枯草芽孢桿菌的生物活性及其控病作用機制

枯草芽孢桿菌的生物活性及其控病作用機制

本生物科學是一種含有生物科學特征的陽性細菌。根據(jù)其形態(tài)、生理生化特性和發(fā)芽特點，將其描述為枯草芽菌。它具有豐富多樣的生理特性，易于分離和培養(yǎng)。該菌在自然界中廣泛存在,同時還是植物體內常見的內生細菌,對人畜無毒害,對環(huán)境無污染,具有顯著的抗菌活性和極強的抗逆能力。其芽孢可以制成粉劑、可濕性粉劑等各種劑型或與化學農(nóng)藥混用而不失活。隨著“綠色植?！焙汀肮仓脖！庇^念的增強,枯草芽孢桿菌作為生物防治的潛在優(yōu)勢倍受關注。近年來,國內外學者就枯草芽孢桿菌防治植物病害方面進行了大量研究,并已開發(fā)出多種商品化菌劑應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。1植物生長的作用方式有關枯草芽孢桿菌的控病作用機制,國內外學者從各個角度進行了廣泛探討,其作用方式多種多樣,概括起來主要有競爭、拮抗、誘導植物抗病性和促進植物生長等幾個方面。1.1植物內生枯草芽孢桿菌的定殖和繁殖能力競爭作用是生防微生物發(fā)揮作用的重要機制之一。枯草芽孢桿菌的競爭作用主要包括營養(yǎng)競爭和空間位點競爭?？莶菅挎邨U菌以空間位點競爭占優(yōu)勢,即在植物根際、體表或體內及土壤中快速、大量繁衍和定殖,有效地排斥、阻止和干擾植物病原微生物在植物上的定殖與侵染,從而達到抑菌控病效果。營養(yǎng)競爭只在少數(shù)菌株中發(fā)現(xiàn),這些菌株可在營養(yǎng)條件好的植物傷口和溫濕度適宜、比較隱蔽的、微環(huán)境相對穩(wěn)定的葉面凹陷處、絨毛基部等定殖,表現(xiàn)出較強的競爭能力。植物內生枯草芽孢桿菌在植物體內具有很好的定殖和繁殖能力。Bacon分離的玉米內生枯草芽孢桿菌與病原串珠鐮孢菌有相同的生態(tài)位,因枯草芽孢桿菌能在玉米體內迅速定殖和繁殖,有效降低串珠鐮孢菌及毒素的積累。何紅等研究表明,BacillussubtilisBS-2和BS-1菌株可通過浸種、灌根和涂葉等接種方法進入番茄等多種非自然宿主植物體內定殖。1.2枯草芽孢桿菌的抗菌藥活性拮抗作用主要指兩種或兩種以上的微生物共同生長時,一種微生物在同化作用中產(chǎn)生某種或某幾種特異的次生代謝產(chǎn)物(如抗菌素等抗菌物質),改變其微環(huán)境,從而抑制甚至殺死另一種微生物的現(xiàn)象。自1952年J.Babard等從枯草芽孢桿菌培養(yǎng)液中分離出抗真菌肽以來,不斷有新的枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的拮抗物質被發(fā)現(xiàn),在生防中起關鍵的作用。枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的抗菌物質主要通過溶解細胞壁或細胞膜,造成原生質泄漏使菌絲斷裂或畸形,同時抑制孢子萌發(fā)。劉振宇等在研究枯草芽孢桿菌對桑炭疽病菌的抑制作用時發(fā)現(xiàn),枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的抗菌物質能導致桑炭疽病菌的菌絲及萌發(fā)的分生孢子產(chǎn)生的芽管和菌絲出現(xiàn)畸形。穆常青等研究發(fā)現(xiàn),枯草芽孢桿菌分泌的抗菌物質可以使芽管及成熟菌絲體的生長點膨大致畸,最后細胞破裂,內含物溢出,菌絲體崩潰,從而導致菌絲體生長受到抑制。另外,枯草芽孢桿菌對葡萄蔓枯病和灰霉病菌也表現(xiàn)出同樣的控制作用。枯草芽孢桿菌可產(chǎn)生一系列抗生素,其中脂肽類物質是其主要抗菌物質之一。脂肽類生物表面活性劑易溶于水,在油水界面上具有良好的表面活性;與化學表面活性劑相比,易被生物降解。如枯草菌素(subtilin),伊枯草菌素(iturins)、桿菌肽(bacitracin)等,其中包括iturinA-E,bacillomycinD,F,L,和mycosubtilin,它們都是由七個α-氨基酸(Al-A7)和一個獨特的β-氨基脂肪酸(βAA)組成的環(huán)狀肽,它們有一個一般的序列即c[βAA-Asx-Tyr-Asn-A4-A5-A6-A7],在β-氨基酸之后,從第一個α-氨基酸開始,從開環(huán)肽的N末端到C末端依次編號為1-7。由于脂肪酸鍵可以是n-,iso-或anteiso等形式,所以每一種伊枯草菌素都有多種同分異構體,自然產(chǎn)生的伊枯草菌素為八種同分異構體A1-A8組成的混合物。伊枯草菌素A(IturinA)是一種環(huán)狀脂肽,序列為c[βAA-Asn-Tyr-Asn-Glu-Pro-Asn-Ser],具有較強的抗真菌活性,且對哺乳動物毒性很低?？莶菅挎邨U菌IFO3039、YB8(KenjiTsuge等1996)產(chǎn)生的脂肽類表面活性劑,商品名為表面活性素(surfactin)。此外,Leiffert報道的枯草芽孢桿菌CL27也可以分泌脂肽類物質?？莶菅挎邨U菌168可產(chǎn)生非核糖體抗生素bacolysin和磷脂類抗生素bacilysocin物質。ErwinH.等人報道的枯草芽孢桿菌ATCC6633分泌抗菌枯草菌素mycosubtillin。1.3生成抗菌原素枯草芽孢桿菌不但能直接抑制植物病原菌的生長與繁殖,而且能通過誘發(fā)植物自身的抗病潛能從而增強植物的抗病性,即具有誘導植物產(chǎn)生抗病性的作用。BacillussubtilisFZB24(r)產(chǎn)生與植物抗性蛋白合成基因表達相關的信號蛋白,誘導植物抗性,也可通過分泌相關蛋白如絲氨酸專性肽鏈內切酶(Serinespecificendopeptidases)直接誘導植物抗性。用BacillussubtilisAF1處理木豆種子能誘導木豆苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性增加。BacillussubtilisIN937也能誘導黃瓜對Ervoiniatracheiphila的抗性,水稻紋枯病生防菌B-916能誘導水稻葉鞘細胞PAL、PO、PPO和SOD活性增強,Tang等研究也發(fā)現(xiàn)BacillussubtilisB3能誘導小麥PO活性的增加并產(chǎn)生新的PO。1.4枯草芽孢桿菌的保肝作用在植物根際生活的一類具有刺激植物生長和抑制植物病原菌等綜合作用的細菌群叫促進植物生長根際細菌(PlantGrowthPromotingRhizobacteria),簡稱PGPR。除上面三種直接作用的生防機制外,1998年發(fā)現(xiàn)生防枯草芽孢桿菌能促進植物根系及植株生長,增強了植物的抗病性,從而間接地減少病害發(fā)生。胡小加等研究發(fā)現(xiàn),枯草芽孢桿菌Tu-100對油菜、小麥、辣椒、西瓜、大豆和玉米苗期均有不同的促生效果。蔡學清等對辣椒內生枯草芽孢桿菌BS-2的研究證明,BS-2對辣椒苗有明顯的促生作用,同時,該菌株還可誘導辣椒體內吲哚乙酸等促進植物生長的激素含量提高,并降低脫落酸等抑制植物生長激素的形成。事實上,生防細菌對植物病原物的抑制通常并非某一機制的單獨發(fā)揮,而更多的是兩種或兩種以上抑菌機制協(xié)同作用的結果。2枯草芽孢桿菌的利用國內外使用芽孢桿菌防治植物病害非常廣泛,尤其是枯草芽孢桿菌。由于它的安全性和能產(chǎn)生多種抗菌物質的特性而受到生物防治工作者的偏愛。目前已有很多優(yōu)良的枯草芽孢桿菌菌株應用于生產(chǎn)實踐。日本東京技術研究所的枯草芽孢桿菌RB14和NB22分別對Rhizoctoniasolani、Fusariumorysporum和Pseudomonassolanacearum引起的番茄病害有良好的防效。澳大利亞開發(fā)的枯草芽孢桿菌A-13對麥類和胡蘿卜立枯病以及其它土傳病害具有很好的防治和增產(chǎn)作用。美國的4株枯草芽孢桿菌GBO3、MB1600、QST713和FZB24獲得環(huán)保局(EPA)商品化或有限商品化生產(chǎn)應用許可,GBO3、MB1600分別由美國Gustafson公司和MicrobisLtd公司開發(fā),根部施用或拌種可防治Fusarium、Aspergillus、Alternaria和Rhizoctonia引起的豆類、麥類、棉花和花生根部病害。我國利用枯草芽孢桿菌防治植物病害的應用研究也達到了世界先進水平,現(xiàn)已開發(fā)出一批防效良好的枯草芽孢桿菌制劑。南京農(nóng)業(yè)大學B3(商品名為麥豐寧)對小麥紋枯病田間防效達50%~80%。云南農(nóng)業(yè)大學和中國農(nóng)業(yè)大學共同研制的B908已獲得農(nóng)藥部登記注冊,商品名為百抗,在多個省推廣使用,大田應用中對水稻紋枯病防效達70%以上。武漢天惠生物工程公司開發(fā)的枯草芽孢桿菌制劑依天得(有效成分為BS-208)已廣泛應用于蔬菜、果樹和花卉等園藝作物的灰霉病、白粉病、霜霉病等病害的防治,并可與多菌靈、甲基托布津、百菌清等化學殺菌劑混用,增效作用明顯。枯草芽孢桿菌的開發(fā)應用潛力較大,經(jīng)培養(yǎng)發(fā)酵可加工成固體細菌殺菌劑。除了殺菌外,還具有促進根系發(fā)育和植株生長的作用。Kodiak是在美國上市的枯草芽孢桿菌新品種,主要用于防治植物免受病原菌Fusarium和Rhizoctonia的侵染,并具有刺激植物生長的作用,在美國的用量穩(wěn)步上升。許多枯草芽孢桿菌的菌株可以產(chǎn)生對主要植物病原真菌具有抑制活性的代謝產(chǎn)物,可通過發(fā)酵大量生產(chǎn),極有可能發(fā)展成為如BT一樣得到廣泛應用的生物農(nóng)藥。3復配協(xié)同的救濟技術目前,枯草芽孢桿菌作為生防菌在發(fā)展過程仍存在許多問題。大多數(shù)枯草芽孢桿菌的生防研究總體上還處于實驗室階段。在生產(chǎn)應用時,由于易受土壤溫濕度、pH值、作物生長狀況及土壤中生態(tài)系統(tǒng)等微環(huán)境因素的影響,防效不穩(wěn)。因此,影響了枯草芽孢桿菌的大面積推廣應用。要解決這一問題,可探討二種主要對策。首先是與化學農(nóng)藥復配使用。使用化學藥劑的目的是幫助枯草芽孢桿菌克服在土壤生態(tài)環(huán)境里定殖的過程中與其它微生物群落競爭,形成優(yōu)勢種群,使之有足夠的群體數(shù)量來克服包括病原菌在內的土壤習居微生物的排斥,保持其在植物根、葉周圍定殖,分泌抗生素,誘導植物抗病性等作用,同時發(fā)揮化學藥劑抑菌