植物根际促生菌防治黄瓜枯萎病的研究进展

杨 倩，薛 璐，郭 慧，付瑞珂，张 涛，申顺善，杜南山，朴凤植

（1.河南农业大学园艺学院 郑州 450002；2.河南农业大学植物保护学院 郑州 450002）

黄瓜（L.）是一种典型的全球性重要蔬菜和经济作物。据FAO数据显示，2020年全球黄瓜种植面积高达225万hm，产量为9035万t，而我国黄瓜种植面积和产量均居世界首位，分别为127万hm和7336万t，约占世界总产量的81.2%，在我国“菜篮子”工程建设中占有重要地位。然而，近年来随着种植年限的增加，我国黄瓜栽培生产中枯萎病日趋严重，可导致黄瓜减产10%～20%，严重时甚至导致绝产绝收。黄瓜枯萎病是由尖孢镰刀菌黄瓜专化型f.sp.J.H.Owen（FOC）引起的一种真菌性土壤传播病害，病原菌直接侵入黄瓜植株的根颈部并寄生于维管束内，阻碍植株对水分和养分的吸收，最终引起植株萎蔫枯黄。目前，黄瓜抗枯萎病品种较少，传统的化学农药、土壤熏蒸等方法容易造成环境污染、病原菌抗药性增加、产品安全性下降等问题，嫁接换根、轮作等防治措施效果较好，但操作繁琐，工作量大，而且成本较高。因此，寻找使用方便且环境友好型的生物防治方法，对我国农业的安全可持续发展有重要意义。

植物根际促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）是指生活在宿主植物根际或定殖于根系表面，对植物生长具有促进作用的有益菌的统称。PGPR不仅可以促进作物的生长并提高产量，还能抑制病原菌生长和诱导植物产生抗性等抵御病原体侵害。由于PGPR具有促生能力和较强的适应能力，能够抵御外界不利条件，在植物病害防治中起着重要作用。笔者对PGPR促进植物生长、提高抗逆性的生理机制和防治黄瓜枯萎病的研究进展进行了综述。

1 植物根际促生菌的作用机制

PGPR可通过生物固氮、溶磷和解钾等作用提高寄主植物对土壤氮、磷、钾等矿质元素的吸收和利用，或者通过调节植物激素水平来直接促进植物生长，以及通过产生抗生素、分泌嗜铁素、与病原菌竞争和诱导植物产生系统抗性（Inducedsistiemicresistance，ISR）等作用来防治植物病害和提高植物的抗逆性。

1.1 促进植物根际营养吸收

在植物生长中，氮、磷、钾等营养元素是限制植物生长和产量的主要因素。土壤中虽含有大量的营养元素，但其可利用率低，不易被植物体吸收利用。而PGPR菌株可通过固氮、溶磷、解钾等方式提高土壤中营养元素的可利用率，促进宿主植物对营养元素的吸收利用，从而促进植物的生长。Han等研究发现，接种束村氏菌属（sp.）P9和伯克霍尔德氏菌属（sp.）P10后，根际土壤中固氮菌和溶磷菌数量明显增多，碱解氮及速效钾含量显著提高，促进了寄主植物的生长。Esitken等研究发现，接种假单胞菌（sp.）BA-8、芽孢杆菌（sp.）OSU-142和芽孢杆菌（sp.）M-3能明显提高草莓产量，且接种后草莓叶片中磷、锌等营养元素含量显著增加。Kang等研究发现，接种类球红细菌（）能够显著提高黄瓜叶片中钙、钾、镁和磷酸盐含量，促进黄瓜植株的生长。

1.2 产生植物激素

植物激素对植物生长发育有着重要作用，而研究表明多种PGPR具有分泌生长素（IAA）、细胞分裂素（CTK）、赤霉素（GA）等植物激素的能力。Cassán等研究表明，固氮螺菌（sp.）能够分泌IAA、GAs、CTKs、ABA等调控寄主植物的生长发育。李建宏等研究发现，蕈状芽孢杆菌（）Gnyt1能分泌IAA、GA及玉米素等多种激素，显著促进青稞的生长。此外，研究还发现假单胞菌（sp.）、蜡样芽孢杆菌（）、枯草芽孢杆菌（）等可通过产生CTK调节植物叶片气孔的开闭，提高植物逆境下的光合效率，促进新叶重生、延缓宿主植物的衰老。另外，一些PGPR自身不产生植物激素，但能够通过产生1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶，影响寄主植物乙烯的合成水平，从而增强寄主植物的抗逆性。例如，多粘类芽孢杆菌（）ANR-ACC3、恶臭假单胞菌（）UW4及链霉菌（sp.）PGPA39等能够产生ACC脱氨酶进而降低寄主植物中的乙烯合成水平，从而增加植物在逆境条件下的耐受能力，促进植物生长。

1.3 提高植物抗病性

1.3.1 与病原菌的竞争 PGPR可通过竞争作用及形成生物膜与病原菌争夺营养和生存空间，抑制病原菌生长进而降低病害发生概率。Chen等研究表明，枯草芽孢杆菌生物膜形成能力和表面活性素的产生能力是防治番茄青枯病的重要机制。Shi等研究指出，多粘类芽孢杆菌（）NSY50能够通过改变根际微生物群落结构和组成，激活有益菌群，减少枯萎病病原菌尖孢镰刀菌的丰富度，进而有效控制黄瓜枯萎病的发生。此外，多项研究表明，荧光假单胞菌（）分泌嗜铁素，与病原菌竞争土壤中可利用的铁元素，抑制病原菌孢子的萌发，进而降低植物发病率。还有研究指出，利用尖孢镰刀菌的非致病菌与致病菌进行营养与侵染位点的竞争，也能达到较好的防治病害效果。

1.3.2 分泌拮抗物质 一些PGPR能够释放特异或非特异性的代谢物，抑制病原菌的正常生长或杀灭病原菌。研究表明，PGPR诸如哈茨木霉菌、假单胞菌和多粘类芽孢杆菌等，可以分泌几丁质酶、纤维素酶、葡聚糖酶和蛋白酶等水解酶或胞外酶，破坏尖孢镰刀菌（）、辣椒疫霉菌（）、甜瓜蔓枯病菌（）等病原菌的细胞壁，从而提高植物抗病性，达到防治植物病害的目的。娄海博等研究发现，荧光假单胞菌（）SN15-2能产生2，4-二乙酰基间苯三酚（2，4-DAPG）、硝吡咯菌素（Pyrrolnitrin）、藤黄绿脓菌素（Pyoluteorin）等抗生素来抑制番茄青枯病的发生。此外，一些PGPR如多粘类芽孢杆菌WR-2，埃吉类芽孢杆菌（）HOA73还能产生诸如2，3-二羟基苯甲酸甲酯、苯甲醛、十六烷醛等挥发性有机化合物，对尖孢镰刀菌、灰葡萄孢菌、辣椒疫霉菌等病原菌均有较强的抑制作用。

1.3.3 诱导系统抗性 一些PGPR还能够诱导植物产生系统抗性（induced systemic resistance，ISR）。Cecchini等研究表明，荧光假单胞菌（）WCS417r能够诱导拟南芥对丁香假单胞菌（pv.）、寄生霜霉菌（）及灰霉病菌（）等多种病原菌产生系统抗性，具有广谱抗性。Ferraz等研究发现，链霉菌（）UFV618、蜡样芽胞杆菌（）UFV592和黏质沙雷氏菌（）UFV252均能增强番茄过氧化物酶、多酚氧化酶、葡聚糖酶、几丁质酶、苯丙氨酸解氨酶和脂肪加氧酶活性，诱导番茄植株抵抗番茄枯萎病。另外，还有研究发现假单胞菌（sp.）CH267和双色蜡蘑（）甚至能够诱导植物对食草昆虫的系统抗性。

2 PGPR防治黄瓜枯萎病机制及效果

PGPR具有安全、高效、对环境无污染等优点，是防治黄瓜枯萎病的有效方法之一。然而，不同PGPR与不同植物复杂的互作模式，以及不同PGPR易受到环境因素影响造成防效减弱等问题，制约了生防技术和产品在农业生产中的推广与应用。因此，及时总结不同PGPR防治黄瓜枯萎病的防病效果和作用机制，对进一步研发用于黄瓜栽培生产的PGPR产品具有重要意义。以下从细菌、真菌以及放线菌展开，总结归纳其对应PGPR的作用机制（表1）。

表1 PGPR防治黄瓜枯萎病的作用机制

2.1 细菌

2.1.1 假单胞杆菌属 假单胞杆菌（sp.）能产生苯吡啶、氢氰酸、硝吡咯菌素及脂肽等多种抗生物质，对真菌、细菌、原生动物和线虫等具有拮抗作用。研究表明，通过黄瓜间作、施肥等措施，改变根际细菌群落组成。其中，根系假单胞杆菌（）数量的增多有利于抵御黄瓜枯萎病。Islam等从植物根际分离出的铜绿假单胞杆菌（）BA5可以通过溶磷、固氮、产生有机酸和形成生物膜的方式来促进黄瓜生长，通过产生嗜铁素、释放挥发性物质，对FOC菌丝抑制率达58.33%，能有效防治黄瓜枯萎病。El-Sharkawy等将荧光假单胞杆菌（）接种于黄瓜植株，发现该菌能够提高过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）等防御酶活性，对FOC菌丝抑制率达87.04%，降低了黄瓜植株枯萎病发病率。Alizadeh等研究发现，荧光假单胞杆菌能诱导植物产生系统抗性，防治黄瓜枯萎病。此外，在黄瓜枯萎病侵害下，植株接种假单胞杆菌（）18/1K 4周后，黄瓜产量提高了41.8%，显著降低了枯萎病带来的损失。

2.1.2 芽孢杆菌属 芽孢杆菌（sp.）可以产生耐高温、辐射、高酸碱等抗逆性极强的内生芽胞，在土壤中能够良好地定殖，且具有防病增产的作用。因此，筛选具有高拮抗活性的芽孢杆菌备受人们的重视。目前，已经分离出解淀粉芽孢杆菌（）、巨大芽孢杆菌（）、枯草芽孢杆菌（）等多种能有效拮抗黄瓜枯萎病的菌株。Cao等研究发现，枯草芽孢杆菌（）SQR9能产生枯草菌素（Subtilin）、表面活性素（Surfactin）等多种抗真菌化合物，可抑制黄瓜枯萎病。Jia等研究发现，枯草芽孢杆菌（）B006通过产生脂肽类代谢物质和诱导系统抗性防治黄瓜枯萎病，对黄瓜枯萎病抑制率达42.9%。Han等研究发现，解淀粉芽孢杆菌（）B1408通过增加有益菌群数量来改变土壤微生物群落，减少病原菌在黄瓜根际定殖数量，降低黄瓜枯萎病的发生率，从而促进黄瓜生长。近年来，用于防治黄瓜枯萎病的芽孢杆菌大多分离于土壤或植株根际。而陈香等从海洋中分离出海洋源蜡样芽孢杆菌（）Y3F，能分泌抑制病原菌生长的活性物质，提高黄瓜植株生物量，显著降低黄瓜根际土壤真菌和尖孢镰刀菌数量，增加根际土壤细菌和放线菌数量。

2.1.3 类芽孢杆菌 类芽孢杆菌（sp.）可以产生多种抗菌物质，包括抗真菌的多肽类、具有拮抗作用的蛋白类和核苷类物质等，对黄萎病、软腐病、枯萎病等多种植物病害有很好的防治效果，是一种重要的植物根际促生菌。Du等研究发现，接种多粘类芽孢杆菌（）NSY50能通过改善黄瓜根系中防御相关蛋白的代谢，缓解枯萎病引起的植株损伤。Zhai等研究发现，多粘类芽孢杆菌（）HX-140能产生蛋白酶、纤维素酶、β-1，3-葡聚糖酶和抗真菌挥发性化合物，有效降低黄瓜幼苗的枯萎病发病率达50.9%。Li和Chen发现了首个既能产生镰孢菌素（fusaricidin）又能固氮的多粘类芽孢杆菌（）WLY78，其产生的镰孢菌素（fusaricidin）可通过水杨酸信号诱导黄瓜对枯萎病的系统抗性，对黄瓜枯萎病菌有较强的抑制作用。此外，张晓琳等研究发现，将多粘类芽孢杆菌（）NSY4作为生防菌基质接种于黄瓜植株，能显著促进黄瓜生长，提高根际酶活性，并显著增加了根际基质中细菌、放线菌数量，减少了真菌、尖孢镰刀菌数量，对黄瓜枯萎病的防治效果达到25.00%～62.50%。

2.2 真菌

2.2.1 木霉菌 木霉（）是重要的土壤习居菌。木霉菌对病原菌具有拮抗、重寄生和竞争等作用，具有安全、持久、有效等特点，是比较理想的生防真菌。木霉对黄瓜枯萎病的抑制作用显著，已经被广泛应用于黄瓜枯萎病的防治。近年来，随着对木霉菌防治黄瓜枯萎病研究的深入，它的作用机制也逐渐被挖掘。在利用棘孢木霉（）525、哈茨木霉（）610和拟康氏木霉（）886防治黄瓜枯萎病的研究中发现，3种木霉菌通过促进黄瓜幼苗生长、增强植物抗氧化酶活性、降低质膜透性和丙二醛含量，从而提高了对黄瓜枯萎病的抗性。Wu等鉴定了一种新型棘孢木霉（）GDFS1009，它分泌几丁质酶、葡聚糖酶和蛋白酶及多种抗菌次生代谢物质防治黄瓜枯萎病。Chen等研究发现，哈茨木霉（）TH58通过增强抗氧化能力，降低黄瓜枯萎病菌侵染后根系活性氧和活性氮的积累，调控AsA-GSH和OPP途径防治黄瓜枯萎病，进一步完善了木霉对黄瓜尖孢镰刀菌的防御机制。Kareem等研究发现，接种长枝木霉（）NGJ167不仅能降低黄瓜枯萎病发病率，还能明显提高黄瓜单果质量，并在黄瓜中检测不到长枝木霉的DNA，这对将木霉菌投入到农业生产中有重要意义。还有研究表明，将木霉菌与优质有机肥结合应用，能提高对黄瓜枯萎病防治效果的稳定性和持效期。这为进一步利用木霉菌防治黄瓜枯萎病提供了新思路。

2.2.2 丛枝菌根真菌 丛枝菌根（，AM）真菌可以和包括黄瓜在内约80%的维管束植物的根系形成菌根共生。适宜的菌根共生体组合有利于促进植株生长以及激活寄主防御机制。众多研究表明，植物根系中丛枝菌根的产生有利于提高植物对土传病害的抗病性和耐病性。王倡宪等研究发现，接种与两种AM真菌可减轻苗期黄瓜枯萎病病害，与其能诱导幼苗根系几丁质酶、β-1，3-葡聚糖酶与PAL酶等防御酶活性有关。Hu等研究发现，丛枝菌根真菌不仅能降低黄瓜枯萎病发病率，还能提高黄瓜产量。利用根际促生细菌或褪黑素等外源物质与丛枝菌根真菌联合施用，能促进丛枝菌根真菌在根系的定殖，提高对黄瓜枯萎病的防治效率。不过目前利用丛枝菌根真菌防治黄瓜枯萎病研究较少，要将丛枝菌根真菌应用到生产中还需分离出更高效的菌株。

2.2.3 其他真菌 目前，已报道的防治黄瓜枯萎病的生防真菌还有酵母菌、非致病镰刀菌、青霉菌等。Luo等在雅浦海沟分离出一株篮状菌（）DYM25，对黄瓜枯萎病的防治效果达52.9%，这可能与其产生的具有抗菌作用的生物碱有关。张俊杰等从葡萄果表皮分离出1株对黄瓜枯萎病菌有较强拮抗作用的酵母菌1-101，其产生的挥发性物质对病原菌的抑菌率高达52%。李舒展研究发现，青霉菌NSY15能通过促进黄瓜幼苗养分吸收，提高其抗氧化酶活性防治黄瓜枯萎病，防病指数达52.39%。Huang等研究发现，污泥和有机堆肥能防治黄瓜枯萎病是因为含有非致病性尖孢镰刀菌。目前，还无法通过菌株形态特征将致病性尖孢镰刀菌与具有生物防治潜力的非致病性尖孢镰刀菌分离。Wang等利用修饰后的引物FIGS11/NPIGS-R，分离鉴定出尖孢镰刀菌的非致病菌以有效防治黄瓜枯萎病。Abro等分离出青霉菌（sp.）、肉座菌（sp.）、脉胞菌（sp.）等多株内生真菌，对黄瓜枯萎病菌菌落均有较强的抑制作用，在温室实验中共接种多株内生真菌，能有效防治黄瓜枯萎病。

2.3 放线菌

放线菌能合成多种抗生素及分泌蛋白酶、淀粉酶、几丁质酶等多种水解酶，在防御植物病害中有重要的作用。目前，已分离出龟裂链霉菌（）、肉桂栗色链霉菌（）等多种放线菌用于防治黄瓜枯萎病。梁银等研究发现，白刺链霉菌（）CT205能抑制黄瓜枯萎病病原菌菌丝的生长，对黄瓜枯萎病防治效果为51.85%。圆圆等研究发现，苍黄链霉菌（）S-101能与病原真菌产生拮抗作用，菌株S-101发酵液对黄瓜枯萎病的防治效果达57.11%。Lu等研究发现，放线菌M527发酵液中抗真菌物质龟裂杀菌素能显著抑制尖孢镰刀菌孢子萌发，有效防治黄瓜枯萎病。此外，放线菌还能通过提高可溶性糖、可溶性蛋白含量，提高抗氧化酶活性，从而诱导植物产生系统抗性来防治枯萎病。目前，已有报道从海洋、冰川等极端环境中分离出放线菌。王皓等从海洋中分离出链霉菌YH91，对黄瓜枯萎病病原菌抑菌效果明显。而利用放线菌发酵液能进一步提高黄瓜枯萎病防治效率。放线菌HGJ-5通过固态发酵，研制出粉剂和颗粒剂2种剂型的生防剂，2种剂型对病害的防效在50%以上，显著高于50%多菌灵可湿性粉剂。

3 问题与展望

利用PGPR防治黄瓜枯萎病具有绿色、环保、高效的显著优势，近年来已经成为农业持续发展研究的热点之一。但是目前对于PGPR防治黄瓜枯萎病的研究大多还处于菌株分离与鉴定及其抗病机制的初级研究阶段，真正投入大田生产的PGPR还相对较少，并且要将其作为生防菌剂及产品运用到生产实践中，还存在诸多问题。首先，一些研究者指出，如果PGPR不能在植物根围成功定殖，所有的防病机制都没有真正的生防价值。PGPR的定殖能力对其防病效果和促生效果至关重要。然而，大田生产中PGPR的定殖受土壤理化性质、作物类型、气候条件、栽培管理措施等诸多因素的影响，研究利用有机肥、生物炭等作为PGPR菌肥载体，提高PGPR的稳定性，提高防治效率，显得尤为重要。其次，随着越来越多的不同功能的PGPR被挖掘，利用不同PGPR与植物根际微生物群落之间的互作，以增强土壤抑病能力越来越受到重视，研发适应性强的复合PGPR菌剂防治植物病害将是今后研发的热点。总之，进一步开发和利用PGPR防治蔬菜作物病害将会是蔬菜产业可持续发展的重要课题和有效策略。