生防解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)最新研究進(jìn)展

李紅曉, 張殿朋, 盧彩鴿, 趙洪新

(1.沈陽師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 沈陽 100034；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院 植物保護(hù)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100097；3.浙江理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 浙江省植物次生代謝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

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生防解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)最新研究進(jìn)展

李紅曉1,2, 張殿朋2, 盧彩鴿2, 趙洪新1,3*

(1.沈陽師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 沈陽 100034；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院 植物保護(hù)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100097；3.浙江理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 浙江省植物次生代謝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)是與枯草芽胞桿菌相似，可產(chǎn)芽胞、革蘭陽性(G+)、具有生防活性的益生細(xì)菌。其代謝過程中產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)種類多、抗菌譜廣，其抗菌制劑或抗菌提取物具有無毒、無害、無殘留、抑菌時(shí)效長等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于果蔬保鮮、果蔬生長期及采后微生物病害的生物防治，是極具開發(fā)價(jià)值的生防菌。本文從抗菌機(jī)理、抗性基因組成、基因工程菌構(gòu)建、抗性產(chǎn)品開發(fā)及對微生物病害防治等幾個(gè)方面，對解淀粉芽胞桿菌的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納和總結(jié)，為其在農(nóng)業(yè)生物工程中的規(guī)?；踩珣?yīng)用提供參考。

解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)；抑菌物質(zhì)；生防效果；抗性基因

農(nóng)作物微生物病害一直是困擾農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大問題，是造成作物減產(chǎn)、影響經(jīng)濟(jì)效益的主要原因之一。長期以來，化學(xué)農(nóng)藥的使用是防治作物微生物病害的主要手段，但會(huì)導(dǎo)致農(nóng)藥殘留，一方面給生態(tài)環(huán)境帶來巨大影響，尤其微生態(tài)系統(tǒng)中的病原微生物產(chǎn)生抗藥性，導(dǎo)致農(nóng)藥噴灑的濃度越來越高、用量越來越大，農(nóng)藥殘留問題越來越嚴(yán)重。另一方面，殘留農(nóng)藥通過食物鏈層級傳遞，給人類健康帶來潛在的危險(xiǎn)，已引起人們的高度關(guān)注[1]。因此，尋找綠色、環(huán)保、高效、安全的微生物病害防治手段，是農(nóng)業(yè)生物工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 拮抗作用是指一類微生物產(chǎn)生的可以抑制或殺死它類微生物的作用，是微生物界普遍存在的現(xiàn)象，這為利用拮抗微生物來防治作物微生物病害，提供了極大的可能。經(jīng)過幾十年的努力，已有很多生防菌制劑面市，在生物防治中起到了積極作用。盡管如此，生防菌劑在所有植物病害防治中所占據(jù)的市場份額，仍然不足三分之一[2]，因此，生防菌劑具有巨大的開發(fā)空間，應(yīng)用前景十分廣闊。目前，研究和開發(fā)利用較多的生防細(xì)菌有芽胞桿菌(Bacillus)、假單胞菌(Pseudomonas)、土壤放射桿菌(Agrobacterium)等。其中芽胞桿菌因其產(chǎn)生的抗菌活性物質(zhì)豐富、種類較多、抑菌譜廣、芽胞抗逆性強(qiáng)、活菌率高、抑制作用時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，且生物防治過程中與化學(xué)試劑有良好的相容性而備受關(guān)注[3]。除抗菌物質(zhì)如降解酶、抗生素、氰化物等的直接作用外，絕大多數(shù)拮抗芽胞桿菌都是植物根際微生物(Rhizosphere microbe)，具有較強(qiáng)的植物根際定殖能力、抗逆能力和繁殖能力[4]。這不僅可以誘導(dǎo)作物抵抗逆境的能力，還可以通過汲取根際營養(yǎng)以及固定環(huán)境中的氮等元素促進(jìn)植物生長，并通過磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TaPHT1.8和TaPHT1.10 轉(zhuǎn)化環(huán)境中的化合態(tài)磷，通過系列生理作用為植物所利用，提高植物抵御農(nóng)作物病害的能力[5]。解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)與枯草芽胞桿菌(B.subtillus)親緣關(guān)系十分相近，其產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)具有種類多、抑菌譜廣、抑菌活性強(qiáng)的特點(diǎn)，是近年來頗受關(guān)注的生防菌之一。Chen等[6]2007年公布了解淀粉芽胞桿菌 FBZ42 的全基因組測序，使得研究者在基因水平上對解淀粉芽胞桿菌的抑菌過程有了全面、深刻的認(rèn)識，對多種次生代謝物的生產(chǎn)能力在分子水平上有了更深層次的了解，也促進(jìn)了解淀粉芽胞桿菌在生物防治工程領(lǐng)域的利用。本文從解淀粉芽胞桿菌的發(fā)現(xiàn)、抑菌物質(zhì)研究、抑菌功能基因、工程菌構(gòu)建與開發(fā)應(yīng)用等方面進(jìn)行歸納總結(jié)，為解淀粉芽胞桿菌在生物防治領(lǐng)域的開發(fā)利用提供參考。

1 解淀粉芽胞桿菌的發(fā)現(xiàn)

解淀粉芽胞桿菌是1943年日本科學(xué)家Fukumoto發(fā)現(xiàn)的[7]，1967年Welker 在研究枯草芽胞桿菌降解淀粉和形成芽胞的異同時(shí)，首次將解淀粉芽胞桿菌從枯草芽胞桿菌中單列開來，因其具有很高的水解淀粉能力，命名為解淀粉芽胞桿菌[8]，直到1987年種的分類地位確立[9]。解淀粉芽胞桿菌隸屬芽胞桿菌屬(Bacillus)，菌落呈白色半透明，光滑濕潤，桿狀，革蘭陽性(G+)。其有兩個(gè)亞種：B.amyloliquefacienssubsp.amyloliquefaciens和B.amyloliquefacienssubsp.plantarum，其中B.amyloliquefacienssubsp.plantarum亞種被普遍認(rèn)為是具有植物促生長特性和產(chǎn)多種抑菌次級代謝產(chǎn)物的菌株[10]。解淀粉芽胞桿菌廣泛分布于土壤、植物體內(nèi)、果蔬表面、植物堆肥、健康動(dòng)物糞便中等，尤其在植物內(nèi)生菌和根際微生物群落中極易篩選出有拮抗活性的解淀粉芽胞桿菌[11]。該菌株因其具有植物促生長作用和代謝產(chǎn)物的生防活性，是極具潛力的生防菌。解淀粉芽胞桿菌不僅可以抑制植物病原菌的生長，還可以增加經(jīng)濟(jì)作物的果實(shí)數(shù)量和果實(shí)重量等[12]。研究表明，解淀粉芽胞桿菌生防菌制劑田間小試，具有抑菌譜廣、抑菌效率高、抑菌時(shí)效長等特點(diǎn)，極具大面積開發(fā)應(yīng)用潛力。

2 解淀粉芽胞桿菌的抗菌機(jī)理研究

2.1 解淀粉芽胞桿菌的抗菌作用

解淀粉芽胞桿菌抑菌譜廣，作用明顯，抗菌代謝物質(zhì)豐富多樣，主要體現(xiàn)在對真菌和細(xì)菌的抑制作用方面。其中對真菌的抑制作用主要表現(xiàn)在對灰葡萄孢、鏈格孢、叢梗孢、刺盤孢、尖鐮孢、金黃殼囊孢、曲霉、青霉、毛霉、核盤菌和鐮刀菌等病原真菌引起的果蔬病害的強(qiáng)抑制活性[11,13]。除實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對病原菌的間接實(shí)驗(yàn)外，Choiu等[14]證實(shí)解淀粉芽胞桿菌對離體果實(shí)和幼苗疫病同樣有一定的防治效果，尤其是對Alternariacosmosa和A.patula解淀粉芽胞桿菌的抑制效果甚至明顯高于其常用殺菌劑咪鮮胺和啶斑肟。對病原細(xì)菌的生防作用主要針對平菇褐斑菌、大白菜黑腐、假單胞菌屬病原菌、李斯特菌、陰道加德納菌、大腸埃希菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)[11,15]等。除抗菌作用外，Chen等的研究表明，從麥冬植物里分離得到的解淀粉芽胞桿菌產(chǎn)生的胞外多糖，具有抗腫瘤功效[16]；解淀粉芽胞桿菌脂肽提取物(BLE)可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡并抑制人口腔鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞的增殖；細(xì)菌培養(yǎng)濾液對松材線蟲的致死率和蟲體消解率最高達(dá)到100%[17]。Chiou等[14]研究表明，通過培養(yǎng)基優(yōu)化和誘變育種可以增加其抗菌活性和生物酶產(chǎn)量，可見解淀粉芽胞桿菌的抑菌作用還有很大的提高空間。

2.2 解淀粉芽胞桿菌的抗菌物質(zhì)

關(guān)于芽胞桿菌代謝過程中產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)，不同菌株的產(chǎn)物各不相同。綜合歸納近年來有關(guān)芽胞桿菌的抗菌物質(zhì)及抗菌作用(表1)，其中普遍認(rèn)同的主要是抗菌脂肽、抗生素和水解酶類等。

表1 解淀粉芽胞桿菌抗菌物質(zhì)及機(jī)理

2.3 解淀粉芽胞桿菌產(chǎn)生抗菌物質(zhì)的相關(guān)基因

Chen 等于2007 年將解淀粉芽胞桿菌FZB42 全基因組序列公布[6]，到目前已有20 多株不同的解淀粉芽胞桿菌完成了全基因組測序。這為從基因水平研究解淀粉芽胞桿菌的抑菌機(jī)制提供了極大的方便，推動(dòng)了從分子水平調(diào)控抗菌物質(zhì)產(chǎn)生機(jī)理的研究。近年來有關(guān)解淀粉芽胞桿菌的基因操作、代謝工程改造方面取得的進(jìn)展見表2。

表2 解淀粉芽胞桿菌抗菌基因

3 解淀粉芽胞桿菌生物防治基因工程菌的構(gòu)建

20世紀(jì)40年代以來，隨著青霉素的生產(chǎn)與發(fā)展，微生物菌種選育技術(shù)成為現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的基礎(chǔ)。為了降低發(fā)酵生產(chǎn)成本、提高發(fā)酵效率，研究人員采用了一系列的基因改良手段以期使其盡可能地發(fā)揮更大作用。1974年，波蘭遺傳學(xué)家Waclaw Szybalski提出的基因重組技術(shù)為此設(shè)想的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，直到1991年提出的代謝工程將分子育種和生物過程系統(tǒng)工程方法相結(jié)合，對胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)的諸多特征進(jìn)行精確定量的分析，通過重組DNA 技術(shù)來賦予細(xì)胞理想的特性使工業(yè)微生物菌種改造取得了巨大的成果。趙延存等[33]利用60Co輻射誘變的解淀粉芽胞桿菌菌株處理的辣椒傷口腐爛面積下降64.4%；喬俊卿[2]將高產(chǎn)β-1,3-1,4-葡聚糖酶的淀粉液化芽胞桿菌的bgl基因克隆到3 種不同的質(zhì)粒載體中，分別轉(zhuǎn)化到不同大腸埃希菌宿主中表達(dá)，重組β-1,3-1,4-葡聚糖酶結(jié)合IPTG 和乳糖協(xié)同的誘導(dǎo)作用，在基礎(chǔ)產(chǎn)酶培養(yǎng)基中最高總酶活為(1 883.3±45.8) U/mL；Cantwell等[28]將β-1,3-1,4-葡聚糖酶用BamHⅠ和XhoⅠ雙酶切目的片段與表達(dá)載體pET-30a(+)相連接后，構(gòu)建了重組表達(dá)載體pETamy，導(dǎo)入大腸埃希菌中表達(dá)，其酶活是出發(fā)菌的3倍；用一株解淀粉芽胞桿菌中性蛋白酶結(jié)構(gòu)基因npr構(gòu)建質(zhì)粒pPIC9K-npr，并轉(zhuǎn)化到畢赤酵母中得到重組菌，酶活達(dá)9.17×103U/g，高于其他相關(guān)文獻(xiàn)得到的結(jié)果。Tsuge等[34]將B.subtilis的伊枯草菌素A 操縱子基因片段通過感受態(tài)細(xì)胞轉(zhuǎn)化到不含以上基因片段的B.subtilis基因組，然后再導(dǎo)入sfp基因和多向性調(diào)控基因degQ ，獲得基因工程菌株伊枯草菌素A 的產(chǎn)量是原始菌株的7 倍，同時(shí)發(fā)現(xiàn)基因degQ 在其中起到關(guān)鍵的調(diào)控作用。

4 解淀粉芽胞桿菌抗性產(chǎn)品的開發(fā)

目前國內(nèi)外均有基于芽胞桿菌為主要抑菌活性開發(fā)生防菌劑的發(fā)明專利。國外研究較早，且已將其成功應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。美國食品藥品管理局(FAD)已把某些種類的芽胞桿菌定為可直接飼喂動(dòng)物的微生物(DFM)；美國解淀粉枯草芽胞桿菌變種獲得美國環(huán)保局(EPA)商品化或有限商品化生產(chǎn)應(yīng)用許可；德國Abitep GmbH公司將解淀粉芽胞桿菌(FZB42)作為植物促生長劑，并成功開發(fā)為商品[35]；日本東京研究所研發(fā)的商品菌B.subtilisRB14 和美國Taensa 公司研發(fā)的商品菌B.amyloliquefaciensFZB42，主要用于防治農(nóng)作物的枯萎病和根腐病[5]。而國內(nèi)關(guān)于解淀粉芽胞桿菌的專利產(chǎn)品等主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，且多集中在三種形式。①殺菌劑：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)[2]研制成一種防治香蕉枯萎病的殺菌劑，溫室防效為52.37%～77.78%；黃亞麗[36]開發(fā)的微生物菌劑防治花生葉斑病。②生物菌肥：周波等[37]發(fā)明一種生物菌肥，有效防治馬鈴薯瘡痂病。③可濕性粉劑：張榮勝[38]開發(fā)了噻枯唑復(fù)配可濕性殺菌粉劑，用于防治水稻細(xì)菌性條斑病或水稻白葉枯??；張海華[39]將其用于防治煙草、番茄和辣椒等作物的青枯??；徐超等[40]證實(shí)其對無花果、鐵皮石斛果實(shí)的多種病原菌具有抑制作用。并且，因此而開發(fā)出了一系列抑菌產(chǎn)品，主要有枯草芽胞桿菌Bs-208殺菌劑、菜豐寧(枯草芽胞桿菌)、威綠達(dá)(綠色木霉為主, 毛殼菌、枯草芽胞桿菌為輔混配制成)、亞寶(枯草芽胞桿菌)、百抗(枯草芽胞桿菌)等生防制劑。

5 展 望

化學(xué)農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)病害防治過程中起到巨大的作用，但長期使用其負(fù)面效應(yīng)也越來越突出。尋找和開發(fā)綠色、環(huán)保、安全、低成本的生物防治制劑，實(shí)現(xiàn)高效、低毒、無害化、無殘留的生物預(yù)防和保鮮方法，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

解淀粉芽胞桿菌可產(chǎn)生多種抑菌活性物質(zhì)，其分布廣，抑菌產(chǎn)物豐富且抑菌譜廣，代謝產(chǎn)物具有良好的離體和活體抑制活性，是一種極具生防潛力的菌株。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，解淀粉芽胞桿菌的基因組測序和功能解析取得了巨大進(jìn)展。這對解淀粉芽胞桿菌的開發(fā)應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支撐。但有關(guān)該菌的抑菌作用機(jī)制、基因產(chǎn)物及毒理作用等方面的研究還需進(jìn)一步完善，未來會(huì)有更多的以解淀粉芽胞桿菌為主要抗菌活性成分的生防菌劑被開發(fā)和應(yīng)用。

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[38]江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院. 解淀粉芽孢桿菌噻枯唑復(fù)配可濕性殺菌粉劑及其應(yīng)用: 中國, CN2014 10036272. 7[P]. 2014-6-25.

[39]江西順泉生物科技有限公司. 一種解淀粉芽孢桿菌的培養(yǎng)方法及用途:中國, CN201310083560.3[P]. 2014-9-17.

[40]江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院. 一種解淀粉芽孢桿菌及其在防治植物果腐病中的應(yīng)用: 中國, CN201310253591.9[P]. 2014-2-26.

Funds Projecd:This article supported by Youth foundation of Lanzhou Jiaotong University(2014011)

Author profile：zhao mengmeng, female, associate professor, doctor in reading.

Research direction: Microbial physiology and biochemistry and its application. Tel: 0931-4938793，E-mail: zhaomm80@163.com

Draft accepted date:2015-06-02; Revision returned date:2015-07-03

The Latest Advances in Bio-ControlBacillusamyloliquefaciens

LI Hong-xiao1, 2, ZHANG Dian-peng2, LU Cai-ge2, ZHAO Hong-xin1,3

(1.Coll.ofChem. &LifeSci.,ShenyangNormalUni.,Shenyang110034; 2.Inst.ofPlant&Environ'tProtect'n,BeijingAcad.ofAgric. &Forest.Sci.,Beijing100097; 3.ZhejiangProv.KeyLab.ofPlantSecondaryMetabol. &Regul'n,Coll.ofLifeSci.,ZhejiangSci-TechUni.,Hangzhou310018)

Bacillusamyloliquefaciensis a strain similar toB.subtilis, a beneficial microbe that can produce spore, Gram-positive, and possessing biocontrolling activity. During its metabolism it produces antibiotic substance, a variety of antibiotic preparations or antibiotic extracts with broad antibiotic spectrum, non toxic, non harms, non residues, long effectiveness for a given period of time, and other advantages. It can be widely applied in keeping fruits and vegetables fresh, and in biocontrolling microbial pests during their growth and post-harvest. It is a very ideal biocontrolling microbe with the most developing value. In this paper the studies, the current application ofB.amyloliquefacienswere drawn and summarized from aspect of the antibiotic mechanism, the antibiotic gene component, the establishment of genetic engineering strain, the development of resistance products, the controlling against microbial pests, and other aspects, and accordingly to provide references for its large-scale safety application in agricultural bio-engineering.

Bacillusamyloliquefaciens; antibacterial substances; biocontrol effect; resistance gene

遼寧省科學(xué)公益基金項(xiàng)目(2014003020)；北京市農(nóng)林科學(xué)院青年科研基金(QNJJ201317)；北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目(2013D002020000005)

李紅曉 女，碩士研究生。主要從事生物防治微生物研究。E-mail:18515344607@126.com

* 通訊作者。男，教授，碩士生導(dǎo)師。主要從事資源微生物的開發(fā)利用。E-mail:bxxbj2003@gmail.com

2015-10-15；

2015-11-06

Q939.9

A

1005-7021(2016)02-0087-06

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.02.015