解淀粉芽孢杆菌在农业领域的研究与应用

郭玥岐，周丽洪，龚利娟，郭晓艺

(1. 四川轻化工大学生物工程学院，四川 宜宾 644000；2. 四川省农业科学院水稻高粱研究所/农业部西南水稻生物学与遗传育种重点实验室，四川 德阳 618000 )

解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)属于芽孢杆菌属，其亲缘性与枯草芽孢杆菌相近，为革兰氏阳性细菌，属兼性厌氧细菌，杆状，可形成内生芽孢，呈椭圆形，两端钝圆，芽孢囊不膨大，中生到次端生，有运动性，菌落在LB培养基上和牛肉膏蛋白胨培养基上呈淡黄色不透明菌落，表面粗糙，有隆起，边缘不规则，在多种培养基上均不产色素，液体培养静止时有菌膜形成[1]。该菌是一种作物根际促生菌(plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR)，可以通过多种机制促进植物生长，其拮抗作用和触发“诱导全身性抗性”(ISR)的能力，使植物能够在适当刺激下增强自身的防御能力[2-3]，产生多种α-淀粉酶、蛋白酶、β-右旋糖酐酶、α-右旋糖酐酶、木聚糖水解酶等多种酶以及大量的二次代谢产物[4]，通过体内合成途径产生环状LP芽孢霉素D、风霉素、聚酮类药物和芽孢杆菌素、细菌素等抗菌物质[5]。解淀粉芽孢杆菌在各个领域均有较好的应用前景。在农业方面，有多个学者研究表明解淀粉芽孢杆菌能促进作物的生长、抗病能力、非生物胁迫抗性，通过实验对解淀粉芽孢杆菌的作用进行初探，发现解淀粉芽孢杆菌既可以通过自身表达改善植物外界环境，也可以通过调控植物本身代谢途径增强其对外界的抗性[6-9]。在医药、畜牧领域，解淀粉芽孢杆菌能够分解菊糖产生抑制癌细胞的活性多糖、降低微生物毒素对动物细胞的毒性、改善动物肠道菌群[10-13]。在矿业领域，解淀粉芽孢杆菌也表现出较好的脱硅提铝效果[14]。

随着现代农业技术的发展与应用，化肥和农药的不合理使用对中国农业的可持续发展带来了日趋严重的问题，如土地生产能力降低、土壤肥力下降、土壤板结、环境污染等问题突出[15]。解淀粉芽孢杆菌对植物、环境的促进作用引起广泛关注，有望代替化肥、农药应用于农业生产当中，形成一条绿色、无污染的生产链。本文就以解淀粉芽孢杆菌在农业生产上的研究展开阐述。

表1 解淀粉芽孢杆菌在各领域中的功能举例

1 促进作物生长

随着现代农业的发展，人们逐渐对作物有生长快、周期短、产量高的追求，因此大量化肥应运而生。然而化肥的不规范使用以及滥用会导致土地生产能力降低、土壤肥力下降、土壤板结、环境污染等问题[10]。解淀粉芽孢杆菌作为一种根际促生菌，能够为代替化肥，从生物的角度对作物进行增产。解淀粉芽孢杆菌能对地上、地下部位都有一定的促生作用(表2)，例如对茶树的抽梢有一定促进作用[16]、使烟草和玉米幼苗更粗壮[17]、促进槟榔盆栽苗生长、有利于马铃薯、拟南芥、西瓜、茶用菊幼苗的地上、地下部位生长[18-21]。

表2 解淀粉芽孢杆菌在各类作物上的研究情况

解淀粉芽孢杆菌自身合成IAA等生长激素直接促进作物的生长，能够提高作物体内谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶的含量，促进其对土壤中氮元素的吸收[18]。此外该菌其合成的2，3-丁二醇和乙酰脲挥发到大气后对周围作物有促生长的作用，通过Sec途径合成的植酸酶可以帮助分解植物无法吸收的土壤有机磷，从而促进作物生长发育，还能缓解土壤氨挥发，能够有效防止空气污染和提高氮素利用率[22-24]。

2 增强植物抵御病害的能力

作物对病害表现具有特异性，不同的作物对不同的病害抵御能力都大相径庭。土壤中各种病原菌对作物的侵染是作物患上病害的主要原因，因此要从根本上解决作物的病害，需要解决病原菌的侵染问题。解淀粉芽孢杆菌主要通过自身合成代谢产物的拮抗作用、影响致病菌定殖、调控植物代谢途径3种方式来防治病害(表3)。解淀粉芽孢杆菌产生的脂肽类化合物、聚酮类化合物、细菌素[25]使其对土壤中的致病菌有拮抗作用，抑制病原菌在土壤中的定殖。多位研究者在解淀粉芽孢杆菌产物中分离到一些抗真菌化合物，对病原菌有较强的抑制作用[26-29]。此外，解淀粉芽孢杆菌可以通过改变致病真菌的菌丝形态或妨碍孢子正常产生，抑制致病真菌的定殖与增殖，从外源方面杜绝致病菌对作物的侵染[30-31]。从内源方面，解淀粉芽孢杆菌可以通过诱导作物的一些抗病基因的表达，调控作物代谢途径，增强其对病原菌的防御力，并对病原菌的侵染做快速反应[32-34]。

3 提高作物抗非生物胁迫能力

3.1 通过改变作物体内酶活性从而加强作物对非生物胁迫的抗性

3.2 刺激植物代谢物合成，加强抗金属类胁迫能力

Zhou等[38]研究表明解淀粉芽孢杆菌SAY09的有机挥发物能够促进在Cd胁迫下植物体内生长素的生物合成，该物质能够刺激NO合成，并进一步激活了根细胞壁Cd固定增加和Fe摄取相关基因等一系列适应性机制，使植物的叶绿体呈现更多的正常颗粒堆积，增强Cd造植物根系中的固定，降低根部到枝条的易位比，最终使植物对Cd抗性增强。张莉[39]发现解淀粉芽孢杆菌QST713可以通过降低低钙胁迫下黄瓜幼苗的相对电解质渗透率来提升幼苗根以及叶中的钙元素含量，缓解低钙胁迫带来的损害，同时还能够通过促进幼苗叶绿素合成，提高光合电子传递效率和 PSⅡ参与光合的光化学反应效率，从而提高黄瓜幼苗对低钙胁迫的耐受性。

3.3 调整作物的胁迫激素水平，提升作物的抗胁迫能力

Sheteiwy等[40]将解淀粉芽孢杆菌接种于大豆的种子发育阶段并使大豆处于干旱条件下，发现该菌的加入缓解了干旱诱导的可溶性糖、脂类、蛋白质和油脂含量的降低，同时种子中的胁迫激素水平脱落酸(ABA)降低，赤霉素(GA)、反式玉米素核苷(ZR)和吲哚乙酸(IAA)升高，其质膜H+-ATP酶、膜Ca2+-ATP酶、Mg2+-ATP酶的水解活性也增加[40]。以上研究均表明解淀粉芽孢杆菌的加入可以增强植物本身对外界环境的抗压能力，通过促进植物体内抗胁迫基因的表达从而增强对非生物胁迫的能力。

4 土壤微生态环境得到改善

解淀粉芽孢杆菌不仅可以对土壤的理化、酶活性有所改善，同时还能修复土壤的微生态环境，避免连作带来的负面影响。胡基华发现解淀粉芽孢杆菌可以使土壤中的脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶数量增加，同时提高细菌和放线菌的数量，降低了真菌的数量[41]。樊祖青[42]将解淀粉芽孢杆菌B1619菌剂施用在烟草作物上，通过宏基因组微生物分类测序发现在在烟株整个生长过程中，无论是细菌还是真菌在目、门水平上均有差异变化，其中鞘氨醇单孢菌属(降解土壤有毒物质最有效的细菌属)和赤霉菌属(促进植物生长的真菌属)数量明显增加。Wang等[43]用解淀粉芽孢杆菌FH-1对黄瓜种植土壤进行浸泡，待黄瓜苗播种35d对土壤进行细菌多样性分析，发现FH对根际细菌多样性有负面影响，但变形杆菌属有所增加，酸杆菌属有所减少。Duan等[44]将解淀粉芽孢杆菌QSB-6作为菌肥施用于土壤中，发现该菌能显著改变土壤真菌群落结构，减少土壤真菌数量，其中镰刀菌的丰度显著降低，通过即时定量PCR测定发现增殖性黄萎病菌、黄萎病菌、尖孢黄萎病菌和茄病菌的丰度明显下降。曹旭等[45]利用在大豆根部分离到的一株解淀粉芽孢杆菌TF28对黄瓜进行施肥处理，通过ITS测序技术，对棚室连作黄瓜土壤真菌群落组成及结构变化进行分析，发现TF28对棚室连作黄瓜土壤真菌具有调节作用，使子囊菌门、接合菌门和担子菌门等腐生菌为主要优势菌类群，抑制对致病真菌镰刀菌属、核盘菌属、顶襄壳属和腐霉菌属的繁殖，同时提高毛壳菌属(具有生物防治作用)丰度。以上研究结果均表明，解淀粉芽孢杆菌在土壤定殖的同时，能够抑制一些致病菌的繁殖，降低真菌丰度及数量，对一些土壤益生菌有促进作用。

5 展望

使用生物方式代替化学手段将打开农业生产与环境资源相协调的农业新格局。解淀粉芽孢杆菌的促进农作物生长能力、防治作物病害能力、提升作物抗胁迫能力、改善土壤环境能力使其具有成为现代农业绿色产业链新技术的优势。解淀粉芽孢杆菌的培养成本低，解淀粉芽孢杆菌DF-7在蔗糖29.01g/L、蛋白胨24.45g/L、KH2PO46．47g/L的培养基内便能大量生殖[46]。该菌发酵液抗生素活性物质含量丰富且性质稳定，在最适条件下，解淀粉芽孢杆菌HRH317产生的抗菌肽含量为(50.53±0.37)μg/mL，其抑菌圈直径达15.97mm[47]。解淀粉芽孢杆菌DF-7发酵液在40～60℃、pH在4～8之间，在紫外照射90min以及-80℃的低温条件下均能保持一定的稳定性[46]。此外，解淀粉芽孢杆菌F11的发酵液经1000倍稀释后对樟树炭疽病菌防治效果可达100%，稀释10倍之后对烟草黑胫病菌、核盘病菌、玉米大斑病菌、猕猴桃软腐病菌4种病原菌均有一定防治效果[48]。说明解淀粉芽孢杆菌的代谢产物在较低的浓度下也能发挥作用。可利用以上特性对该菌发酵液进行产物提取，可为解决农业问题提供一条新的途径，工业上也可以对其进行大批量生产，具有一定的经济效益。发产物酵较稳定的特点使其具有成为生防菌剂的优势，，无论是其发酵液还是菌体本身均具有一定的经济价值。

利用解淀粉芽孢杆菌采用微生物处理的方式应用在农业上能够有效缓解化学手段带来的土壤营养失衡、病虫害的自然选择、农产品质量下降等一系列问题。未来有望通过生物的形式替代化学手段，从而从根本上解决农作物的问题，保护自然生态、提升经济效益，形成一条绿色无污染的生产链。