链霉菌和芽孢杆菌的生防机理及抗菌活性产物

陶宗 王海华 申权 彭喜旭 周定港 邬姝欣 邹琰

摘 要：植物病害的生物防治是通过将生物制剂应用于宿主植物，防止病原疾病的发展来控制病害的一种方法。综述了生防菌——链霉菌和芽孢杆菌的生防机理及产生的抗菌活性物质类型。

关键词：链霉菌;芽孢杆菌;生物防治;生防机理;抗菌活性物质

中图分类号：S-3文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190730001

据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization， FAO）统计，全世界因病害造成的年产量平均损失达到了10%～15%，大概是2000亿美元的经济损失[1]。一直以来，生产上植物病害的防治主要依靠化学防治的方法来实现，带来了一系列环境污染、病原抗药性增强等问题[2， 3]。而生物防治能有效的避免这些问题，所达到的病害防治效果可与化学药剂相媲美[4]。生物防治是将生物防治剂（Biocontrol Agent， BCA）——通常是真菌、细菌、病毒或它们的混合物应用于植物或土壤中来抑制植物病害的一种方法[5]。在过去的10a中，能防治作物真菌和细菌疾病的许多有效BCAs被报告，一些BCAs正在商业化生产，其中链霉菌和芽孢杆菌研究和应用得最多。本文主要针对链霉菌和芽孢杆菌这2大类生防菌的生防作用机制和产生的抗菌活性物质进行了总结和综述。

1 重要的生防菌——链霉菌和芽孢杆菌

1.1 链霉菌

链霉菌（Streptomyces）构成放线菌中最高等的一大类群，隶属于链霉菌科。链霉菌的生命周期非常独特，能够形成丝状菌丝体（基内菌丝或营养菌丝）、气生菌丝体和分生孢子[6]。链霉菌最显著的特点是产生结构多样的次生代谢物，其中许多具有很好的工业和制药应用价值，如抗细菌、抗真菌、抗病毒、抗高血压、抗肿瘤和免疫抑制[7， 8]。据统计，在已知抗生素中，90%以上来源于链霉菌[9]。某些生活在植物根际土壤或根表面的链霉菌能够产生一系列有益于植物生长的化合物，促进植物生长，抑制病害发生。Maila等研究表明，链霉菌PM1和PM5具有充当植物促生菌的潜力，对番茄生长和抗性具有促进作用[10]。

链霉菌在植物病害生物防治中的应用主要体现在2个方面：利用活体菌剂，例如Mycostop[11]和“5406”抗生菌[12];利用次生代谢产物。次生代谢产物除抗生素之外，还有几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶等胞外酶、甾体类化合物、核苷酸和维生素等，或能阻碍病菌细胞壁的形成，或能影响病菌细胞膜的通透性。

1.2 芽孢杆菌

芽孢杆菌（Bacillus）是革兰氏阳性细菌中的一大类，属于厚壁菌门，呈杆状、能形成芽孢、过氧化氢酶阳性，好氧或兼性厌氧[13]。最新版《伯杰氏系统细菌学手册》记载了142种芽孢杆菌[14]。芽孢杆菌分布广泛，能在多种生境中生存。大多数存在于土壤、空气和水中，在植物表面和根际、动物的胃肠道以及许多极端环境中也能发现其踪迹。芽孢杆菌能够产生结构多样的拮抗化合物，全基因组的5%～8%专门用来合成次级代谢产物，其最主要的生物活性分子是非核糖体合成的多肽类和脂肽类、聚酮类化合物、细菌素以及铁磷蛋白。芽孢杆菌菌株还能产生生长素和铁粉载体，具有促进植物生长和杀线虫活性的作用[15]。

芽孢杆菌之所以在生物防治领域有着巨大的开发潜力，得益于其强大的繁殖能力、对营养要求不高、在各种复杂的环境下都能够生存、生防菌剂高效稳定方便以及对环境友好等优点[16]。已经报道的能防治植物病害的芽孢杆菌主要有枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、多粘类芽孢杆菌（Paenibacillus polymyxa）、苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）、蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）、侧孢芽孢杆菌（Bacillus laterosporus）和短小芽孢杆菌（Bacillus pumilus）等。其中枯草芽孢杆菌研究得最为透彻，国外已经生产和销售某些枯草芽孢杆菌菌株（QST713、GBO3和MBI600等）作为生防药剂喷施于植物表面或土壤来防治植物病害;国内在芽孢杆菌防治植物病害方面的研究也取得了很大的进展，例如江苏省农科院植保所研发的枯草芽孢杆菌B916菌剂已登记在册，并且连续10a的田间防效均稳定在50%～80%[17]。

2 常见的生防机理

植物病害的生防机制可以归纳为诱导抗病性（Induced resistance）、交叉保護（Cross protection）、捕食作用（Predation）、竞争作用（Competition）、抗生作用（Antibiosis）、重寄生（Hyperparasitism）和促进植物生长（PGP）7个类型。链霉菌主要通过抗生作用、诱导作用、竞争作用、重寄生作用和拮抗作用等多种机制协同来发挥其生防效应[11];芽孢杆菌防治植物病害的作用机理主要包括拮抗作用、诱导植物系统抗性、竞争作用和促进植物生长等4个方面[16]。

2.1 诱导抗病性

随着对植物诱导抗病性及其机理的深入研究，其概念已经逐步完善。定义为利用生物、化学和物理等方法对植物进行诱导处理，改变植物对病害的反应，从而产生局部或系统抗病性能的一种现象[18]。植物诱导抗病性也有叫“诱导系统抗性”、“植物免疫作用”、“抗性位移”和“获得性生理免疫”的，具有以下几个特点：诱导因子的非特异性、广谱抗病性、迟滞性、持续性、传导性、遗传性、无污染以及抗病效果的相对持久和稳定性[19]。高效防治水稻纹枯病的生防枯草芽孢杆菌B916能诱导水稻叶鞘细胞苯丙氨酸解氨酶（PAL）、过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）和超氧化物歧化酶（SOD）活性增强，且分别在1、2、3和4 d内达到最高[20]。段春梅等研究表明，接种密旋链霉菌（Streptomyces pactum）菌剂Act12能促进黄瓜生长，并增加黄瓜的抗病性，叶片中PPO酶含量提高了54.4%[21]。

2.2 竞争作用

在有限的生活空间和营养物质下，环境中的2种或多种微生物同时争夺同一生存资源的现象称之为竞争作用。对生活空间的竞争（位点竞争或空间竞争）是生防菌最主要的作用方式，即快速地在植物体和根际土壤中大量繁殖（先入为主），阻止病原微生物在植物上的生存和定殖，从而防治植物病害。Bacon等报道了玉米内生芽孢杆菌快速抢占病原菌生态位点来抑制病菌生长的现象[22]。胡磊等人从盐碱地中分离出的球孢链霉菌（Streptomyces globisporus）能在油菜菌核上定殖并寄生，分解菌核以达到防治油菜菌核病菌的效果[23]。对营养物质（包括水分、养分和土壤中磷氮铁元素等）的竞争，即营养竞争，是生防菌对周围环境中的病原微生物进行营养成分的争夺。许多微生物（大多数生防芽孢杆菌及个别链霉菌）能够合成并分泌嗜铁素到土壤中，经过一系列反应后，环境中可利用的铁浓度下降，致使病原微生物因缺铁而不能生长，从而防治植物病害[24]。

2.3 抗生作用

抗生作用也叫做拮抗作用，指某些微生物能够分泌一些次生代谢产物或生物活性物质（如抗生素、抗菌蛋白等抗菌活性物质，见3详述）来抑制其他病原微生物生长的现象。路丹丹分离一株龟裂链霉菌（Streptomyces rimosus）能促进黄瓜生长并对黄瓜枯萎病防效显著，当其发酵产物龟裂杀菌素（Rimocidin）浓度达到2.20mg/L时能完全抑制黄瓜枯萎病菌的孢子萌发[25]。马桂珍等人从多黏类芽孢杆菌（Paenibacillus polymyxa）菌株发酵液中分离纯化出一种能抑制小麦蠕孢病菌（B.sorokiniana）菌丝生长和孢子萌发的抗菌蛋白[26]。

2.4 重寄生

生防菌寄生在病原微生物细胞内或表面，汲取病原微生物的营养成分导致其无法生长而死亡的现象叫做重寄生作用。早在1986年TU就指出白色链霉菌（Streptomyces albus）对菜豆白粉病菌（Nectria inventa）的重寄生作用[27]。重寄生作用和抗生作用有着一定的联系，生防菌通常先分泌某些抗生素破坏病原微生物细胞壁的完整性，然后再通过重寄生作用侵入病原菌的细胞内发生作用[28]。

2.5 促进植物生长

大量研究表明，许多生防微生物在拮抗植物病原微生物的同时也能分泌一些植物激素类物质或其他促生长因子，在促进植物生长的过程中，增强植物抵抗病害的能力，間接的控制植物病害的发生。王游游发现枯草芽孢杆菌（B.subtilis）菌株WL2产生的脂肽类物质对马铃薯的生长有促进作用（叶绿素总量的增加以及根茎的增粗）[29]。

3 抑菌活性物质

从微生物的发酵液或生物量中获得提取物和纯物质成为传统的抗生素获取途径，这就意味着发现微生物个体或其发酵液的拮抗活性将是发现新抗生素的第一步。一般来说，组成粗提物的个别物质并不具有较强的拮抗活性，而是在混合物中起作用[30]。微生物生物防治的3大机制——抗菌、竞争和寄生，其中抗菌作用被认为是最有应用潜力的生防机制。抗菌作用主要是通过生防菌产生的代谢产物来抑制植物病原菌，拮抗微生物的代谢产物除了抗生素外，还包括挥发性有机物和有毒化合物等。这些代谢产物往往很小的剂量就能显著抑制病原菌的生长代谢，并且在自然环境中不易富集，很快就被降解，因此对生态环境和人类健康十分友好[31]。

生防微生物生活环境、代谢类型、营养方式、生理特性以及形态上的不同决定了它们性质不同的代谢产物。根据来源可以将微生物代谢产物分为放线菌次生代谢产物、细菌次生代谢产物和真菌次生代谢产物。按代谢产物的化学性质可以分为吡咯类（Pyrroles）、大环内酯类（Macrolides）、氨基糖苷类（Aminoglycosides）、β-内酰胺类（β-lactams）、内酯类（ Lactones）、寡肽（Oligopeptides）、苯系物（Benzenes）、萜烯（Terpenes）、生物碱（Alkaloid）、吡咯酮（Pyrrolidone）、唑类化合物（Azole Compounds）、脂肪酸（Fatty Acid）、吲哚类（Indoles）、吩嗪类化合物（Phenazine Compounds）、甲氧基丙烯酸酯类（Strobilurin）、间苯三酚类化合物（Phloroglucinol）、脂肽类（Lipopeptides）、多肽类（Hexapeptide）、甾体化合物（Steroids）、维生素（Vitamins）、核苷酸（Nucleotides）、酶（Enzyme）等。按代谢产物的物理性质可以分为水溶性代谢产物（Water Soluble Metabolites， WM）、脂溶性代谢产物（Lipid Soluble Metabolites， LM）、挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds， VOCs）等。在植物病害的生物防治中，大多倾向于对挥发性代谢产物的利用。

大量的研究成果已经证实了微生物代谢产物的丰富，许多代谢产物往往在实验室里表现出很强的抗菌活性，但在自然环境下的作用不尽人意。在微生物抗菌活性物质的研究应增加其稳定性的测试，例如光稳定性、热稳定性和pH稳定性等。随着微生物抗菌活性物质的挖掘，越来越多的次生代谢产物开始投进大规模生产，应用到植病防治中，并且已经取得了很好的防治效果。现对应用于植物病害生物防治的链霉菌和芽孢杆菌相关代谢产物进行了统计（表1和表2）。

4 结论与展望

链霉菌和芽孢杆菌是生物防治中最重要的2类生防菌，均能产生多种多样的抗菌活性物质，生防机理主要有诱导抗病性、竞争作用、抗生作用、重寄生和促进植物生长。目前生产上主要利用其制成活体菌剂或其次生代谢产物来防治植物病害。今后应加大其同其他生防菌（也要考虑生防菌株之间的相互拮抗作用）、同化学农药的配合使用，功能互补以增强生防菌的防效[32]。加大生防菌防效还可以通过现代生物技术手段对生防菌株进行定向改造，深入发掘相关功能基因，获得拮抗效果最好的生防菌株。总之，生物防治作为一种拥有防治效果好、对环境友好等诸多优点的新型植病防治手段，越来越多的研究人员对其表现出极大的兴趣，展现出广阔的应用前景。

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