芽孢杆菌防治植物病害的机理及研发问题探究,植物保护论文

芽孢杆菌防治植物病害的机理及研发问题探究,植物保护论文长期以来，植物病害的防治主要以化学农药为主，化学农药对农业生产上防治病虫害起了特别重要的作用，但长期不合理使用化学农药产生了众多问题。如化学农药不仅对人、畜的健康造成危害，而且对土壤、水体、大气造成严重污染，毁坏了生态平衡；病原菌和害虫抗药性的不断加强，农药的使用量和使用频度不断加大，出现了用药量与病虫害互相递增的恶性循环。因而开发对人类和环境友好、并具良好防治效果的新植物病虫害防治策略尤为重要[1].随着人们对食品安全的日益重视和可持续控制病虫害发展的需要，生物防治遭到各国和植物保卫专家的重视。生物防治是以生态学为基础来控制有害生物，是综合防治体系中一个必不可缺少的组成部分。生物防治避免了化学农药使用带来的一系列植保、环境和能源方面存在的问题，促进了环境生态平衡和农业的可持续发展。植物微生态学理论以为[2]:存在于植物体表或体内的微生物群落是一个动态平衡的生态系，一旦平衡打破，则发生植物病害；植物病害生物防治是在被病原物占据主导的生态系中引入有益的微生物，构成不利于病原物生长而利于植物生长的新的动态平衡体系，进而控制病害发生和发展。近年来随着分子生物学技术、发酵工程和生物信息工程等新技术的飞速发展，为生物农药的研发应用奠定了坚实的理论基础和可靠的技术道路。芽孢杆菌作为重要的生防资源，具有广阔的应用前景。利用芽孢杆菌防治植物病害，国内外报道较多[3-7].芽孢杆菌在生长经过中能够在寄主植物根、叶围定殖，与病原菌竞争营养和侵染位点；分泌抗菌物质、抑制病原菌生长；诱导植物产生系统抗病性、抵御病原菌入侵，进而到达生物防治的目的。同时，芽孢杆菌能够产生耐热、耐旱、抗紫外线和有机溶剂的芽孢，所以是理想的生防菌挑选对象。很多性状优良的芽孢杆菌菌株已成功应用于植物病害的防治。本文就芽孢杆菌类生物杀菌剂的研发现在状况、芽孢杆菌防治植物病害的机理以及在实践应用中存在的问题进行扼要综述。1芽孢杆菌类生物杀菌剂的研发现在状况芽孢杆菌Bacillusspp.是一类好氧或兼性厌氧、革兰氏染色阳性、产芽孢的杆状细菌。芽孢杆菌产生的芽孢，有较强的抵抗枯燥、热和紫外线辐射等外界环境压力的能力，同时芽孢杆菌种群中有很多具有特殊功能的菌株，所以在工业、农业、医学和食品加工等领域中有广泛的应用价值[8,9].由于生防芽孢杆菌具有抑制多种植物病原菌的能力，并且是自然界中广泛存在的非致病细菌，对人畜无害，对环境友好，因而，备受国内外植物保卫和环境保卫专家的青睐。当前，生防芽孢杆菌广泛应用于植物根部、枝干、叶片以及果蔬采后病害的防治上[10-13].1.1国外生防芽孢杆菌的应用现在状况美国已有3株枯草芽孢杆菌Bacillussubtilis和1株解淀粉芽孢杆菌B.amyloliquefaciens获得环保局〔EPA〕商品化生产应用许可，进入大面积推广应用，并获得较好的销售业绩。枯草芽孢杆菌GB03商品名为Kodiak,由Gustafson公司研发，主要应用于土菌病害防治，十分是棉花和大豆的种子处理，在美国市场的销售良好。枯草芽孢杆菌MBI600商品名为Subtilex,由MicrobioLtd公司研发，主要通过根部使用或拌种防治由镰刀菌、曲霉菌等引起的豆类、棉花和花生的根部病害。枯草芽孢杆菌QST713商品名为Serenade,由AgraQuest公司开发，能同时防治由真菌和细菌引起蔬菜和水果的叶面病害。解淀粉芽孢杆菌FZB42和枯草芽孢杆菌GB122混用制成的杀菌剂商品名为BioYield,由Gustafson公司研发，应用于防治蔬菜、樱桃、葡萄、葫芦和胡桃的白粉病、霜霉病、疫病、灰霉病等病害。德国将解淀粉芽孢杆菌FZB42用于微生物肥料，解淀粉芽孢杆菌CECT5940作为饲料添加剂。澳大利亚开发的B.subtilisA-13对麦类和胡萝卜立枯病以及其他土传病害具有很好的防治和增产作用。日本东京技术研究所的枯草芽孢杆菌RB14和NB22分别对立枯丝核菌Rhizoctoniasolani、尖孢镰刀菌Fusariumoxysporum和青枯菌Pseudomonassolanacearum引起的番茄病害有良好的防效。1.2国内生防芽孢杆菌的研发大概情况国内科研工作者对具有生防作用的芽孢杆菌进行了广泛的研究。我们国家利用枯草芽孢杆菌防治植物病害的应用研究也到达了世界先进水平，现已开发出一批生防作用优良的枯草芽孢杆菌菌株如Bs-916、B908、B3、B903、BL03、XM16、BII、PRs5、ZH-2.江苏省农业科学院植物保卫研究所陈志谊等[14,15]挑选获得的菌株Bs-916对多种病原真菌和水稻白叶枯病菌都有显着抑制作用，自从1991年至今对水稻纹枯病田间防效稳定在60%~81%,累计推广应用面积达800万hm2.南京农业大学[16]生防菌B3〔商品名麦丰宁〕对小麦纹枯病田间防效50%~80%.云南农业大学和中国农业大学共同研制的微生物农药百抗〔10亿孢子/g枯草芽孢杆菌可湿性粉剂〕，已获得农业部登记注册，累计推广面积约4667hm2,主要防治水稻纹枯病、三七根腐病、烟草黑胫病。林东等[17]发现枯草芽孢杆菌SO113对水稻白叶枯病菌具有强烈的抑菌作用。胡剑等[18]从枯草芽孢杆菌BS-98中分离纯化抗真菌蛋白，发现该抗菌蛋白对苹果轮纹病、芦笋枯萎病具有很强的抑制作用。顾真荣等[19]评估显示枯草芽孢杆菌G3对菜豆和茄子苗期炭疽病、菌核病以及番茄叶霉病均具有很好的防效。不同生防菌株的抑菌谱、抑菌作用及机理等有较大差异。如从丝瓜根际土壤分离到的枯草芽孢杆菌TG26[20],对小麦赤霉病和西瓜枯萎病有较强的抑制作用，对小麦赤霉病的盆栽防效达89.8%,对西瓜枯萎病的苗期防效达100%.张荣胜等[21]挑选到一株解淀粉芽孢杆菌Lx-11在田间防治细菌性条斑病菌上防效达60.2%,显着高于化学药剂20%叶枯唑的防效。王奕文等[22]从甜瓜外表分离到1株解淀粉芽孢杆菌，对灰葡萄孢、链格孢、尖孢镰刀菌、黑曲霉和粉红单端孢等8种果蔬采后病原真菌具有广谱的拮抗作用；陈士云等[23]从土壤中分离到1株解淀粉芽孢杆菌CH22,对油菜盘核菌具有强烈的抑制作用；欧雄常等[24]从红树内生细菌中分离到1株能够拮抗辣椒疫霉病的解淀粉芽孢杆菌RS261,喷施RS261后6d的防效大于80%,9d的防效为60%.截止到2020年12月，我们国家芽孢杆菌类生物杀菌剂已经完成农药登记的生防芽孢杆菌的种类有5种；产品共有59个，产品的剂型主要有水剂、可湿性粉剂和悬浮剂3种〔表1〕。2芽孢杆菌防治植物病害的机理关于芽孢杆菌的防病促生作用机制，国内外学者进行了大量研究。普遍以为芽孢杆菌生防机制主要有营养和空间位点竞争，分泌抗菌物质，溶菌作用，诱导植物抗病性等方面。芽孢杆菌生防效果具体表现出是以上几种方式共同作用的综合效果。2.1营养与空间位点竞争作用营养和空间位点竞争指存在于同一个微生态环境中的2个或2个以上微生物之间对空间、营养、氧气等进行竞争的现象。营养竞争是生防芽孢杆菌在微生态环境中与其他微生物〔包括病原菌〕在其定殖部位争夺可利用营养物质，这些物质包括微生物生长发育必需的氨基酸、无机盐、碳水化合物维生素等。铁离子是微生物在繁衍经过中必需的营养成分之一，微生物通过分泌嗜铁从来获取环境中的Fe3+,通过微生物特异性受体转运到细胞内知足本身需要[25].缺铁环境下，生防芽孢杆菌能产生铁的螯合物或铁载体，通过螯合土壤环境中Fe3+使得病原菌可利用的Fe3+大量减少进而抑制病原菌生长[26,27].空间位点竞争是生防芽孢杆菌在植物根际、体表或体内以及土壤中与病原微生物互相作用，尤其是病原菌侵入位点的争夺。Bacon等[28]从玉米体内分离的内生芽孢杆菌与玉米病原真菌串珠镰刀菌FusariummoniliformeSheldon具有一样的生态位点，生防芽孢杆菌能在玉米体内迅速定殖和繁衍，因此有效降低串珠镰刀菌及其毒素的积累。黎起秦等[29]发现菌株B47主要是在番茄维管束中定殖，进而抑制番茄内生病菌的生长。芽孢杆菌在植物根、叶围的定殖能力决定了其与病原菌在营养与空间竞争的优势地位，是其发挥植物病害生物防治作用的重要机制之一。2004年Bais等[30]通过绿色荧光标记枯草芽孢杆菌6051和红色荧光标记病原菌丁香假单胞杆菌P.syringae,系统研究了枯草芽孢杆菌与病原菌在植物根部的竞争作用，结果表示清楚，枯草芽孢杆菌6051能很好地在植物根部定殖，构成一层生物膜，并成功地抑制丁香假单胞杆菌的繁衍，进而到达较好的生物防治效果。2020年Zeriouh等[31]通过绿色荧光标记枯草芽孢杆菌UMAF在甜瓜叶面的定殖情况，枯草芽孢杆菌UMAF在叶面构成不成熟的生物膜，存活下来；待病原菌毁坏了植物组织，植物叶面释放出更多的营养物质，比方蛋白质、多糖和核酸等细胞物质，枯草芽孢杆菌利用这些物质进行繁衍和构成生物膜，保卫植物的病斑组织。枯草芽孢杆菌UMAF能在甜瓜叶面成功定殖，是其能有效防治由病原真菌Podosphaerafusca和病原细菌Pectobacteriumcarotovorum引起的甜瓜叶面病害的重要因素[32].进一步深切进入研究发现，枯草芽孢杆菌UMAF在叶面定殖，主要归功于其分泌的脂肽类抗生素外表活性素激活枯草芽孢杆菌TasA蛋白和EPS多糖基因的表示出，进而构成了成熟的生物膜[33-35].芽孢杆菌在植物根、叶围的成功定殖，是芽孢杆菌的一种多细胞行为，这种行为是多个基因、多种信号物质协同控制的结果[36,37].对芽孢杆菌定殖能力的进一步深切进入研究，有利于我们愈加理解这种行为，也将为我们进一步利用芽孢杆菌防治植物病害提供理论基础。2.2分泌抗菌物质自1945年Johnson和Campbell[38]报道枯草芽孢杆菌分泌抗菌物质以来，当前人们从芽孢杆菌的不同菌株中发现60多种抗生素。这类次生代谢产物除了对病原真菌、细菌、病毒有抑制作用外，对芽孢杆菌生物膜构成、诱导植株产生抗病性均有影响。这些抗菌物质是芽孢杆菌抑制其他微生物生长、维持生态竞争能力的重要武器。通常具有优良防治效果的芽孢杆菌，其基因组有4%~5%的核酸序列用于抗菌代谢产物的合成，能合成多种抗菌产物，这些抗菌代谢产物能够抑制病原真菌和细菌的生长繁衍。2.2.1芽孢杆菌产生的抗生素生防芽孢杆菌分泌产生的抗生素，根据生物合成途径分为两大类：1〕由核糖体途径合成的小分子物质；2〕由非核糖体途径酶系统合成的多肽类物质和其他一些活性物质。当前，非核糖体途径合成的抗生素研究比拟深切进入，主要包括脂肽类化合物、聚酮类化合物、多肽类化合物和其他抗菌活性物质。脂肽类化合物的理化性质较为稳定，对氯仿等有机溶剂有一定的耐受力，抗紫外线，对蛋白酶类的处理不敏感[39].根据其构造上的差异主要分为3大类：外表活性素〔surfactin〕、伊枯草菌素〔iturin〕和泛革素〔fengycin〕。外表活性素〔surfactin〕是由枯草芽孢杆菌所产生的晶状外表活性剂，其分子量约为1KDa,化学构造为含有7个-氨基酸和具有13、14或15个碳原子的-羟基脂肪酸交联构成内酯环状极性分子类化合物，具有很强的溶血活性，表现