芽孢桿菌防治植物病害的機理及研發(fā)問題探究,植物保護論文

芽孢桿菌防治植物病害的機理及研發(fā)問題探究,植物保護論文長期以來，植物病害的防治主要以化學農藥為主，化學農藥對農業(yè)生產上防治病蟲害起了特別重要的作用，但長期不合理使用化學農藥產生了眾多問題。如化學農藥不僅對人、畜的健康造成危害，而且對土壤、水體、大氣造成嚴重污染，毀壞了生態(tài)平衡；病原菌和害蟲抗藥性的不斷加強，農藥的使用量和使用頻度不斷加大，出現了用藥量與病蟲害互相遞增的惡性循環(huán)。因而開發(fā)對人類和環(huán)境友好、并具良好防治效果的新植物病蟲害防治策略尤為重要[1].隨著人們對食品安全的日益重視和可持續(xù)控制病蟲害發(fā)展的需要，生物防治遭到各國和植物保衛(wèi)專家的重視。生物防治是以生態(tài)學為基礎來控制有害生物，是綜合防治體系中一個必不可缺少的組成部分。生物防治避免了化學農藥使用帶來的一系列植保、環(huán)境和能源方面存在的問題，促進了環(huán)境生態(tài)平衡和農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。植物微生態(tài)學理論以為[2]:存在于植物體表或體內的微生物群落是一個動態(tài)平衡的生態(tài)系，一旦平衡打破，則發(fā)生植物病害；植物病害生物防治是在被病原物占據主導的生態(tài)系中引入有益的微生物，構成不利于病原物生長而利于植物生長的新的動態(tài)平衡體系，進而控制病害發(fā)生和發(fā)展。近年來隨著分子生物學技術、發(fā)酵工程和生物信息工程等新技術的飛速發(fā)展，為生物農藥的研發(fā)應用奠定了堅實的理論基礎和可靠的技術道路。芽孢桿菌作為重要的生防資源，具有廣闊的應用前景。利用芽孢桿菌防治植物病害，國內外報道較多[3-7].芽孢桿菌在生長經過中能夠在寄主植物根、葉圍定殖，與病原菌競爭營養(yǎng)和侵染位點；分泌抗菌物質、抑制病原菌生長；誘導植物產生系統抗病性、抵御病原菌入侵，進而到達生物防治的目的。同時，芽孢桿菌能夠產生耐熱、耐旱、抗紫外線和有機溶劑的芽孢，所以是理想的生防菌挑選對象。很多性狀優(yōu)良的芽孢桿菌菌株已成功應用于植物病害的防治。本文就芽孢桿菌類生物殺菌劑的研發(fā)現在狀況、芽孢桿菌防治植物病害的機理以及在實踐應用中存在的問題進行扼要綜述。1芽孢桿菌類生物殺菌劑的研發(fā)現在狀況芽孢桿菌Bacillusspp.是一類好氧或兼性厭氧、革蘭氏染色陽性、產芽孢的桿狀細菌。芽孢桿菌產生的芽孢，有較強的抵抗枯燥、熱和紫外線輻射等外界環(huán)境壓力的能力，同時芽孢桿菌種群中有很多具有特殊功能的菌株，所以在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學和食品加工等領域中有廣泛的應用價值[8,9].由于生防芽孢桿菌具有抑制多種植物病原菌的能力，并且是自然界中廣泛存在的非致病細菌，對人畜無害，對環(huán)境友好，因而，備受國內外植物保衛(wèi)和環(huán)境保衛(wèi)專家的青睞。當前，生防芽孢桿菌廣泛應用于植物根部、枝干、葉片以及果蔬采后病害的防治上[10-13].1.1國外生防芽孢桿菌的應用現在狀況美國已有3株枯草芽孢桿菌Bacillussubtilis和1株解淀粉芽孢桿菌B.amyloliquefaciens獲得環(huán)保局〔EPA〕商品化生產應用許可，進入大面積推廣應用，并獲得較好的銷售業(yè)績?？莶菅挎邨U菌GB03商品名為Kodiak,由Gustafson公司研發(fā)，主要應用于土菌病害防治，十分是棉花和大豆的種子處理，在美國市場的銷售良好?？莶菅挎邨U菌MBI600商品名為Subtilex,由MicrobioLtd公司研發(fā)，主要通過根部使用或拌種防治由鐮刀菌、曲霉菌等引起的豆類、棉花和花生的根部病害?？莶菅挎邨U菌QST713商品名為Serenade,由AgraQuest公司開發(fā)，能同時防治由真菌和細菌引起蔬菜和水果的葉面病害。解淀粉芽孢桿菌FZB42和枯草芽孢桿菌GB122混用制成的殺菌劑商品名為BioYield,由Gustafson公司研發(fā)，應用于防治蔬菜、櫻桃、葡萄、葫蘆和胡桃的白粉病、霜霉病、疫病、灰霉病等病害。德國將解淀粉芽孢桿菌FZB42用于微生物肥料，解淀粉芽孢桿菌CECT5940作為飼料添加劑。澳大利亞開發(fā)的B.subtilisA-13對麥類和胡蘿卜立枯病以及其他土傳病害具有很好的防治和增產作用。日本東京技術研究所的枯草芽孢桿菌RB14和NB22分別對立枯絲核菌Rhizoctoniasolani、尖孢鐮刀菌Fusariumoxysporum和青枯菌Pseudomonassolanacearum引起的番茄病害有良好的防效。1.2國內生防芽孢桿菌的研發(fā)大概情況國內科研工作者對具有生防作用的芽孢桿菌進行了廣泛的研究。我們國家利用枯草芽孢桿菌防治植物病害的應用研究也到達了世界先進水平，現已開發(fā)出一批生防作用優(yōu)良的枯草芽孢桿菌菌株如Bs-916、B908、B3、B903、BL03、XM16、BII、PRs5、ZH-2.江蘇省農業(yè)科學院植物保衛(wèi)研究所陳志誼等[14,15]挑選獲得的菌株Bs-916對多種病原真菌和水稻白葉枯病菌都有顯著抑制作用，自從1991年至今對水稻紋枯病田間防效穩(wěn)定在60%~81%,累計推廣應用面積達800萬hm2.南京農業(yè)大學[16]生防菌B3〔商品名麥豐寧〕對小麥紋枯病田間防效50%~80%.云南農業(yè)大學和中國農業(yè)大學共同研制的微生物農藥百抗〔10億孢子/g枯草芽孢桿菌可濕性粉劑〕，已獲得農業(yè)部登記注冊，累計推廣面積約4667hm2,主要防治水稻紋枯病、三七根腐病、煙草黑脛病。林東等[17]發(fā)現枯草芽孢桿菌SO113對水稻白葉枯病菌具有強烈的抑菌作用。胡劍等[18]從枯草芽孢桿菌BS-98中分離純化抗真菌蛋白，發(fā)現該抗菌蛋白對蘋果輪紋病、蘆筍枯萎病具有很強的抑制作用。顧真榮等[19]評估顯示枯草芽孢桿菌G3對菜豆和茄子苗期炭疽病、菌核病以及番茄葉霉病均具有很好的防效。不同生防菌株的抑菌譜、抑菌作用及機理等有較大差異。如從絲瓜根際土壤分離到的枯草芽孢桿菌TG26[20],對小麥赤霉病和西瓜枯萎病有較強的抑制作用，對小麥赤霉病的盆栽防效達89.8%,對西瓜枯萎病的苗期防效達100%.張榮勝等[21]挑選到一株解淀粉芽孢桿菌Lx-11在田間防治細菌性條斑病菌上防效達60.2%,顯著高于化學藥劑20%葉枯唑的防效。王奕文等[22]從甜瓜外表分離到1株解淀粉芽孢桿菌，對灰葡萄孢、鏈格孢、尖孢鐮刀菌、黑曲霉和粉紅單端孢等8種果蔬采后病原真菌具有廣譜的拮抗作用；陳士云等[23]從土壤中分離到1株解淀粉芽孢桿菌CH22,對油菜盤核菌具有強烈的抑制作用；歐雄常等[24]從紅樹內生細菌中分離到1株能夠拮抗辣椒疫霉病的解淀粉芽孢桿菌RS261,噴施RS261后6d的防效大于80%,9d的防效為60%.截止到2020年12月，我們國家芽孢桿菌類生物殺菌劑已經完成農藥登記的生防芽孢桿菌的種類有5種；產品共有59個，產品的劑型主要有水劑、可濕性粉劑和懸浮劑3種〔表1〕。2芽孢桿菌防治植物病害的機理關于芽孢桿菌的防病促生作用機制，國內外學者進行了大量研究。普遍以為芽孢桿菌生防機制主要有營養(yǎng)和空間位點競爭，分泌抗菌物質，溶菌作用，誘導植物抗病性等方面。芽孢桿菌生防效果具體表現出是以上幾種方式共同作用的綜合效果。2.1營養(yǎng)與空間位點競爭作用營養(yǎng)和空間位點競爭指存在于同一個微生態(tài)環(huán)境中的2個或2個以上微生物之間對空間、營養(yǎng)、氧氣等進行競爭的現象。營養(yǎng)競爭是生防芽孢桿菌在微生態(tài)環(huán)境中與其他微生物〔包括病原菌〕在其定殖部位爭奪可利用營養(yǎng)物質，這些物質包括微生物生長發(fā)育必需的氨基酸、無機鹽、碳水化合物維生素等。鐵離子是微生物在繁衍經過中必需的營養(yǎng)成分之一，微生物通過分泌嗜鐵從來獲取環(huán)境中的Fe3+,通過微生物特異性受體轉運到細胞內知足本身需要[25].缺鐵環(huán)境下，生防芽孢桿菌能產生鐵的螯合物或鐵載體，通過螯合土壤環(huán)境中Fe3+使得病原菌可利用的Fe3+大量減少進而抑制病原菌生長[26,27].空間位點競爭是生防芽孢桿菌在植物根際、體表或體內以及土壤中與病原微生物互相作用，尤其是病原菌侵入位點的爭奪。Bacon等[28]從玉米體內分離的內生芽孢桿菌與玉米病原真菌串珠鐮刀菌FusariummoniliformeSheldon具有一樣的生態(tài)位點，生防芽孢桿菌能在玉米體內迅速定殖和繁衍，因此有效降低串珠鐮刀菌及其毒素的積累。黎起秦等[29]發(fā)現菌株B47主要是在番茄維管束中定殖，進而抑制番茄內生病菌的生長。芽孢桿菌在植物根、葉圍的定殖能力決定了其與病原菌在營養(yǎng)與空間競爭的優(yōu)勢地位，是其發(fā)揮植物病害生物防治作用的重要機制之一。2004年Bais等[30]通過綠色熒光標記枯草芽孢桿菌6051和紅色熒光標記病原菌丁香假單胞桿菌P.syringae,系統研究了枯草芽孢桿菌與病原菌在植物根部的競爭作用，結果表示清楚，枯草芽孢桿菌6051能很好地在植物根部定殖，構成一層生物膜，并成功地抑制丁香假單胞桿菌的繁衍，進而到達較好的生物防治效果。2020年Zeriouh等[31]通過綠色熒光標記枯草芽孢桿菌UMAF在甜瓜葉面的定殖情況，枯草芽孢桿菌UMAF在葉面構成不成熟的生物膜，存活下來；待病原菌毀壞了植物組織，植物葉面釋放出更多的營養(yǎng)物質，比方蛋白質、多糖和核酸等細胞物質，枯草芽孢桿菌利用這些物質進行繁衍和構成生物膜，保衛(wèi)植物的病斑組織?？莶菅挎邨U菌UMAF能在甜瓜葉面成功定殖，是其能有效防治由病原真菌Podosphaerafusca和病原細菌Pectobacteriumcarotovorum引起的甜瓜葉面病害的重要因素[32].進一步深切進入研究發(fā)現，枯草芽孢桿菌UMAF在葉面定殖，主要歸功于其分泌的脂肽類抗生素外表活性素激活枯草芽孢桿菌TasA蛋白和EPS多糖基因的表示出，進而構成了成熟的生物膜[33-35].芽孢桿菌在植物根、葉圍的成功定殖，是芽孢桿菌的一種多細胞行為，這種行為是多個基因、多種信號物質協同控制的結果[36,37].對芽孢桿菌定殖能力的進一步深切進入研究，有利于我們愈加理解這種行為，也將為我們進一步利用芽孢桿菌防治植物病害提供理論基礎。2.2分泌抗菌物質自1945年Johnson和Campbell[38]報道枯草芽孢桿菌分泌抗菌物質以來，當前人們從芽孢桿菌的不同菌株中發(fā)現60多種抗生素。這類次生代謝產物除了對病原真菌、細菌、病毒有抑制作用外，對芽孢桿菌生物膜構成、誘導植株產生抗病性均有影響。這些抗菌物質是芽孢桿菌抑制其他微生物生長、維持生態(tài)競爭能力的重要武器。通常具有優(yōu)良防治效果的芽孢桿菌，其基因組有4%~5%的核酸序列用于抗菌代謝產物的合成，能合成多種抗菌產物，這些抗菌代謝產物能夠抑制病原真菌和細菌的生長繁衍。2.2.1芽孢桿菌產生的抗生素生防芽孢桿菌分泌產生的抗生素，根據生物合成途徑分為兩大類：1〕由核糖體途徑合成的小分子物質；2〕由非核糖體途徑酶系統合成的多肽類物質和其他一些活性物質。當前，非核糖體途徑合成的抗生素研究比擬深切進入，主要包括脂肽類化合物、聚酮類化合物、多肽類化合物和其他抗菌活性物質。脂肽類化合物的理化性質較為穩(wěn)定，對氯仿等有機溶劑有一定的耐受力，抗紫外線，對蛋白酶類的處理不敏感[39].根據其構造上的差異主要分為3大類：外表活性素〔surfactin〕、伊枯草菌素〔iturin〕和泛革素〔fengycin〕。外表活性素〔surfactin〕是由枯草芽孢桿菌所產生的晶狀外表活性劑，其分子量約為1KDa,化學構造為含有7個-氨基酸和具有13、14或15個碳原子的-羥基脂肪酸交聯構成內酯環(huán)狀極性分子類化合物，具有很強的溶血活性，表現