马铃薯疮痂病的致病机制及防治研究进展

杨 冰，平 原，杜春梅

（1黑龙江大学农业微生物技术教育部工程研究中心，哈尔滨150500 2黑龙江大学生命科学学院，黑龙江省普通高校微生物重点实验室，哈尔滨150080）

0 引言

马铃薯富含碳水化合物、矿物质和热量，是世界许多地区的主食，可在多种气候条件下被广泛种植[1]，与稻谷、玉米、小麦一起为全球粮食供应做出了巨大贡献[2-3]。近年来，随着马铃薯主食产业化战略的实施，中国马铃薯产业发展迅速。黑龙江省是中国重要的商品薯和种薯生产基地，近5年来黑龙江省马铃薯种植面积在15 hm2左右，年平均产量在70万t左右[4]，然而由于连年种植导致黑龙江省马铃薯疮痂病(potato scab disease)的发生率和严重程度呈逐年上升的趋势，使马铃薯产业的发展受到了巨大的影响。作为马铃薯块茎上普遍存在的病害，马铃薯疮痂病几乎在所有马铃薯种植区普遍流行[5]，已成为马铃薯种植业亟待解决的问题。

已报道的马铃薯疮痂病菌有20余种，最常见的是疮痂链霉菌(Streptomycesscabies)、酸性疮痂链霉菌(S.acidiscabies)、肿痂链霉菌(S.turgidiscabies)[6]，其中S.scabies是马铃薯疮痂病的主要致病菌，能通过皮孔、伤口或幼嫩的块茎进入组织，通过产生环二肽(thaxtomins)引起疮痂病，该病的症状包括块茎表面结痂状、隆起或凹陷性病变，严重影响马铃薯的质量，导致其市场价值降低，给种植者造成了巨大的经济损失[7]。该病菌还能侵染萝卜、甜菜、胡萝卜和防风草等主根作物[8]。

目前，对马铃薯疮痂病的防治主要有3种方法，即化学防治、农业措施管控和生物防治。化学防治主要是利用2,4-二氯苯氧乙酸、氟啶胺、代森锰锌和苯并噻唑等药剂对种薯块茎进行处理或作为土壤添加剂[7]。农业管理措施主要包括作物轮作、绿肥施用、土壤改良、灌溉等[9]。近年来，生物防治剂在疮痂病的综合治理上逐渐显现出其重要性，成为研发的重点。文献表明，芽孢杆菌属、假单胞菌属、链霉菌属、木霉属、丝核菌属的弱毒株、及由此类微生物制备的复合菌剂均对马铃薯疮痂病表现出良好的防治效果和应用前景[10]。本实验室的研究也表明，枯草芽孢杆菌、贝莱斯芽孢杆菌、链霉菌对马铃薯疮痂病菌均具有良好的拮抗作用。但是，任何防治方法都有其自身的局限性，单独使用某一项防治策略均不能完全有效的控制马铃薯疮痂病。为了更好的制定马铃薯疮痂病的综合防治策略，提高马铃薯的产量和品质，本文综述了马铃薯疮痂病的致病机制及其防治方法的研究进展，以期为今后马铃薯疮痂病综合治理提供科学参考依据。

1 疮痂链霉菌的致病机制

环二肽毒素是疮痂链霉菌致病的最重要的毒力因子之一[11]，在马铃薯疮痂病发生中起关键作用，此外，植物激素也发挥了重要作用。

1.1 致病毒素thaxtomins

thaxtomins是常见疮痂病的主要致病性决定因素[12]，thaxtomins是一种由 L-苯丙氨酸和 L-4-硝基色氨酸部分缩合而得的环状二肽（2,5-二酮哌嗪）[13]。它的产生是由植物源性化合物诱导的，包括纤维素部分水解形成的纤维二糖和马铃薯块茎表面存在的木栓质[14]，纤维二糖是纤维素的最小低聚物，可能是扩张植物组织的信号[15]。thaxtomins的作用方式是抑制纤维素的生物合成，从而破坏马铃薯的细胞壁，使植物失去自我保护屏障，导致病原菌更容易感染马铃薯，对植物造成损坏[16]。Volker等[17]通过用thaxtomins处理拟南芥植物细胞壁，结果表明thaxtomins降低了拟南芥细胞壁的结晶纤维素含量，其影响细胞壁合成基因表达的方式与已知的纤维素合成抑制剂异恶草胺类似。Scheible等[18]的研究也表明用thaxtomins处理拟南芥幼苗时，会表现出结晶纤维素积累减少的现象。此外，已有研究表明产生thaxtomins的能力与引起疮痂链霉菌的致病性之间存在正相关，酸性疮痂链霉菌的txtA基因突变株由于thaxtomins的产生被阻断而不能引起马铃薯小块茎上典型的疮痂病，但在txtA突变体中引入thaxtomin合成酶粘粒就会恢复其致病性和thaxtomins的产生。因此，thaxtomins毒素是致病性链霉菌所必需的毒力因子[12]。据报道，thaxtomins还可以使植物产生一些生理效应，包括使植物Ca2+和H+内流，细胞内Ca2+浓度增加会导致细胞壁酸化诱导细胞程序性死亡[19]。

thaxtomins生物合成的基因位于一个可移动的致病岛(PAI)，该致病岛可通过接合从致病性链霉菌转移到非致病性链霉菌。在疮痂链霉菌中，致病岛被分成两个不同的区域，一个是“毒理区”，包含thaxtomins生物合成基因，另一个是“定殖区”，其中含有nec1和tomA基因，这些基因有助于毒力[20]。与其他链霉菌次生代谢物一样，thaxtomins的生物合成基因聚集在致病性链霉菌的染色体上[21]。thaxtomins生物合成的基因包括txtA、txtB、txtC、txtD、txtE和txtR，这些基因至少排列在两个操纵子中，第一个操纵子可能由txtA、txtB、txtC组成，第二个操纵子由txtD和txtE组成，它们共转录已经被证实[22]。其生物合成始于精氨酸产生一氧化氮(NO)，这是由txtD编码的一氧化氮合酶催化的反应，然后通过txtE（一种新的细胞色素P450单加氧酶）将NO用于L-色氨酸的位点特异性硝化。基因txtA和txtB(txtAB)负责编码非核糖体肽合成酶，而非核糖体肽合酶是苯丙氨酸和硝化色氨酸缩合而成的二肽。然后该二肽被细胞色素P450单加氧酶（由txtC编码）羟基化，从而合成thaxtomins[23]。thaxtomins的生物合成受TxtR蛋白（由txtR编码）调节，它是AraC/XylS家族中的一种正调节因子，对植物毒素的产生和毒力是必需的。编码TxtR蛋白的基因嵌入到thaxtomins生物合成途径中，在致病物种中是保守的。纤维二糖是TxtR的配体，上调TxtR在thaxtomins生物合成途径中的转录[15]。nec1基因编码一种新的蛋白质，它能诱导植物组织坏死，并有助于毒力[24]。将nec1基因克隆到非致病性链霉菌中，从而使其具备了致病性，可以在马铃薯块茎中定殖并使马铃薯块茎坏死[25]。tomA基因同系物负责合成一种番茄蛋白酶，该酶在一些植物病原真菌和植物病原细菌中被发现，而该酶主要是通过抑制糖类生物碱番茄素的合成从而降低植物对病原菌的防御反应[26]。虽然nec1和tomA不是疾病必需的，但它们确实有助于毒力。

1.2 植物激素

植物病原菌进化出影响植物激素信号传导途径的策略，以促进宿主的感染。许多植物病原菌产生植物激素，如细胞分裂素、生长素和乙烯，作为改变寄主激素信号的一种方式。由于激素调节植物生长和胁迫反应的各种过程，病原菌可以操纵植物激素信号通路来抑制植物的防御反应，促进定殖和传播[13]。

细胞分裂素Cytokinins(CKs)生物合成基因簇与肿痂链霉菌(S.turgidiscabies)的thaxtomins基因簇邻近，并且该基因簇与植物束化(fas)操纵子高度相似，而fas操纵子是生物体致病性所必需的并可诱导CKs混合物的合成。fas操纵子内的基因都是在thaxtomins产生的条件下表达的，并能在培养上清液中显示出CKs活性，这表明CKs的产生可能有助于病原菌的繁殖或传播[27]。吲哚乙酸(IAA)可由多种植物生长促进菌和植物病原菌产生，IAA在植物病原菌中产生时可能作为相关毒力因子。已有文献报道有一些链霉菌也能够产生IAA，如已经在天蓝色链霉菌(S.coelicolor)和阿维链霉菌(S.avermitilis)中发现了IAA生物合成基因iaaM和iaaH[28]，疮痂链霉菌也能产生IAA，且也是由iaaM和iaaH参与的，但在疮痂链霉菌87-22中发现IAA的合成是由iaaM和iaaH的同源基因scab75511和scab75501参与的[29]。还有文献报道，缺失iaaH或iaaM基因的疮痂链霉菌会降低IAA的产量并会减少萝卜根部的坏死，但是否会减轻疮痂病的症状还需进一步研究[13]。乙烯(Ethylene，ET)是植物抗坏死性病原菌防御反应的重要调节因子。植物病原菌如丁香假单胞菌、青枯菌、灰霉菌都可以产生ET，但是目前尚不清楚疮痂链霉菌是否产生ET，以及ET是否参与了该菌的毒力表型[30]。

2 马铃薯疮痂病的防治

2.1 化学防治

致病性链霉菌产生的毒素thaxtomins是诱发马铃薯疮痂病的关键。在块茎形成之前，通过叶面喷施一系列具有减轻thaxtomins毒力作用的化学物质，可以显著减少马铃薯疮痂病的发生。常见的化学药剂有2,4-二氯苯氧乙酸、氟啶胺、代森锰锌、苯并噻唑等杀菌剂，它们作为种衣剂、喷雾剂或土壤添加剂在田间条件下效果良好。Tegg等[31]研究了一些化学物质降低马铃薯疮痂病的作用机制，结果表明2,4-D、3,5-D对疮痂病的抑制率分别为73.7%和61.2%。并利用块茎切片生物测定法测试了化学物质抑制thaxtomins毒性的作用，结果表明叶面施用2,4-D能抑制thaxtomins诱导的坏死，证明了疾病的控制是通过化学物质抑制thaxtomins的产生来显著降低块茎疾病的发病率并降低毒素坏死等级的。Clarke等[32]的测试结果也表明，喷施低剂量的2,4-D能够有效减少所有被测马铃薯品种的疮痂病，在不损害块茎的同时还会增加马铃薯根重，能有效抑制疮痂病的发生。此外，并不是所有化学药剂都针对thaxtomins来控制疮痂病的，有的化学药剂就是直接针对病原体的。Mohamed等[33]发现Capitan、Ridomil和Rizolex三种药剂在田间都能有效降低疮痂病的病情指数，效果依次为是Capitan、Ridomil、Rizolex。Santos-Cervantes等[7]研究了代森锰锌(mancozeb)、氟啶胺(fluazinam)、苯并噻唑(benzothiazole)在体外试验、温室试验和田间试验对马铃薯疮痂病的作用效果，在体外试验中代森锰锌、氟啶胺的作用效果良好，而苯并噻唑无效。在温室和田间试验中三种杀菌剂均有效果，氟啶胺对酸性链霉菌的作用效果最好。虽然对马铃薯疮痂病进行化学控制可实现最佳产量和质量的改进，但其在农业中的应用也会导致环境破坏、生态系统紊乱以及影响人类和其他生物的健康等问题。因此，应在综合防控策略中尽量减少化学制品的使用。

2.2 农业防治

农业上防治马铃薯疮痂病主要是通过进行作物轮作和种植覆盖作物、施用绿色肥料、添加土壤改良剂以及合理灌溉的方法。

2.2.1 作物轮作和覆盖作物 马铃薯疮痂病可以通过使用抑病轮作作物、秋季覆盖作物、延长轮作期、增加作物多样性等多种策略综合控制。作物轮作主要是为了防止病原菌的传播，选择不易受主要病原体影响的作物定期轮作，可以保持作物生产力，减少土壤传播的疾病，是一种间接抑制病原体的方法。覆盖作物主要为了覆盖和保护土壤不受作物生产期间病原菌的侵蚀和养分损失。覆盖作物可增加有机质，改善土壤结构和耕作，增加和循环利用氮，提高生产力和对疾病管理的潜力[34]。Larkin等[35]评估了大麦/三叶草、油菜、绿豆、小米/油菜、大豆、甜玉米和马铃薯7个不同作物及秋季覆盖作物对土传马铃薯病害发展、块茎产量和土壤微生物群落的影响。结果表明油菜轮作和冬黑麦覆盖作物的联合效应与无覆盖作物的马铃薯相比，疮痂病的严重程度降低了20%至33%。因此，除了在减少侵蚀和改善土壤质量方面的积极作用外，有效的作物轮作与种植覆盖作物相结合还可以更好地控制土传疾病。

2.2.2 绿色肥料 Sakuma等[36]研究结果表明燕麦作为绿色肥料可以有效减少马铃薯疮痂病，提高块茎平均产量。芸苔属作物作为绿色肥料也可以有效减少土传植物病害，这主要是归因于芸苔属作物产生的挥发性硫化合物改变了土壤微生物群落结构。Larkin等[9]对芸苔属作物对各种土传马铃薯病原菌和病害的防治进行了评价，结果表明，作为绿肥作物种植的印度芥菜、油菜、菜籽和黑麦草使马铃薯作物中的粉状疮痂的发生率减少了15%～40%，油菜和菜籽相对于标准燕麦轮作的疮痂病减少了70%～80%。印度芥菜对减少粉状疮痂病和马铃薯疮痂病最有效。

2.2.3 土壤改良剂 许多土壤改良剂都是工业或农业废弃物，例如蟹壳、肉骨粉、羽毛粉、家禽和猪粪以及豆粕。这些高氮改良剂被土壤微生物降解，产生的氨、亚硝酸以及挥发性脂肪酸使病原菌的数量减少，但施用后土壤微生物总数增加了10到1000倍[37]。但是，许多农业废弃物的实际使用受到人类健康和安全问题的限制，难以大规模应用。

2.2.4 灌溉 灌溉主要是通过减少在马铃薯块茎形成早期的好氧土壤条件来减少疾病的发生。Johansen等[38]分别在干旱地、正常土地和湿土地中接种致病性链霉菌测试了马铃薯植物的生长情况，结果表明提高土壤水分可以显著减少马铃薯疮痂病的发生。因此，灌溉在农业生产中是一种有效的防治方法。

2.3 生物防治

生物防治是一种重要的替代性控制策略，符合农业可持续发展的要求。目前，防治马铃薯疮痂病的生物防治剂主要来源于微生物，包括细菌、放线菌、真菌以及复合菌剂。

2.3.1 细菌 用于防治马铃薯疮痂病的细菌种类主要有芽孢杆菌属(Bacillus)和假单胞杆菌属(Pseudomonas)。

（1）芽孢杆菌属

芽孢杆菌是一类著名的用于生物防控和促进植物生长的细菌。已被证明能抑制几种土传病原菌，包括由致病性链霉菌引起的马铃薯疮痂病。Cui等[39]从健康马铃薯中分离筛选出一株内生贝莱斯芽孢杆菌(B.velezensis)8-4，对加利氏链霉菌(S.galilae)等5种马铃薯病原菌有较强的抑制作用。田间试验表明，用菌株8-4处理的马铃薯发病率最低，防治效率为51.83±8.53%，另外，8-4菌株处理的马铃薯最高产量为1301.92±38.64 kg/667 m2，比对照组提高19.91±3.56%，其对马铃薯疮痂病的防治效果和增产效果比其他杀菌剂好。Chen等[10]通过盆栽试验表明侧孢短芽孢杆菌AMCC100017(Brevibacilluslaterosporus)能显著降低疮痂病的发病率、病情严重程度和病情指数，该菌能在马铃薯整个生长期内成功稳定地在根际土壤中定殖，使根际土壤细菌总数，如芽孢杆菌、荧光假单胞菌和放线菌等功能菌的数量增加，有利于马铃薯植株抵御病原菌侵染，从而抑制了植物病害。Meng等[40]从自然抑制马铃薯疮痂病的土壤中分离得到的解淀粉芽孢杆菌(B.amyloliquefaciens)BAC03，在为期2年的田间试验中，具有显著的降低马铃薯疮痂病发生率和的疾病严重程度的效果。

（2）假单胞菌属

一些假单胞菌(Pseudomonas)有较好的防控马铃薯疮痂病的效果。Singhai等[41]测试了4株假单胞菌(L4、C4、R1和L2)在有无蚯蚓堆肥的情况下对马铃薯疮痂病的抑制作用以及对马铃薯块茎产量的影响。结果表明，假单胞菌（尤其是R1菌株）和蚯蚓堆肥联合接种块茎可显著提高植株生长和产量参数，降低病害指数。而且这种增强作用不仅仅是它们各自作用的总和，而是由于这两种因素的协同作用而使植物营养状况得到综合改善的结果。R1具有促进植物生长和诱导寄主植物系统抗性机制的潜力。Arseneault等[42]研究了假单胞菌(P.synxantha)LBUM223在受控和自然的田间条件下通过产生吩嗪-1-羧酸(phenazine-1-carboxylic acid,PCA)来控制由疮痂链霉菌引起的马铃薯疮痂病。PCA是一种硝化、杂环和氧化还原活性分子，具有广泛的抗生素活性，并被证明能干扰电子传递链，产生几种活性氧。基因表达分析结果表明，在受控和田间条件下，LBUM223都能够显著降低间茎层中致病性疮痂链霉菌txtA的表达，下调参与毒力和菌丝分化的基因表达，同时增加了氧化应激，导致疾病压力降低。

2.3.2 放线菌 链霉菌(Streptomycessp.)是一种良好的土壤寄居者，能在致病性链霉菌存在的地方生存得更好，因此作为生防菌具有一定的优势。利用链霉菌作为生防剂控制土传病原菌已有很多年的历史了，早前Julie等[43]在可控条件和田间条件下，评价了黑孢链霉菌(S.melanosporofaciens)EF-76通过产格尔达霉素和一种从几丁质中提取的引发植物防御机制的聚合物—壳聚糖对马铃薯块茎的保护作用，在田间能降低疾病的发病率和症状严重程度。Zhang等[44]报道了一株从马铃薯块茎中分离到的对马铃薯疮痂病具有防治效果的新型链霉菌PBSH9，在琼脂平板上对疮痂链霉菌的抑制区直径为19.8 mm，其胞外滤液对疮痂链霉菌的抑制区直径为10.0 mm，此外，PBSH9还能促进马铃薯的萌发和出苗，大棚试验防治率达81.88%，3年田间试验防治率从47.64%提高到73.97%，种子处理比土壤淋洗更有效。Sarwar等[45]从印度旁遮普省的土壤中分离到一株浅紫链霉菌(S.violaceusniger)AC12AB有防病促生作用，在温室试验中，AC12AB对马铃薯块茎疮痂病的防治效果显著，在大田试验中，使马铃薯产量提高了26.8%(P＜0.05)。Arslan等[46]报道了从田间抑制性土壤中分离出的链霉菌A1RT菌株对马铃薯疮痂病有抑制作用及促进马铃薯块茎生长的作用，该菌能产生高活性抗生化合物伊曲酮C(Isatropolone C)和高水平的IAA。这些结果都表明链霉菌是一种既能促进植物生长，又能有效控制多种疮痂病病原菌的生物防控剂。

2.3.3 真菌 哈茨木霉(Trichodermaharzianum)、黄曲霉、指状青霉等真菌可以作为防治马铃薯疮痂病的拮抗真菌。Muhammad等[47]在2014年评估了哈茨木霉、黄曲霉、指状青霉对马铃薯疮痂病的作用效果，与对照组相比，接种哈茨木霉的发病率最低，为29.46%、接种黄曲霉与指状青霉的发病率分别51.66%、60.60%，并且哈茨木霉处理的块茎产量最高(1909.0 g)，其次是黄曲霉(1655.7 g)和指状青霉(1504.0 g)。

2.3.4 复合菌剂 目前，虽有许多生防菌已被报道对马铃薯疮痂病具有防治效果，但单一生防菌的防治效果往往没有复合微生物菌剂防治效果好，复合菌剂在防治中可起到优势互补的作用，在田间试验中展示出了明显的优势[48]。2015年Wang等[49]对由枯草芽孢杆菌(B.subtilis)和哈茨木霉菌(T.harzianum)组成的微生物制剂在中国内蒙古进行马铃薯田间试验，结果表明用300 kg/ha剂量组的马铃薯疮痂病平均病害指数在两个试验点分别下降了28%和41%，块茎总产量分别提高了21.8%和31.5%。研究人员估测该制剂在马铃薯块茎形成的早期阶段（疮痂病发育的关键阶段）改变了马铃薯根际微生物群落的组成，建立了高相对丰度的有益细菌群落，抑制了马铃薯常见病害的发生，并提高了块茎产量。Larkin等[50]选择了2个自然产生的弱毒力的番茄丝核菌(Rhizoctoniasolani)Rhs1A1和Bs69和一个市售枯草芽孢杆菌(GB03)进行了单独和组合的生物防治试验。在各种环境条件下，多重生防处理可显著减少黑斑病和疮痂病，使每种疾病的发病率和严重程度降低15%～47%。大多数生防处理都能减少黑斑病的发生，但只有(Rhs1A+GB03、Bs69+GB03、Rhs1A1+Bs69+GB03)的组合处理能减少疮痂病和银皮病的发生，弱毒力丝核菌菌株和GB03的组合是最有效的。尽管块茎产量每年变化很大，但Rhs1A1和GB03组合处理，在3个季节中产量增加了11%～37%。在有机马铃薯生产中，使用低毒的番茄丝核菌菌株和其他生防微生物，可以减少土传病害，提高产量，这为利用细菌和真菌联合防治马铃薯疮痂病提供了参考。

3 展望

由致病性链霉菌引发的土传细菌性植物病害，仍然是制约中国乃至全世界马铃薯产业积极向好发展的重要因素。目前，使用化学药剂防治该疾病虽见效快，但也会产生一些副作用，比如会造成马铃薯块茎减小、产量降低以及对环境和人类健康造成威胁。农业防治上单一的一种防治措施往往不会有效。大量的生物防治方法已被报道并已取得了成效，是一种高效可靠的防治手段，是未来工作的重点，但是仍然存在防效不稳定，成本较高的问题。为有效控制马铃薯疮痂病的发生，今后可从以下三个方面进行研究：（1）深入研究马铃薯疮痂病的致病机制，分析各种药剂对毒素thaxtomins产生的影响，为防治疮痂病的发生提供新的方向；（2）加大对多菌联用生物防治剂的研发进程，为推进马铃薯产业的可持续发展奠定基础；（3）进一步研究化学药剂、农业措施与多种生防菌联合的防治效果，为建立高效安全的综合防治管理措施提供科学依据。