包括微生物生長發(fā)育必需的氨基酸、無機(jī)鹽、碳水化合物維生素等。鐵離子是微生物在繁衍經(jīng)過中必需的營養(yǎng)成分之一，微生物通過分泌嗜鐵從來獲取環(huán)境中的Fe3+,通過微生物特異性受體轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)知足本身需要[25].缺鐵環(huán)境下，生防芽孢桿菌能產(chǎn)生鐵的螯合物或鐵載體，通過螯合土壤環(huán)境中Fe3+使得病原菌可利用的Fe3+大量減少進(jìn)而抑制病原菌生長[26,27].空間位點(diǎn)競爭是生防芽孢桿菌在植物根際、體表或體內(nèi)以及土壤中與病原微生物互相作用，尤其是病原菌侵入位點(diǎn)的爭奪。Bacon等[28]從玉米體內(nèi)分離的內(nèi)生芽孢桿菌與玉米病原真菌串珠鐮刀菌FusariummoniliformeSheldon具有一樣的生態(tài)位點(diǎn)，生防芽孢桿菌能在玉米體內(nèi)迅速定殖和繁衍，因此有效降低串珠鐮刀菌及其毒素的積累。黎起秦等[29]發(fā)現(xiàn)菌株B47主要是在番茄維管束中定殖，進(jìn)而抑制番茄內(nèi)生病菌的生長。芽孢桿菌在植物根、葉圍的定殖能力決定了其與病原菌在營養(yǎng)與空間競爭的優(yōu)勢地位，是其發(fā)揮植物病害生物防治作用的重要機(jī)制之一。2004年Bais等[30]通過綠色熒光標(biāo)記枯草芽孢桿菌6051和紅色熒光標(biāo)記病原菌丁香假單胞桿菌P.syringae,系統(tǒng)研究了枯草芽孢桿菌與病原菌在植物根部的競爭作用，結(jié)果表示清楚，枯草芽孢桿菌6051能很好地在植物根部定殖，構(gòu)成一層生物膜，并成功地抑制丁香假單胞桿菌的繁衍，進(jìn)而到達(dá)較好的生物防治效果。2020年Zeriouh等[31]通過綠色熒光標(biāo)記枯草芽孢桿菌UMAF在甜瓜葉面的定殖情況，枯草芽孢桿菌UMAF在葉面構(gòu)成不成熟的生物膜，存活下來；待病原菌毀壞了植物組織，植物葉面釋放出更多的營養(yǎng)物質(zhì)，比方蛋白質(zhì)、多糖和核酸等細(xì)胞物質(zhì)，枯草芽孢桿菌利用這些物質(zhì)進(jìn)行繁衍和構(gòu)成生物膜，保衛(wèi)植物的病斑組織。枯草芽孢桿菌UMAF能在甜瓜葉面成功定殖，是其能有效防治由病原真菌Podosphaerafusca和病原細(xì)菌Pectobacteriumcarotovorum引起的甜瓜葉面病害的重要因素[32].進(jìn)一步深切進(jìn)入研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌UMAF在葉面定殖，主要?dú)w功于其分泌的脂肽類抗生素外表活性素激活枯草芽孢桿菌TasA蛋白和EPS多糖基因的表示出，進(jìn)而構(gòu)成了成熟的生物膜[33-35].芽孢桿菌在植物根、葉圍的成功定殖，是芽孢桿菌的一種多細(xì)胞行為，這種行為是多個(gè)基因、多種信號(hào)物質(zhì)協(xié)同控制的結(jié)果[36,37].對(duì)芽孢桿菌定殖能力的進(jìn)一步深切進(jìn)入研究，有利于我們愈加理解這種行為，也將為我們進(jìn)一步利用芽孢桿菌防治植物病害提供理論基礎(chǔ)。2.2分泌抗菌物質(zhì)自1945年Johnson和Campbell[38]報(bào)道枯草芽孢桿菌分泌抗菌物質(zhì)以來，當(dāng)前人們從芽孢桿菌的不同菌株中發(fā)現(xiàn)60多種抗生素。這類次生代謝產(chǎn)物除了對(duì)病原真菌、細(xì)菌、病毒有抑制作用外，對(duì)芽孢桿菌生物膜構(gòu)成、誘導(dǎo)植株產(chǎn)生抗病性均有影響。這些抗菌物質(zhì)是芽孢桿菌抑制其他微生物生長、維持生態(tài)競爭能力的重要武器。通常具有優(yōu)良防治效果的芽孢桿菌，其基因組有4%~5%的核酸序列用于抗菌代謝產(chǎn)物的合成，能合成多種抗菌產(chǎn)物，這些抗菌代謝產(chǎn)物能夠抑制病原真菌和細(xì)菌的生長繁衍。2.2.1芽孢桿菌產(chǎn)生的抗生素生防芽孢桿菌分泌產(chǎn)生的抗生素，根據(jù)生物合成途徑分為兩大類：1〕由核糖體途徑合成的小分子物質(zhì)；2〕由非核糖體途徑酶系統(tǒng)合成的多肽類物質(zhì)和其他一些活性物質(zhì)。當(dāng)前，非核糖體途徑合成的抗生素研究比擬深切進(jìn)入，主要包括脂肽類化合物、聚酮類化合物、多肽類化合物和其他抗菌活性物質(zhì)。脂肽類化合物的理化性質(zhì)較為穩(wěn)定，對(duì)氯仿等有機(jī)溶劑有一定的耐受力，抗紫外線，對(duì)蛋白酶類的處理不敏感[39].根據(jù)其構(gòu)造上的差異主要分為3大類：外表活性素〔surfactin〕、伊枯草菌素〔iturin〕和泛革素〔fengycin〕。外表活性素〔surfactin〕是由枯草芽孢桿菌所產(chǎn)生的晶狀外表活性劑，其分子量約為1KDa,化學(xué)構(gòu)造為含有7個(gè)-氨基酸和具有13、14或15個(gè)碳原子的-羥基脂肪酸交聯(lián)構(gòu)成內(nèi)酯環(huán)狀極性分子類化合物，具有很強(qiáng)的溶血活性，表現(xiàn)