致病链霉菌毒素多样性及马铃薯疮痂病综合防治研究进展

崔凌霄，杨成德，杨丽萍，金梦军，魏立娟

(甘肃农业大学 植物保护学院，甘肃省农作物病虫害生物防治工程实验室，兰州 730070)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)是仅次于小麦(TriticumaestivumL.)、玉米(ZeamaysL.)和水稻(OryzasativaL.)的第四大粮食作物[1]。作为一种广泛种植的农作物，马铃薯现已逐渐脱离蔬菜行列，其主粮化生产可以有助于减少世界粮食短缺。但是，马铃薯易受细菌、真菌或病毒的侵害。由链霉菌(Streptomycesspp.)引起的马铃薯疮痂病就是其中之一。目前，该病害已成为世界范围内影响马铃薯产量和品质的重要病害之一[2]，广泛分布于许多国家，如美国[3-4]、加拿大[5]、法国[6]、日本[7]、韩国[8]、英国[9]、挪威[10]、德国[11]、西班牙[12]、伊朗[13]、阿尔及利亚[14]、瑞士[15]、土耳其[16]和中国[17]等。其造成马铃薯块茎表面出现凹陷或隆起的木栓化坏死病斑，导致品质和可用产量下降[18]，降低马铃薯的适销性[19]，造成巨大经济损失[20-21]。引起马铃薯疮痂病的链霉菌多达20多种，存在多样性，并且广泛分布于马铃薯主产区，此外还能引起胡萝卜、萝卜、甜菜、花生和地瓜等其他根系作物发生疮痂症状[22-23]。链霉菌可通过产生多种植物毒素使马铃薯发生疮痂病，除最常见的thaxtomins外，还有其他致病毒素及毒性代谢产物被发现，如concanamycins[24]、COR类植物毒素[25]、borrelidin[13]和未确定的毒性代谢产物[26]等。近年来，随着人类对马铃薯需求量的逐年增加，其栽培面积逐渐扩大，主产区多年连作，导致马铃薯疮痂病危害程度也是逐年加重。因此，该病害的防治也已成为研究热点。目前，马铃薯疮痂病严重危害马铃薯产业的可持续发展，深入分析其致病链霉菌多样性、致病毒素和防治等方面的研究进展，展望下一步的研究方向，为其综合防治提供理论依据。

1 致病链霉菌的组成

大多数链霉菌是居住在土壤中的腐生菌，目前报道有650多个种[27]，具有丰富的多样性，但只有少数种是植物病原菌，其中疥疮链霉菌(Streptomycesscabiei)是最普遍的马铃薯疮痂致病菌[28]，酸疮痂链霉菌(S.acidiscabies)[3]、肿痂链霉菌(S.turgidiscabies)[29]、欧洲疮痂链霉菌(S.europaeiscabiei)[30]、博比利链霉菌(S.bobili)[31]、加利利链霉菌(S.galilaeus)[32]、苍黄疮痂链霉菌(S.luridiscabiei)、阿努拉特斯链霉菌(S.anulatus)[33]和黄色长孢链霉菌(S.longisporoflavus)[34]也可以引起马铃薯疮痂病。另外，最近还报道波卓链霉菌(S.bottropensis)[35]和西唐氏链霉菌(S.setonii)[36]等多种病原菌。由此可见，马铃薯疮痂病菌复杂多样，并且不同地区的优势种也不尽相同，为有效开展该病害的防治和抗病育种提出了挑战。因此，不同地区需要对当地主要病原种类及生物学特性等进行研究，以便为综合防治提供依据。

有研究表明，马铃薯疮痂病原菌是通过受感染的种子块茎或土壤传播，并且在没有寄主植物的情况下很容易存活[37]。以往研究发现，块茎发育的早期阶段是马铃薯疮痂病菌侵染的关键阶段[38]，块茎表面存在的自然开口(如皮孔)可能是该病原菌的进入途径[39]，并且块茎的表皮在发育早期最容易受到伤害，随着块茎膨大，病情增加[40]。而且病原菌一旦侵染马铃薯，便产生毒素进入薯块内部，这为马铃薯疮痂病的防治提出了挑战。由此可见，深入研究该病的致病机制，在其侵染前防治尤为重要。

2 链霉菌的致病毒素

马铃薯疮痂病虽然可由多种链霉菌引起，但目前认为植物毒素是多个种的主要致病因子，并且不同链霉菌产生的毒素也不尽相同，包括thaxtomins、concanamycins、COR类植物毒素、borrelidin和未确定的毒性代谢产物等，它们以不同的作用方式使致病链霉菌侵染马铃薯，最终导致疮痂病的发生。

2.1 Thaxtomins

致病链霉菌产生的最常见的植物毒素是thaxtomins，其为环状二肽，衍生自L-苯丙氨酸和L-4-硝基色氨酸部分的缩合[41]，该毒素能够通过抑制宿主植物中纤维素的生物合成，最终使未成熟块茎产生疮痂病斑[42-43]。目前，已鉴定出多达11种thaxtomin，每个成员的区别仅在于在特定位置上是否存在羟基和N-甲基[44]。已证明4-硝基部分、色氨酸和苯丙氨酸基团的L构型对于其植物毒性的活性必不可少[45]。并且thaxtomins具有在切开的马铃薯块茎组织上引起坏死的能力[46]，其中thaxtomin A会导致单子叶植物和双子叶植物幼苗的根茎发育迟缓和放射状肿胀[47]，这与由S.scabies和S.acidiscabies引起的幼苗症状一致。而且构建的S.acidiscabies的thaxtomin突变体不能在马铃薯微型块茎上诱导典型的疮痂症状[48]。这些研究结果说明植物毒素thaxtomins是马铃薯疮痂致病链霉菌中的主要毒力因子。

在thaxtomins中以thaxtomin A最为丰富[45,49-50]，该毒素对各种马铃薯品种毒性最高[51]，并与马铃薯疮痂病的严重程度呈正相关[52]。大部分引起马铃薯疮痂病的链霉菌都产生thaxtomin A或thaxtomin家族的其他成员[53]，并且负责thaxtomin A和相关类似物合成的生物合成基因簇是高度保守的[54]，它们由txtA、txtB、txtC、txtD、txtE、txtH和txtR基因组成。Healy等[48]已经提出两种由txtA和txtB编码的非核糖体肽合成酶(NRPS)，分别以L-苯丙氨酸和4-硝基-L-色氨酸为底物合成thaxtomin D[53,55]。TxtC基因编码一种细胞色素P450单加氧酶，该酶将两个羟基引入到thaxtomin D骨架上以生成最终的thaxtomin A[56]。TxtD基因编码一氧化氮合酶，该酶从L-精氨酸生成一氧化氮(NO)[57]，而txtE编码一种新型细胞色素P450单加氧酶，该酶利用NO硝化L-色氨酸，生成中间体4-硝基-L-色氨酸(4-NTrp)[55,58]。TxtR则编码一个thaxtomin生物合成的转录调节因子[59]。此外，一个名为txtH的小基因位于txtB和txtC之间，并编码属于MbtH样蛋白(MLP)家族的蛋白[60]。以上研究结果表明，多个致病基因聚在一起形成马铃薯疮痂病原菌的致病岛(PAI)[61]。

除thaxtomin A的生物合成途径所涉及的基因外，PAI还包括分泌的nec1蛋白通过削弱植物防御机制来帮助增强毒力[62]；tomA基因编码一种与植物致病性真菌番茄红素酶高度相似的有毒蛋白质。这些毒力因子被证实存在于S.scabiei和S.acidiscabies中，但被分在毒性区域(TR)和定殖区域(CR)两个染色体区域中[63]，并且与毒素产生相关的基因都集中在PAI的TR中[63-64]。目前，已提出链霉菌PAI相关基因可以通过位点特异性重组作为一个单位或模块水平转移[65-66]，这也成为产生新致病链霉菌的主要因素。据此推断，同属的非致病链霉菌可能通过基因水平转移获得PAI，并变异为致病链霉菌，从而对寄主植物构成潜在威胁。

2.2 Concanamycins

近年来，也有报道不产生thaxtomins的致病链霉菌[13,67-68]，其缺乏thaxtomins生物合成所需的txtA和txtB基因[69-71]。研究表明除thaxtomins外，有些致病链霉菌可以产生其他植物毒素，如一种聚酮大环内酯类植物毒素concanamycins，其最早分离自淀粉酶产色链霉菌(S.diastatochromogenes)的培养基中[72]，具有甲基烯醇醚和β-羟基半乙酰基侧链等特征，并且起ATPase抑制剂的作用[73]。Natsume等[24，74]报道S.scabies产生的concanamycin A和B具有根系生长抑制活性。同样，并不是所有致病链霉菌都能产生concanamycins，如马铃薯接种引起凹陷病斑的S.scabies后检测到concanamycins，而接种引起凸起病斑的S.acidiscabies后没有检测到concanamycins[75]。此外，田间马铃薯疮痂病凹状病斑的concanamycins含量也比凸状病斑高，且有些凸状病斑马铃薯有thaxtomin A和少量concanamycins[75]。因此，concanamycins可能是致病链霉菌引起马铃薯疮痂凹陷病斑的主要因子。不仅如此，在S.scabies和S.acidiscabies中，当concanamycin A和thaxtomin A同时存在时，concanamycin A对thaxtomin的毒性具有协同作用[75]。

2.3 COR类植物毒素

冠菌酸(CFA)是由丁香假单胞菌(Pseudomonassyringae)产生的非宿主特异性植物毒素，属冠菌素(COR)的聚酮化合物，而COR是由含氨基酸的冠烷酸(CMA)和CFA以酰胺键联结而成，为丁香假单胞菌产生的主要代谢产物，并且毒性最高[76]，但S.scabies87-22的基因组测序显示，存在着一种与丁香假单胞菌和黑腐果胶杆菌(Pectobacteriumatrosepticum)的冠菌酸(CFA)生物合成基因簇高度相似的基因簇[25]，如Fyans等[77]报道S.scabies能够产生冠菌酸-L-异亮氨酸(CFA-L-Ile)以及其他次要的COR类代谢物，其中由S.scabies产生的纯CFA-L-Ile可以引发萝卜种子发育迟缓和马铃薯组织肥大。这一结果与报道的COR能够抑制植物生长和诱导马铃薯块茎组织肥大等生物学活性一致[78-80]。此外，有学者认为S.scabies87-22产生COR类代谢产物可能需要宿主来源的信号来激活CFA生物合成基因的表达[77]。鉴于已经发现在不同的丁香假单胞菌中产生的COR是高度可变的[81-82]，故可推断其他马铃薯疮痂病原菌也可能产生更高毒性的COR样代谢产物。

近年从基因层面进一步明确了CFA-Ile是S.scabies中重要的毒力因子。Cheng等[83]提出CfaR是控制CFA-Ile生物合成的主要调节剂，而ORF1则作为辅助CfaR功能的“辅助蛋白”，并且通过cfaR和orf1基因的过表达来增强CFA-Ile的产生，能在马铃薯块茎组织定殖期间增加马铃薯疮痂病的严重程度。Bown 等[84]敲除CYP107AK1(一种在丁香假单胞菌中没有同源物的预测细胞色素P450)基因后，抑制植物毒素CFA-Ile的产生，影响CFA的生物合成途径。目前，认为部分相关基因在其他链霉菌属物种中是保守的[85]，因此它们参与CFA-Ile及其他代谢产物生产的调控可能不仅限于S.scabies，然而植物来源的信号是否参与调节CFA-Ile的生物合成以及ORF1的辅助活性机制还有待进一步确定。

2.4 Borrelidin

Cao等[13]从伊朗马铃薯块茎深凹病斑上获得病原菌GK18，从中既未检测到thaxtomins的产生，也无法使用Southern检测到txtA基因，但经分析鉴定有18元大环内酯类硼瑞林(borrelidin)存在，而且Southern分析证实，菌株GK18含有参与borrelidin生物合成的基因。纯化后的borrelidin可引起马铃薯块茎切片坏死和出现深黑洞，并抑制萝卜幼苗的芽和根生长，而thaxtomin A在马铃薯块茎切片上产生更浅的棕色损伤。以上结果再一次证实不同的链霉菌植物毒素可导致马铃薯块茎上出现不同类型的疮痂症状。之前有研究学者已经确定borrelidin具有抗菌、抗病毒、抗疟疾和抗血管生成活性等功能[85-87]，但是关于该代谢产物的植物毒素活性鲜有报道。因此，植物毒素borrelidin对马铃薯疮痂链霉菌致病作用的影响也是其致病机制相关研究中不可忽视的部分。

2.5 其他毒素

除上述植物毒素外，马铃薯疮痂致病链霉菌还可能产生一些其他的毒性代谢产物，如Bignell等[88]研究确定2株对萝卜幼苗和马铃薯块茎致病的链霉菌未产生thaxtomin、borrelidin或concanamycin；Lapaz等[26]研究表明，在马铃薯块茎上引起深部坏死性病变的S.niveiscabiei能产生一种名叫desmethylmensacarcin的聚酮化合物，并且该化合物比thaxtomin A更具侵袭性。还值得注意的是，该化合物最初是从S.bottropensis中分离出来的，并且S.bottropensis的某些菌株与马铃薯疮痂病有关。尽管所有报道的S.bottropensis致病性菌株均携带txtA和txtB基因，但尚未确认其中任何一个产生了thaxtomin[11,18,35]。因此，这些致病菌株对马铃薯的植物毒性活性可能是由于thaxtomin、聚酮化合物或二者代谢产物的联合表现出的。

综上所述，其他的未知植物毒性代谢产物可能会导致链霉菌在环境中致病，并且此类代谢产物的鉴定和对寄主植物毒性的深入研究将有助于更好地揭示病原菌的致病机制。

3 疮痂病的防治

3.1 抗病种质资源利用

马铃薯疮痂病的发生由多因素所致，抗病种质资源的选育被认为是防控该病害最理想和有效的途径之一。但是由于疮痂病病原菌和致病毒素的多样性，给马铃薯品种对疮痂病的抗性评价和利用带来极大困难。随着学者们对马铃薯疮痂病抗性研究的重视程度逐渐加深，在抗病种质资源利用方面得到显著成果，据报道国外对疮痂病有抗性的马铃薯包括德国品种‘Charlotte’‘Richter’s Jubel’和‘Hindenburg’[89-90]、荷兰品种‘Sirtema’和‘Monalisa’、法国品种‘Belle de Fontenay’[90]、美国品种‘Freedom Russet’‘Kalkaska’‘Western Russet’‘Premier Russet’‘Summit Russet’和‘Teton Russet’[91-93]等。相对而言，中国对马铃薯品种资源抗疮痂病评价方面的研究起步较晚，先后报道了‘克新18号’[94]‘C 88’‘阿乌洋芋’‘靖薯1号’[95]‘D825’‘D731’‘云薯506’‘兴佳2号’和‘丽薯6号’[96]等品种表现出对马铃薯疮痂病具有明显抗性。尽管如此，研究尚未发现高抗疮痂病的马铃薯品种，且马铃薯疮痂病的抗性机制还不清楚，未见疮痂病相关抗性基因的报道。此外，有学者提出许多马铃薯品种仅对特定病原体具有抗性[97]，所以在抗马铃薯疮痂病种质资源的推广应用过程中，必须考虑当地的疮痂病原菌种群结构，以及通过品种的合理布局，从而更有效的利用抗性资源。

3.2 传统防治方法

当前，马铃薯疮痂病的田间防治主要依靠轮作、灌溉和pH调节[20-23，27-46]，其中轮作是减少土壤中病原菌流行的重要策略，但是疮痂病菌在寄主和土壤中可以存活数年[98]，并且马铃薯种薯也能携带病原[99]，随着马铃薯产业商品化发展，种植面积越来越大，轮作困难。当病原菌存在量足够大时，尤其是在块茎的早期发育阶段，这些措施很少能成功地完全阻止该病害的发展[100]。Dees等[20]认为，五氯硝基苯和氯仿熏蒸土壤、施用有机改良剂和生长素叶面喷雾剂对马铃薯疮痂病的防治有一定效果。以前，研究了使用微量营养素控制马铃薯疮痂病的方法，但是观察到的大多数影响都可以通过土壤pH的变化来解释。降低土壤pH低于5.2或增加pH至8.5可以抑制马铃薯疮痂病，但是不能杀死病原菌[101-102]。Sarikhani等[103]研究表明，铁补充剂可以通过支持植物防御来抑制马铃薯疮痂病的发生，但并没有改变病原菌定殖。之前也有报道显示铁可通过影响病原菌的生长或毒力以及宿主的防御力来影响宿主与病原菌的关系，如缺铁的玉米植株更容易受到病原菌的侵染，而充足的铁营养赋予其更强的抗性状态[104]。此外，泥炭和铁两种补充剂的组合可以通过改变土壤细菌群落更有效地减少马铃薯疮痂病的发生[103]。不仅如此，在播种或块茎萌发时，间隔4 d灌溉和使用含硫肥料，能够显着降低传统耕作中马铃薯疮痂病的发展，并且可能会影响初始接种物的有效性或效力。但是以上传统的物理化学防治方法，不可否认会对环境造成一定危害[105-106]。相反，作为替代方法的生物防治研究正在兴起。

3.3 生物防治

尽管某些化学治疗方法已显示出部分控制了马铃薯疮痂病，但目前尚无可用的治疗方法可在各个马铃薯产区提供高度有效且一致的控制效果[98]。土传病原的管理具有挑战性，减少病害发生率或严重程度的方法可能包括重复使用一些最具农业生态影响力的农药，这可能会减少病害的危害，但不能消除受影响地区的其他问题[98]，这使生物防治成为人们最感兴趣的安全防治方法[107]。近年来，对马铃薯疮痂病有明显防治效果的生防菌是芽孢杆菌(Bacillusspp.)，陆续报道的有侧孢芽孢杆菌(B.laterosporus)[107]、解淀粉芽孢杆菌(B.amyloliquefaciens)[108]、高地芽孢杆菌(B.altitudinis)[109]和贝莱斯芽孢杆菌(B.velezensis)[110]等。在利用芽孢杆菌防治植物病害的研究中，其多与其他微生物或药剂共同使用[111-113]，如由枯草芽孢杆菌(B.subtilis)和哈茨木霉(Trichodermaharzianum)组成的微生物产品是通过促进马铃薯根际有益细菌的富集，从而抑制马铃薯疮痂病，并提高块茎产量[114]。

此外，一些非致病链霉菌也是有效防治马铃薯疮痂病的生防菌之一。如生防链霉菌A1RT 可通过产生的一种Isatropolone C的抗生素有效防治马铃薯疮痂病的发生[115]，该抗生素已被证明具有抗寄生虫活性[116]。Sarwar等[117]报道，田间应用紫黑链霉菌(S.violaceusniger)AC12AB后，使马铃薯疮痂病的发病率降低83%，增产 26.8%，随后经NMR分析得到阿扎霉素(azalomycin)RS-22A是其活性物质。Zhang等[118]得到一株对马铃薯疮痂病有防治效果的内生拮抗链霉菌PBSH9，并证实其胞外滤液也对病原菌加利利链霉菌(S.galilaeus)的生长有一定抑制作用，但是其田间防治效果还未得到验证。非致病链霉菌与致病链霉菌属相同，故能够通过营养竞争控制病害[119]；此外，还具有多种机制可用于控制土壤病原体，包括产生抗生素、降解酶和一氧化二氮[120-121]。但值得注意的是，非致病链霉菌可能通过基因水平转移获得潜在的引起马铃薯疮痂的PAI[46,119]，因此有引发该病害的潜在威胁。

近年，其他生防菌对马铃薯疮痂病的防治也有很多报道，如普城沙雷氏菌(Serratiaplymuthica)BU09对马铃薯疮痂病具有较明显的防治效果，主要抑菌成分是脂溶性化合物[122]；荧光假单胞菌(P.fluorescens)LBUM223产生的吩嗪-1-羧酸(PCA)能够抑制疮痂病菌的生长和两个关键致病基因(txtA和txtC)的表达，从而导致病原体产生的thaxtomin A减少，达到控制马铃薯疮痂病发生的目的[123]。此外，也有研究发现许多拮抗土壤微生物类群可能在抑制过程中起作用[119,124-126]。因此，马铃薯疮痂病的生物防治越来越普遍，将会逐渐替代传统的防治方法，达到绿色安全的防治效果。但是，除了尝试开发特定的生物制剂外，促进自然抑制性土壤群落的因素中的某些因素可能也有价值。

然而，病害最理想的防治方法应该属于天然产物的应用，在马铃薯疮痂病的防治工作中就发现一些天然抑制剂，如土壤中分别掺入加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis)和甘蓝(Brassicaoleracea)新鲜残渣能够抑制马铃薯疮痂病的发生，但是前者没有发现显著的增产效果[127-128]，因此可能需要加入其他能够促进马铃薯生长的肥料共同防治该病害。香菇多糖也可以促进马铃薯植株生长发育，有效降低马铃薯疮痂病发病率，提高马铃薯产量和品质，尤其在病害发生前施用，预防效果更好[129]。从百里香和另一种芳香草药suico中提取的精油，能够抑制细菌生长并破坏细菌细胞包膜，被确定为有效的抗S.scabiei的天然抑菌剂[130]。生姜(Zingiberofficinale)和肉桂(Cinnamomheumverumis)的水提取物均能抑制疮痂病原菌的生长，是天然防病物质，但是他们的抑菌有效成分尚不清楚[131]。综上所述，利用天然产物防治马铃薯疮痂病虽然有一定效果，但是种类稀少，抑菌成分也不明确。因此，关于挖掘多种天然产物、探明其主要抑菌物质的研究还有很大空间。

除上述生防措施外，植物病害诱抗剂作为另一种绿色环保生物农药而备受关注，其本身无杀菌活性，但能激活植物免疫系统并调节植物的新陈代谢，诱导寄主植物产生防卫反应，从而增强植物抗病能力[132]。目前，诱抗剂已在水稻、黄瓜、西瓜、甜瓜、番茄等多种农作物病害防治中应用。但是，关于马铃薯疮痂病诱抗剂的报道相对较少，研究显示水杨酸、苯丙噻重氮(BTH)、氨基寡糖素+香菇多糖[133]、2，4-D[134]和某些生长素或生长素类似物可使马铃薯疮痂病的发病率和发病指数显著下降，然而作为经济作物，以上诱抗剂对马铃薯产量的影响也是不可忽视的。因此，为保障马铃薯产业的可持续发展，诱抗剂对马铃薯疮痂病抗性诱导的研究需更深入，最终得到安全、经济、有效的方法来控制马铃薯疮痂病的发生及蔓延。

4 展 望

自疮痂病发生以来，其对马铃薯的为害及马铃薯产业的影响受到了广泛的关注，国内外研究学者对其病原、致病毒素和防治的研究逐步深入，目前也取得了较大的研究成果。尽管这些研究更全面的揭示了马铃薯疮痂病，但仍有一些关键性问题需进一步探究和解决。

疮痂病致病链霉菌种类多样，不同地区分布存在差异，且非致病链霉菌可通过致病岛的水平基因转移形成新致病菌。因此，非致病链霉菌对马铃薯的潜在危害不可忽视，为未来安全、高效地防控马铃薯疮痂病的发生，需更深入系统的研究致病岛基因的转移规律和不同产区疮痂病原的种群结构。

在致病毒素方面，致病链霉菌产生的植物毒素并非单一，除了已报道的4类毒素外，其他未知致病毒素及其作用机理都需要进一步的研究和探索，从而完善马铃薯疮痂病致病毒素的多样性分析。不同毒素的作用位点和方式及混合毒素中彼此的比例与疮痂病斑的关系等相关研究也应该得到重视，此外，植物来源的信号是否参与调节致病毒素的生物合成也有待确定，这些毒素的功能分析将有助于进一步阐明宿主与病原体相互作用所涉及的复杂机制。

抗病种质资源的利用将是防控马铃薯疮痂病最理想和有效的途径之一，但是目前未发现该病害的高抗品种，应加强其开发和育种工作，并注重全面系统的长期抗性研究。然而，在绿色防控理念的指导下，植物病害防治向绿色环保方向发展，微生物、天然产物和诱抗剂防治马铃薯疮痂病的策略具有较好的开发应用前景，且施用前必须充分评估对环境可能存在的风险。除了不断丰富生防资源，结合分子生物学技术，今后更需要加强其作用机理的研究，深入挖掘重要活性物质及其编码和调控功能基因，以期实现马铃薯疮痂病生物防治的快速发展，并为该病害的综合防治提供理论依据。