生防芽孢杆菌及假单胞菌拮抗植物微生物病害研究进展.pdf

北 方 园 艺 专题综述 作者简介 高芸 女 硕士 副教授 现主要从事微 生物学及微生物学检验等研究工作 收稿日期 生防芽孢杆菌及假单胞菌拮抗植物 微生物病害研究进展 高 芸 甘肃医学院 甘肃 平凉 摘 要 植物微生物病害不仅会导致农作物减产 而且可能使真菌毒素残留在农作物 中 严重威胁农作物生产 由于运用化学农药防治途径存在很大的局限性 如抗药性和残留 污染等 广大学者越来越重视研究微生物防治植物微生物病害的方法 该研究对拮抗菌的 主要种类 拮抗植物病害的研究现状 生防菌的基因工程技术研究进行了综述 并总结了拮 抗植物病害的研究前景 关键词 植物微生物病害 生防芽孢杆菌 生防假单胞菌 研究进展 中图分类号 文献标识码 文章编号 如同中医 不治已病治未病 的思想 目前针 对植物病害的问题措施主要还是以 防 为主 治 为辅 在遏制植物病害发生方面效果显著 防治植物病害的传统方法有物理防治 抗病育种 培育防治和化学农药防治等 农药处理种苗 轮 作等物理防治方法 可有效防治植物病害 一旦植 物被感染了病原菌 如果植物本身缺乏抵抗力 病 原菌引起的病害会迅速蔓延 通过抗病基因导入 培育抗病植物品种被认为是较有效的防治植物病 害的措施 但是通过杂交 筛选优良抗病品种 培 育周期长 成本高 化学农药防治是通过施用化学 农药杀死植物病原菌 具有使用方便和高效杀菌 等优点 但农药中的有毒化学物质也会造成环境 污染 以及化学农药诱导植物病原菌耐药等种种 隐患 从而使农药失去效用 并造成农药残留而影 响人类健康等问题 为克服上述传统植物病害防 治方法的隐患 生物防治作为一种有效的 新兴的 植物病害防治方法 已经受到广大研究学者的重 视 目前 生物防治较为广泛的是对拮抗菌的研 究 尤其对芽孢杆菌属和假单胞菌属的研究 拮 抗菌作为土壤和植物微生态的优势微生物种群 分布广泛 高度抗逆 对防治植物病害尤其是真菌 引起的植物病害 提高产品品质及增加作物产量 方面起到重要的作用 拮抗菌防治植物病害主要基于以下机制 对病原菌的拮抗作用 如同人体的皮肤表面和 与外界相通腔道中的正常菌群拮抗病原菌 植物 拮抗菌也是一样 与病原菌竞争生长所需的理化 条件及营养物质 利用在土壤中生长的种群优势 导致植物病原菌失去生存空间 拮抗菌分泌抗 菌活性物质 如青霉素产自于青霉菌 作为抗生 素可以抑杀其它细菌 在生长代谢过程中 拮抗 菌分泌的抗菌活性物质 如抗生素 细菌素和几丁 质酶等 既能杀死或溶解植物病原菌 也能使植物 生长的微环境发生改变 进而抑制病原菌生长 拮抗菌诱导寄生植物对病原菌产生抵抗力 研 究者发现 如同病毒诱导细胞产生抗病毒蛋白干 扰素 拮抗菌可分泌活性物质激活植物自身抗性 蛋白基因的表达 进而分泌抗性蛋白 抑制植物病 原菌的生长 拮抗菌吸附在植物病原菌的菌 丝表面或寄生于病原菌 如谯天敏等 发现绿帚 霉菌可以在植物病原菌赤枯病菌菌丝上生长 使 该植物病原菌变形 死亡 当然 有的拮抗菌拮抗 机制并非单一的 生防芽孢杆菌拮抗植物病害的研究 生防芽孢杆菌的生物学特性及分类 芽孢杆菌属 细菌是一种革 兰阳性杆菌 研究表明 芽孢杆菌具有较强的纤 维素酶 蛋白酶 淀粉酶等多种活性 这些酶能够 抑制或破坏周围其它菌群的生长 这种细菌具有 以下特性 对外界有害因子能够产生特殊抵抗 力的芽孢 分布广 主要存在于土壤 水和空气 中 且抑菌范围很广 因此芽孢杆菌是目前重点 研究的生物防治细菌之一 根据 伯杰氏系统细菌学手册 中分子分类 法 据 同 源 性 杂 交 分析 基因序列分析等 芽孢 杆菌属主要有以下几种 苏云金芽孢杆菌 枯草芽孢杆菌 包括蜡样芽孢杆菌 和地衣芽 孢杆菌 短小芽孢杆菌 炭疽芽孢杆菌 和巨大芽孢杆菌 在第九版 伯杰氏细菌系统学手册 中 记载了 种芽孢杆菌 苏云金芽孢杆菌 为革兰氏阳性土壤菌 在 芽孢形成中 不同亚种可产生不同形状的杀 虫蛋白晶体 这些晶体具有很强的杀虫性 苏云金 芽孢杆菌分布广 主要存在于昆虫 土壤 仓贮尘 埃 污水之中 其中 土壤是筛选苏云金芽孢杆菌 原始菌株的最普遍和最直接的来源 正是因为上 述特性 苏云金芽孢杆菌已成为应用前景最成功 也是最好的生防细菌之一 枯草芽孢杆菌也是革兰氏阳性菌 在枯草芽 孢菌体生长过程中 产生的枯草菌素 制霉菌素和 多粘菌素等活性物质对植物致病菌具有明显抑制 作用 枯草芽孢杆菌常在土壤 腐败有机物和 污水之中生长 目前 枯草芽孢杆菌已经广泛的 应用于动物饲料生产 水产养殖 水质净化 生物 医药和植物抗病等领域 并取得了显著的社会和 生态效益 生防芽孢杆菌拮抗植物病害的研究现状 据报道 大部分真菌能导致植物病害 目前国 内外的研究者对生物防治主要集中在筛选能够抑 制真菌生长且活性稳定的芽孢杆菌 美国研 制并生产的枯草芽孢杆菌菌剂 喷洒到 植物的叶面即可达到植物病害的防治 我国生 物防治虽然起步较晚 但也取得了很大的进展 中国农业大学已经研制出既具有生物防治的功 能 也能促进植物生长的多种枯草芽孢杆菌菌 剂 南京农业大学已经研制成功对小麦纹枯病 的抑菌作用达 的枯草芽孢杆菌菌剂 章 挺 筛选并得到了对黄曲霉具有显著抑菌作用 的枯草芽孢杆菌 并已经实现了对抗菌活性物质 的分离纯化 李晶等 筛选并得到了抑制黄瓜枯 萎病致病菌菌丝生长及孢子萌发的枯草芽孢杆菌 贾凤安等 筛选并得到的不仅可以抑制甜 瓜白粉病致病菌 而且可以抑制甜瓜霜霉病致病 菌的生长 生防效果非常显著的枯草芽孢杆菌 熊 艳等 筛选的枯草芽孢杆菌能分泌抑制植物病 原菌生 长 的 抗 菌 物 质 经验证该抗菌物质在 高温处理 和紫外线照射 后仍 然检测到显著的抑菌活性 其理化性质非常稳定 此外 我国研发并投入生产的枯草芽孢杆菌菌剂 如麦丰宁和百抗 在农药部已注册登记 除枯草芽孢杆菌外 短小芽孢杆菌也是学者 致力研究的常见生物防治细菌之一 据文献报 道 短小芽孢杆菌能够分泌的抑菌能力强的多种 酶类物质 如纤维素酶 脂肪酶 蛋白酶 淀 粉酶和木聚糖酶等 也能够抑菌范围非常广抗 菌物质 如抗菌素和抗菌蛋白等 短小芽孢杆 菌分泌的上述酶类和抗菌物质对多种植物的致病 病原菌有明显的抑制作用 生防芽孢杆菌中的基因工程技术研究 一般研究学者通过生物工程技术来实现生防 芽孢杆菌的遗传改良 其主要目的是 提高抗菌 物质的 表 达 增强生防芽孢杆菌的抗菌活性 增强抗菌物质的竞争能力及诱导抗性 以扩展 生防芽孢杆菌的抑菌谱 增强在植物寄主上的 定殖能力等 生防芽孢杆菌的遗传改良全部过程 一般分为 个步骤 获得目标基因 选择载体 克 隆目标基因的 片段并引入载体 构成重组 北 方 园 艺 月 下 载体 在宿主细胞内对重组载体复制和扩增 筛选 带有重组目标基因的转化细胞 鉴定外源基因的 表达产物 高学文等 构建了显著提高脂肽类 抗生素活性物质分泌量的枯草芽孢杆菌基因工程 菌 王益民 不仅通过把 葡聚糖酶基因和 几丁质酶 基因分别导入生防芽孢杆菌 中提高了其对 菌丝的裂解作用 而且通过诱 变育种 如芽孢杆菌 的 和 双突变后 生物合成变成组成性表达 来提高抗生素产量 其产物浓度可以达到野生菌 株的 倍之多 生防芽孢杆菌抗病害的研究前景 目前 国内外大多数研究者在生物防治新菌 种的开发方面投入了大量的研究工作 以繁殖快 生命力强 分布广 高抗逆 抑菌灭害为主要特点 的芽孢杆菌成为生物防治研究者的宠儿 枯草芽 孢杆菌 解淀粉芽孢杆菌 苏云金芽孢杆菌是当前生物防治芽孢 杆菌的主要研究对象 只有很少的学者以短小芽 孢杆 菌 多 粘 类 芽 孢 杆 菌 及其它芽孢杆菌作为生物防治研究对象 此外 大部分研究成果集中在筛选得到生防菌 以 及其初步的生抑菌机制 而对所研究生防菌的抗 菌物质未做进一步的分离纯化和鉴定 迄今为 止 生防芽孢杆菌防治在农作物应用范围研究十 分有限 主要集中在黄瓜 芒果 油桃 辣椒 玉米 拟南芥 香蕉 小麦 番 茄 甜菜 等 针对其它植物种类比如花卉等 的生防芽孢杆菌研究有待开展 植物采后病害防 治及花卉保鲜生防芽孢杆菌研究也亟待开展 探 索生防芽孢杆菌与化学农药混配的可能性 最佳 混配比例 混配种类 混配相容性 为提高生防芽 孢杆菌的作用效果 降低种植户生产成本提供有 效途径 此外 拮抗植物微生物病害的生防芽孢 杆菌国内外农业农村部登记注册及产业化进程也 需加速 亚宝 枯草芽孢杆菌 增产菌 蜡质芽孢 杆菌 是大家熟悉的已实现产业化的生防芽孢 杆菌 虽然生防芽孢杆菌抗病害的研究已经取得了 较多成果 但生防产业化进程仍然任重道远 在 产业化进程中 既要攻克生防菌发酵生产的培养 基配方以及最适于繁殖的生长条件等产业化生产 等关键技术 同时 还需要基于生产工厂的实际 生产条件制定合理和科学的生产工艺 解决上述 问题需要技术所有者和生产单位付出更多的时间 和精力 才可能实现生防技术从研究成果向批量 生产 乃至于实际应用的产业化进程 生防假单胞菌拮抗植物病害的研究 假单胞菌的生物学特性及分类 假单胞菌属 细菌是杆状或稍 弯的革兰染色阴性杆菌 不形成芽胞 有荚膜 菌 体大小约为 有 端鞭毛 可产生鞭毛运动 某些假单胞菌株能产 生荧光色素 或者红 蓝 黄等水溶性色素 有较强 的分解有机物的能力 假单胞菌多分布在土壤 水和多种植物中 此菌属有 种 至少有 种对 人或动物具有致病性 绿脓杆菌 和荧光假单胞菌 是比较常见 的假单胞菌属细菌 绿脓杆菌又名铜绿假单胞菌 是一种抗药性 强但致病力低的杆菌 绿脓杆菌广泛的分布在土 壤 空气 水以及人体皮肤 呼吸道和消化道中 该菌是一种条件致病菌 在特定条件下具有多重 耐药性 该菌能产生 种水溶性色素 绿脓素和 荧光素 绿脓素是一种蓝绿色的吩嗪类有毒代谢 物 具有致病性和抗菌性 荧光假单胞菌是一种革兰氏阴性菌 该菌广 泛的分布在土壤 水 植物和动物中 该菌生化能 力较为活跃 可以降解人工化合物 可用于环境保 护 此外 该菌是一种植物根际促生细菌 能够利 用根系分泌物迅速在植物根部定殖 部分菌株具 有促进植物生长和生防的作用 可用于植物病害 的防治 生防假单胞菌抗病害的研究现状 等 发现绿脓素的吩嗪 羧酸 具有较强的抑制植物真菌病害的作用 典型假单 胞菌生防菌株主要有下述几类 产生抑菌次生 代 谢 产 物 吩 嗪 羧 酸 的假单胞菌 该类假单胞菌既能抑制 小麦全蚀病 辣椒疫霉 黄瓜炭疽病 甜瓜蔓枯病 和水稻纹枯病等 又能抑制尖镰刀菌 第 期 北 方 园 艺 腐霉菌 白叶枯菌 丝核菌 疫霉菌 炭疽菌 等病菌 该类假单胞菌主要有 荧光假 单 胞 菌 绿 针 假 单 胞 菌 和 铜绿假单胞菌 和 产生抑菌次生代谢产物 藤黄 绿 脓 菌 素 硝 吡 咯 菌 素 和 二乙酰藤黄酚 的荧光假单胞菌 和 铜绿假单胞菌 抑制植物 病原菌终极腐霉引起的根腐病 立枯丝核菌引起 的猝倒病和小麦全蚀病 同时也能抑制植物病原 细菌胡萝卜软腐欧氏杆菌引起的马铃薯软腐病 产生抑菌次生代谢产物环状脂多肽 粘质酰胺 的 荧光假单胞菌 对植物病原真菌终极腐 霉和立枯丝核菌具有显著抗性 产生抑菌次生 代谢产物铁载体的铜绿假单胞菌 对植物病原真菌 腐霉菌 灰 葡 萄 孢 菌 稻 瘟 菌 尖 镰 刀 菌 链 格 孢 菌 镰刀菌 黑曲霉 和白绢菌 具有 显著抗性 产生抑菌次生代谢产物吩嗪 酰 胺的 铜 绿 假 单 胞 菌 对植物病原真菌尖镰刀菌 腐霉菌 纹枯菌 白叶枯菌等多种菌具有显著抗 性 值得指出的是 生防假单胞菌产生的较典型 的 种次生代谢产物 吩嗪酸 和 二乙 酰藤黄酚 对引起小麦全蚀病的小麦全蚀 菌 具有 重要防治作用 生防假单胞菌抗病害的研究前景 虽然假单胞菌对多种植物病害具有显著的防 治作用 但是 目前假单胞菌尚未在植物病害防治 中真正应用 还有很多实际问题尚待解决 例如 荧光假单胞菌的生防效率尚处于比较低的水平 为 在后续研究中 既要筛选更优良 的菌株以提高生防效率 同时还要找到提高假单 胞菌生防菌株在大田防治稳定性的有效途径 次 生代谢物抑制病害的具体机制有待深入研究 也 需要深层次探索假单胞菌生防作用机制 加强具 有活性的次生代谢产物的产业化发展 提高抑菌 代谢产物的发酵效价 改进假单胞菌生防控制能 力的基因研究方面尚处于初期 有更多的探索空 间 转基因后产生的有机体多样性研究及对环境 造成的生态影响也有待评估 生防假单胞菌基因 的全序列测序 生防假单胞菌毒力岛基因序列测 序 生防假单胞菌株与引起人类致病的同属菌株 毒力及耐药性比较 生防假单胞菌株与引起人类 致病的同属菌株耐药性机制比较 探索降低生防 假单胞菌株对人类和环境影响的方法 利用基因 组比较方法剔除生防假单胞菌中人和动物的毒力 岛等都可以作为后续研究方向 参考文献 黄曦 许兰兰 黄荣韶 枯草芽孢杆菌在抑制植物病原菌中 的研究进展 生物技术通报 谯天敏 朱天辉 绿粘帚霉与坚强芽孢杆菌对松赤枯病生物 防治的研究 雅安 四川农业大学 周亚妮 浅谈枯草杆菌的特性及其应用 黔南民族医专 学报 土壤微生物学与生物化学 顾宗濂 等译 北京 科学技术文献出版社 梅汝鸿 植物微生态学的研究 世界农业 张凯 枯草芽孢杆菌 制剂保护剂研究 武汉 华 中农业大学 章挺 枯草芽孢杆菌 对黄曲霉的抑制及活性物质的 研究 南京 南京师范大学 李晶 杨谦 赵丽华 生防枯草芽孢杆菌 菌株抗菌物质 的初步研究 中国生物工程杂志 贾凤安 陈亮 陈立 大棚甜瓜三种主要真菌病害拮抗细菌 的筛选与鉴定 植物保护学报 熊艳 张晓喻 李敏 一株抗多种植物病害菌株的筛选 鉴定 及其活性成分研究 西南农业学报 北 方 园 艺 月 下 曹小红 产脂肽的纯化 抑菌活性及其 表面活性剂特性 中国生物工程杂志 高学文 姚仕义 等 基因工程枯草芽孢杆菌 产生的脂肽类抗生素及其生物活性研究 中国农业科 学 王益民 几丁质酶基因和 葡聚糖酶基因的克隆及双 价基因在枯草芽孢杆菌 中 的 表 达 植 物 病 理 学 报 王兰英 廖凤仙 骆焱平 九里香内生细菌 的鉴定及 其对芒果采后病害的防效 江苏农业学报 杨振 郭红莲 张晓松 枯草芽孢杆菌 防治油桃采后 病害的研究 中国果树 朱昌雄 孙东园 蒋细良 我国微生物农药产业化标准及产 业化对策研究 现代化工 朱昌雄 蒋细良 孙东园 等 中国青年农业科学学术年报 北京 中国农业出版社 朱 昌 雄 微生物农药及其产业化 北 京 科 学 出 版 社 周莲 蒋海霞 金凯明 等 高产申嗪霉素和吩嗪 酰胺的水 稻根际铜绿假单胞菌 分离 鉴定与应用潜力 微生物 学报 第 期 北 方 园 艺 北 方 园 艺 月 下