鏈霉菌生物防治研究進展

毛良居 毛赫

摘要 介紹了鏈霉菌的活體制劑和代謝產(chǎn)物在植物病害生物防治中的應用；綜述了鏈霉菌的生防機制，包括拮抗作用、競爭作用、重寄生作用、誘導作用和抗生作用；指出了鏈霉菌在植物病害防治中存在的問題并提出了對策；展望了鏈霉菌生物防治今后的研究方向。

關鍵詞 鏈霉菌；應用；生防機制；存在問題；展望

中圖分類號 S476 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）01-0145-03

Advances on Biological Control of Streptomyces

MAO Liangju1， MAO He2*

（1.Forestry Department of Jilin Province， Changchun，Jilin 130022；2.Jilin Provincial Academy of Forestry Science，Changchun， Jilin 130033）

Abstract We introduced the application of living preparation and metabolites of Streptomyces in the biological control of plant diseases， summarized the biocontrol mechanism of Streptomyces， including antagonism， competition， mycoparasitism， entrainment and antibiotic effect， pointed the existing problems of biological control of Streptomyces， put forward some solution， and prospected the research direction of biological control of Streptomyces in future.

Key words Streptomyces；Application；Biocontrol mechanism；Existing problem；Expectation

在提倡綠色生態(tài)、安全生態(tài)的今天，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也越來越重視無公害、無污染。傳統(tǒng)的化學農(nóng)藥防治農(nóng)業(yè)災害已不能滿足當今社會加強環(huán)境保護、堅持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的理念，因此，尋找健康、安全、有效的農(nóng)業(yè)生物災害防治手段成為當務之急。利用一種或一類有益生物來抑制或殺死有害生物的生物防治方法應運而生，為今后的農(nóng)藥工業(yè)發(fā)展提供了方向。放線菌作為生防菌對很多病原菌有明顯的拮抗效果。隨著農(nóng)用抗生素的應用，作為抗生素產(chǎn)生菌的放線菌越來越被廣泛研究。鏈霉菌是高等放線菌，是種類和數(shù)量較多的放線菌之一，在防治植物病害中起重要作用。筆者綜述了鏈霉菌生物防治研究現(xiàn)狀，以期為鏈霉菌的生防作用研究提供參考。

1 鏈霉菌介紹

鏈霉菌的研究開始較早，但人們一直無法準確地對鏈霉菌進行分類，直到1943年，Waksman和Henrici才首次提出了鏈霉菌屬[1]。1962年數(shù)值分類法開始應用，1983年Williams等[2]對鏈霉菌及相關屬的473個菌株的139項特征進行了測定，Kmpfer等[3]對鏈霉菌屬和鏈輪絲菌屬821個菌株的329個特征進行了測定。Lechevalier等[4]在1976年又提出了化學分類研究，以化學與形態(tài)特征相結合，而隨著質(zhì)譜、色譜等技術的不斷發(fā)展，其在分類中的應用，使得分類研究更快速、準確。

到20世紀80年代，Stackebrandt等[5]又發(fā)展了分子分類研究，利用16S rRNA 相似性構建系統(tǒng)發(fā)育樹。近年來，利用16S rRNA 序列分析的方法，確定了許多鏈霉菌的新種。此外，還有基于傳統(tǒng)的表型分類、數(shù)值分類和分子分類等方法的綜合應用的多相分類研究。

我國對鏈霉菌的研究相較于國際水平還存在一定差距，國際上不認可我國發(fā)表的許多鏈霉菌新種，從而增大了我國對鏈霉菌開發(fā)和利用的難度。因此，對鏈霉菌分類單位的研究，以及如何建立更快速、準確的鏈霉菌鑒定方法成為目前鏈霉菌研究的重要課題，也是研究鏈霉菌生防作用的前提。

2 鏈霉菌在植物病害生物防治中的應用

2.1 利用鏈霉菌的活體制劑來防治植物病害

灰綠鏈霉菌（Streptomyces griseovidis）的活體制劑Mycostop可用來防治一些由絲核菌（Rhizoctonia spp.）、腐霉菌（Pythium spp.）、鐮刀菌（Fusariwn spp.）、疫霉菌（Phytophthora spp.）等引起的土傳植物病害[6]，在抑菌的同時還能促進植物生長、提高產(chǎn)量，而且對植株本身無毒副作用[7]。我國自產(chǎn)的“5406”細黃鏈霉菌（Streptomyces microflavus）活體制劑，其生長過程中可分泌多種能夠抑制不同種植物病原真菌和細菌生長的抗生素，而且可分泌促進植物自身細胞分裂和伸長的激素[8]。但在實際應用中鏈霉菌活體制劑的抗菌活性受環(huán)境因素影響較大，應用時要選擇合適的劑型。內(nèi)生鏈霉菌是很有前景的防治黃瓜炭疽病的放線菌[9]。

2.2 利用鏈霉菌的代謝產(chǎn)物來防治植物病害

鏈霉菌可產(chǎn)生多種抗生素，其產(chǎn)量約占微生物抗生素產(chǎn)生總量的90%[10]。它們對有害生物具有很高的選擇性，且易被分解，是一類無公害、無殘留的綠色農(nóng)藥。產(chǎn)生的抗生素種類繁多，如納他霉素、春雷霉素[11]、多氧霉素[12]、金真菌素、慶豐霉素、井岡霉素[13]、武夷霉素和農(nóng)抗120[14]等。 除抗生素外，鏈霉菌亦可產(chǎn)生其他具有生防效果的物質(zhì)，如各種酶制劑，目前幾丁質(zhì)酶和β-l，3-葡聚糖酶的研究最廣泛。幾丁質(zhì)酶為誘導酶，其抑制病原菌生長的機理為破壞菌絲新生的幾丁質(zhì)結構。1986年，Schlumbaum等[15]首次報道了菜豆幾丁質(zhì)酶的抗真菌活性，通過進一步研究發(fā)現(xiàn)除菜豆外，煙草、馬鈴薯、甜菜、水稻、大麥和玉米等的幾丁質(zhì)酶也可抑制如立枯絲核菌（Fusariurn solani）等20多種病原真菌和非病原真菌的菌絲生長或孢子萌發(fā)。Baharlouei等[16]研究表明，Streptomyces plicatus 101能夠通過分泌胞外幾丁質(zhì)酶抑制部分病原真菌菌絲生長。Valois等[17]發(fā)現(xiàn)鏈霉菌菌株EF-14（Streptomyces sp.EF-14）能夠通過分泌β-1，3-葡聚糖酶、β-1，4-葡聚糖酶和β-1，6-葡聚糖酶抑制Phytophthora fragariae var.rubi的生長，從而防止懸鉤子根腐病的發(fā)生。其他的活性物質(zhì)還包括核苷酸、嗜鐵素、維生素和甾體化合物等。它們通過影響病原菌的膜通透性、阻礙病原菌細胞壁的合成、與病原菌核糖體或其反應底物相互作用抑制蛋白質(zhì)的合成、阻礙病原菌DNA的復制和轉(zhuǎn)錄等方式防治植物病害。

3 鏈霉菌生防機制

鏈霉菌的生防機制研究表明，鏈霉菌主要通過拮抗作用、競爭作用、重寄生作用、誘導作用和抗生作用等抗病機制來防治植物病害、土傳病害，且鏈霉菌不僅僅通過1種方式單獨發(fā)揮生防作用，通常都是幾種方式聯(lián)合作用的共同效果，不同的生防機制間也存在協(xié)同作用。

3.1 拮抗作用

拮抗作用在生物界中普遍存在。通常鏈霉菌產(chǎn)生一些次生代謝產(chǎn)物或生物活性物質(zhì)通過拮抗作用來抑制其他植物病原微生物。于冰等[18]研究表明淀粉酶產(chǎn)色鏈霉菌（Streptomyces diastatochromogenes）的胞外代謝產(chǎn)物豐加霉素對黃瓜立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）的菌絲生長和菌核形成都有明顯的拮抗作用。王清海等[19]研究發(fā)現(xiàn)土壤拮抗菌R5對棉花枯萎病、煙草赤星病、煙草炭疽病有抑制作用，它產(chǎn)生的β-l，3-葡聚糖酶對小麥紋枯病有很好的拮抗作用。產(chǎn)水鏈霉菌（Streptomyces hydrogenans）和球孢鏈霉菌（Streptomyces globisporus）是從鹽堿地中分離出來的，可明顯抑制由核盤菌引起的油菜菌核病，球孢鏈霉菌的防治機理可能是產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶部分分解油菜菌核[20]。

3.2 競爭作用

生防菌發(fā)揮作用的一種主要機制是利用生物之間的競爭作用，包括空間競爭和營養(yǎng)競爭。生防鏈霉菌通過對土壤或植物根際的空間競爭阻止病原菌的生長，減少根際病原菌數(shù)量，從而降低病原菌對植物的侵染[21]。球孢鏈霉菌在油菜種植前期對油菜菌核病的抑制作用更好，就是因為可以定殖在油菜菌核上從而寄生分解菌核[22]。這是不同作用方式綜合防治的結果。營養(yǎng)競爭就是生防菌對其生存環(huán)境中其他病原菌的營養(yǎng)成分的搶奪，包括水分、養(yǎng)分和空間等。如某些鏈霉菌通過分泌嗜鐵素使土壤中鐵離子（Fe3+）的利用速率加快，從而限制了病原菌對鐵離子的需求，抑制其生長，減少病害發(fā)生。

3.3 重寄生作用

鏈霉菌可產(chǎn)生多種胞外水解酶，由它們介導重寄生作用防治植物病害，并和抗真菌蛋白與抗生素協(xié)同作用。該方法很早就有報道，1986年Tu[23]報道了白色鏈霉菌（Streptomyces albus）對Nectria inventa的重寄生作用。王清海等[19]在用土壤鏈霉菌R5處理辣椒疫霉病菌和煙草黑脛病菌試驗時發(fā)現(xiàn)菌絲扭曲、畸變、菌絲壁消解，該現(xiàn)象即R5通過菌絲纏繞、緊貼、穿透的方式重寄生于病原菌菌絲上，使病菌因無法正常生長而死亡。

3.4 誘導作用

鏈霉菌在抑制病原菌的同時，也會對其寄生的植物產(chǎn)生作用，而這種誘導作用通常是植物啟動防御反應的導火索，即誘導植物的抗性反應，增強植物整體防御機能。鏈霉菌誘導的抗性反應通常是系統(tǒng)獲得抗性。張穗[22]發(fā)現(xiàn)，吸水鏈霉菌在產(chǎn)生井岡霉素的同時，亦促使水稻葉片中的過氧化物酶和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性增強，使植株產(chǎn)生抗性防御反應，防御紋枯病的發(fā)生。段春梅等[24]發(fā)現(xiàn)接種密旋鏈霉菌Act12后， 黃瓜抗病性明顯提高，葉片中多酚氧化酶（PPO）活性增加54.4%。梁軍鋒等[25]研究發(fā)現(xiàn)拮抗放線菌可提高辣椒頂端葉片PAL與PPO活性，降低辣椒疫霉發(fā)生。許英俊等[26]對草莓接種3株放線菌劑后，產(chǎn)生了促生作用并影響草莓PPO的活性，降低了草莓病害的發(fā)生概率。

3.5 抗生作用

通過分泌一些生長激素物質(zhì)促進植物自身生長，間接提高植物抗病性。一些植物根際放線菌，如鏈霉菌鏈霉菌屬（Streptomyces）、馬杜拉放線菌屬（Actinomadura）、小單孢菌屬（Micromonospora）、諾卡氏菌屬（Nocardia）等可通過分泌生長激素類物質(zhì)增加玉米、番茄、黃瓜等植物干重[27]。Khamna等[28]發(fā)現(xiàn)來自植物根系的放線菌可產(chǎn)生有效促進植物生長的IAA。Igarashi等[29]也發(fā)現(xiàn)鏈霉菌 Streptomyces hygroscopicus 可產(chǎn)生多種激素類似物促進植物生長。

4 鏈霉菌在植物病害防治中存在的問題及解決方案

盡管鏈霉菌防治植物病害的研究屢見報道，也取得成效，但還存在許多問題。農(nóng)用抗生素的大量使用增強了病原菌的耐藥性，并且在生產(chǎn)實踐中存在作用不穩(wěn)定的問題；微生物菌制劑的防效不僅受其自身的性質(zhì)影響，也受環(huán)境因素影響，不易控制；大多數(shù)鏈霉菌的生物防治研究只是進行了實驗室試驗，沒有田間試驗，不能確定其生防能力是否有效；生產(chǎn)、存儲條件較嚴格，對突發(fā)性或流行性的植物病害防治有一定的滯后性；鏈霉菌在植物表面或土壤中的繁殖、定殖能力受環(huán)境中溫度、濕度等變化影響；鏈霉菌生防機制研究不成熟，影響其發(fā)揮作用。此外，植物根際是生物和物理特性受到根系影響的緊密環(huán)繞根的區(qū)域，雖然微生物群豐富，但因為環(huán)境復雜，給確定鏈霉菌如何發(fā)揮作用增加了難度。

針對上述問題，要從2個方面入手解決。一要加強理論研究。建立篩選高效生防菌的篩選方法；全面系統(tǒng)地研究生防微生物的生態(tài)特征、競爭能力及其代謝產(chǎn)物，掌握其生長周期規(guī)律及生防作用方式；深入探索生防菌的功能基因、鏈霉菌對靶標病原菌的作用機理及其與靶標菌和寄主植物間的相互關系等，真正推動生防微生物在植物病害防治中的實際應用和生防制劑的商業(yè)化應用進程[31]。二是在應用方面。首先要解決生防菌劑的大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)及有效保藏的問題，提高生防菌的利用率。還要確定生防菌定殖規(guī)律，使其快速定殖到寄主植物上，從而抑制病原菌的侵入。與此同時，利用四大工程（細胞工程、基因工程、發(fā)酵工程、酶工程）和生物技術的日臻完善，研發(fā)新的生防制劑，滿足生物防治需求。借助現(xiàn)代分子生物學方法對直接從自然界獲得的生防菌進行遺傳改造，以提高生防菌的競爭存活能力和病害控制效果[31]。

5 展望

鏈霉菌是生物防治中的重點，要在現(xiàn)有的基礎上，加快、加深對鏈霉菌生防效果的研究。在得到高效生防菌后，通過現(xiàn)代發(fā)酵工藝和代謝工程技術定向調(diào)控發(fā)酵工藝，優(yōu)化發(fā)酵、增值生產(chǎn)工藝，提高生防菌有效活性物質(zhì)產(chǎn)量。通過物理、化學、生物手段對自然鏈霉菌進行改造，提高抑制植物病害病原菌能力，培育可高抗農(nóng)藥、廣泛適應環(huán)境、對病原菌控制能力強、繁殖能力高的品種，擴大抑菌譜，提高對寄主植物的定殖能力，提高抗病性。同時，利用快速發(fā)展的現(xiàn)代生物技術通過宏觀、微觀相結合的方法深入研究生防菌的抗病機理及規(guī)律，獲得其功能基因。生物防治的一個特點就是會出現(xiàn)幾種作用方式協(xié)同作用的結果，掌握它們作用方式規(guī)律以配合使用可達到最佳效果。此外，幾種拮抗菌混合使用會提高病害防治能力[32-33]，可配合使用不同防治優(yōu)勢的生防菌，以提高生防效果。隨著生物技術的持續(xù)發(fā)展，鏈霉菌的研究與開發(fā)利用會越來越多，鏈霉菌會得到新的發(fā)展。

參考文獻

[1] WAKSMAN S A，HENRICI A T.The nomenclature and classification of the actinomycetes[J].Journal of bacteriology，1943，46（4）：337-341.

[2] WILLIAMS S T，GOODFELLOW M，ALDERSON G，et al.Numerical classification of Streptomyces and related genera[J].Journal of general microbiology，1983，129（6）：1743-1813.

[3] KMPFER P，KROPPENSTEDT R M，DOTT W.A numerical classification of the genera Streptomyces and Streptoverticillium using miniaturized physiological tests[J].Journal of general microbiology，1991，137（8）：1831-1891.

[4] LECHEVALIER M P，LECHEVALIER H.Chemical composition as a criterion in the classification of aerobic actinomycetes[J].Int J Syst Bacteriol，1970，20（4）：435-443.

[5] STACKEBRANDT E，WOESE C R.Towards a phylogeny of the actinomycetes and related organisms[J].Current microbiology，1981，5（4）：197-202.

[6] KORTEMAA H，PENNANEN T，SMOLANDER A，et al.Distribution of antagonistic Streptomyces griseoviridis in rhizosphere and nonrhizosphere sand[J].Journal of phytopathology，1997，145（4）：137-143.

[7] VALIUKAIT A，SURVILIEN E，RAUDONIS L.Effect of mycostop on Fusarium rootrot agents of raspberry[J].Sodininkyste in darzininkyste，2008，27（1）：47-51.

[8] 王燕，宗兆鋒，程聯(lián)社.放線菌在植物病害生物防治中的應用[J].楊凌職業(yè)技術學院學報，2005，4（3）：21-23.

[9] SHIMIZU M，YAZAWA S，USHIJIMA Y.A promising strain of endophytic Streptomyces sp.for biological control of cucumber anthracnose[J].Journal of general plant pathology，2009，75（1）：27-36.

[10] 湯暉，張利平.阿維鏈霉菌aveD基因的定點突變[J].農(nóng)業(yè)科學與技術：英文版，2011，12（10）：1424-1426.

[11] 余鳳玉，李振華，曾會才.抗真菌農(nóng)用抗生素的研究進展[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學，2005，25（1）：60-65.

[12] ELAD Y，KOHL J，F(xiàn)OKKEMA N J.Control of infection and sporulation of Botrytis cinerea on bean and tomato by saprophytic yeasts[J].European journal of plant pathology，1994，100（5）：315-336.

[13] 沈寅初.井岡霉素研究開發(fā)25年[J].植物保護，1996，22（4）：44-45.

[14] 王學士，任清水，仝贊華，等.農(nóng)用抗生素120有效成份的研究[J].生物防治通報，1994，10（3）：131-134.

[15] SCHLUMBAUM A，MAUCH F，VGEIL U.Plant chitinases are potent inhibitors of fungal growth[J].Nature，1986，324（6095）：365-367.

[16] BAHARLOUEI A，SHARIFISIRCHI G R，BONJAR G H S.Identification of an antifungal chitinase from a potential biocontrol agent，Streptomyces plicatus strain 101，and its new antagonistic spectrum of activity[J].The Philippine agricultural scientist，2010，93（4）：439-445.

[17] VALOIS D，F(xiàn)AYAD K，BARASUBIYE T，et al.Glucanolytic actinomycetes antagonistic to Phytophthora fragariae var.rubi，the causal agent of raspberry root rot[J].Appl Environ Microbiol，1996，62（5）：1630-1635.

[18] 于冰，申屠旭萍，俞曉平.豐加霉素對黃瓜立枯絲核菌的拮抗作用[J].中國生物防治學報，2011，27（3）：373-377.

[19] 王清海，萬平平，李安娜，等.土壤拮抗鏈霉菌R15菌株發(fā)酵產(chǎn)物的抑菌作用[J].中國農(nóng)學通報，2006，22（2）：327-330.

[20] 胡磊，牛世全，景彩虹，等.拮抗油菜菌核病菌的鏈霉菌分離篩選與鑒定[J].中國油料作物學報，2013，35（1）：069-073.

[21] SAMAC D A，WILLERT A M，MCBRIDE M J，et al.Effects of antibioticproducing Streptomyces on nodulations and leaf spot in alfalfa[J].Applied soil ecology，2003，22：55-66.

[22] 張穗.井岡霉素誘導水稻防御紋枯病反應機理的研究[J].植物病理學報，2002，32（1）：95-96.

[23] TU J C.Integrated diseasec control of white mold（Sclerotinia sclerotiorum）in navy bean （Phaseolus vulgaris）[J].Int Symp Crop Prot，1986，39：731-740.

[24] 段春梅，薛泉宏，趙娟，等.放線菌劑對黃瓜幼苗生長及葉片PPO活性的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學報，2010，19（9）：48-54.

[25] 梁軍鋒，薛泉宏，牛小磊，等.7株放線菌在辣椒根部定殖及對辣椒葉片PAL與PPO活性的影響[J].西北植物學報，2005，25（10）：2118-2123.

[26] 許英俊，薛泉宏，邢勝利，等.3株放線菌對草莓的促生作用及對PPO活性的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學報，2007，16（6）：146-153.

[27] MISHRA S K，TAFT W H，PUTNAM A R，et al.Plant growth regulatory metabolites from novel actinomycetes[J].Journal of plant growth regulation，1987，6（2）：75-83.

[28] KHAMNA S，YOKOTA A，LUMYONG S.Actinomycetes isolated from medicinal plant rhizosphere soils：Diversity and screening of antifungal compounds，indole3acetic acid and siderophore production[J].World journal of microbiology & biotechnology，2009，25（4）：649-655.

[29] IGARASHI Y，IIDA T，YOSHIDA R，et al.Pteridic acids A and B，novel plant growth promoters with auxinlike activity from Streptomyces hygroscopicus TPA0451[J].Journal of antibitics，2002，55（8）：764-767.

[30] 喬宏萍，宗兆峰.用重寄生菌防治植物病害[J].中國生物防治，2002，18（4）：176-179.

[31] AVIS T J，HAMELIN R C，BELANGER R R.Approaches to molecular characterization of fungal biocontrol agents：Some case studies[J].Canadian journal of plant pathology，2001，23（1）：8-12.

[32] FUKUI R，F(xiàn)UKUI H，ALVAREZ A M.Comparisons of single versus multiple bacterial species on biological control of anthurium blight[J].Phytopathology，1999，89（5）：366-373.

[33] GUETSKY R，SHTIENBERG D，ELAD Y，et al.Combining biocontrol agents to reduce the variability of biological control[J].Phytopathology，2001，91（7）：621-627.