鼠李糖脂防治植物真菌病害研究進(jìn)展

王 蕾，毛玉玲，許漢亮，林明江，李繼虎，胡玉偉，管楚雄

（廣東省生物工程研究所（廣州甘蔗糖業(yè)研究所），廣東 廣州 510316）

鼠李糖脂防治植物真菌病害研究進(jìn)展

王 蕾，毛玉玲，許漢亮，林明江，李繼虎，胡玉偉，管楚雄

（廣東省生物工程研究所（廣州甘蔗糖業(yè)研究所），廣東 廣州 510316）

鼠李糖脂是一種環(huán)境友好型生物表面活性劑，在環(huán)境保護(hù)、食品、醫(yī)藥以及病蟲害防治等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。綜述了鼠李糖脂在植物真菌病害防控上的應(yīng)用及研究進(jìn)展；從水解真菌孢子、改變真菌細(xì)胞膜通透性、誘導(dǎo)植株產(chǎn)生防御反應(yīng)等3個方面探討了鼠李糖脂對植物真菌病害的防治途徑；指出了目前在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用鼠李糖脂所遇到的問題和困難，并對鼠李糖脂作為生物農(nóng)藥在防治植物真菌病害的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

鼠李糖脂；植物真菌病害；生物防治

植物病害嚴(yán)重威脅農(nóng)作物生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定，在植物病害中，大部分病害是病原真菌侵染所引致，植物真菌病害對作物產(chǎn)量和品質(zhì)造成了嚴(yán)重的威脅。雖然化學(xué)農(nóng)藥對多種植物真菌有一定的防治效果，但長期使用化學(xué)農(nóng)藥不僅造成環(huán)境污染、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留等問題，也使病原菌產(chǎn)生了嚴(yán)重的抗藥性。利用生物表面活性劑對植物病害進(jìn)行生物防控，以減輕過量使用化學(xué)農(nóng)藥帶來的種種不利影響，引起了各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注［1-4］。鼠李糖脂是一種由銅綠假單胞菌（Pseudomonas Aeruginosa）發(fā)酵產(chǎn)生的一種陰離子生物表面活性劑，鼠李糖脂溶于甲醇、氯仿和乙醚，在堿性溶液中也表現(xiàn)出良好的溶解性，具有乳化、破乳、消泡、洗滌、分散、絮凝和抗靜電等多種功能。在環(huán)境、食品、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。近年來，在農(nóng)業(yè)方面，鼠李糖脂不僅能用于防控綠色桃蚜（Myzus persicae）、斜紋夜蛾（Spodoptera litura）等農(nóng)業(yè)害蟲，還能有效防治大豆根腐?。≒hytophthora sojae）、甘蔗赤腐?。–olletotrichum falcatum）、玉米穗腐?。‵usarium verticillioides）等植物病害［4-7］。

本文通過綜述鼠李糖脂防治真菌病害的研究進(jìn)展，分析其防病機(jī)理及存在問題，并提出鼠李糖脂在農(nóng)業(yè)上的發(fā)展前景，以期為鼠李糖脂用于植物真菌病害的生物防控研究及應(yīng)用提供參考建議。

1 鼠李糖脂概述

鼠李糖脂在1949年已見報道，銅綠假單胞菌在液體培養(yǎng)基中主要產(chǎn)生單鼠李糖脂和雙鼠李糖脂，銅綠假單胞菌可利用植物油、廢油、烴類等疏水性碳源和葡萄糖、甘油、乙醇等親水性碳源發(fā)酵產(chǎn)生鼠李糖脂［8-9］。目前，在我國鼠李糖脂的研究主要集中在環(huán)境保護(hù)、食品和醫(yī)藥等方面，在環(huán)境保護(hù)方面，鼠李糖脂能幫助修復(fù)土壤中的鉛、鎘、鎳等重金屬，也可用于修復(fù)多環(huán)芳烴的污染［10-11］；在食品方面，鼠李糖脂可做乳化劑改善面粉的流變學(xué)特性、乳化脂肪組織增強(qiáng)食品的口感，也可用于果蔬的保藏［12-13］；在醫(yī)藥方面，鼠李糖脂能抗真菌和細(xì)菌感染，可以用作治療皮膚病、病毒性感染及抑制癌細(xì)胞擴(kuò)散等疾?。?4-15］。鼠李糖脂無毒無害、生物可降解，在農(nóng)業(yè)上主要作農(nóng)業(yè)助劑來使用，鼠李糖脂對植物真菌病害有較好的預(yù)防作用，未來也可用于開發(fā)真菌抑菌劑類的生物農(nóng)藥制劑。

2 鼠李糖脂防治真菌病害的機(jī)制

鼠李糖脂作為一種綠色表面活性劑，現(xiàn)已有多項研究表明鼠李糖脂能用于防治植物真菌性病害。綜合有關(guān)研究，鼠李糖脂對植物真菌病害的防治作用機(jī)理主要體現(xiàn)見表1。

2.1 水解真菌孢子

鼠李糖脂可破壞真菌的細(xì)胞膜，使孢子喪失移動性并快速水解，進(jìn)而抑制真菌孢子萌發(fā)和菌絲生長，如圖1所示。Stanghellini等［25］研究發(fā)現(xiàn)濃度為30 μg/mL鼠李糖脂能使辣椒疫霉病和黃瓜腐霉病孢子在1 min內(nèi)全部完全水解。鼠李糖脂瓦解真菌孢子細(xì)胞壁，促使植物病菌死亡，在葡萄灰霉病、大豆疫霉菌、辣椒炭疽病上也同樣發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂有溶解真菌細(xì)胞壁的作用［6，19，24］。真菌細(xì)胞壁主要由幾丁質(zhì)和 β-1，3-葡聚糖組成，幾丁質(zhì)在細(xì)胞壁內(nèi)部，葡聚糖在細(xì)胞壁內(nèi)外部均有。鼠李糖脂處理被真菌病害侵染的植物之后，植物體內(nèi)幾丁質(zhì)酶和β-1，3-葡聚糖酶增加，病原菌細(xì)胞壁被水解酶破壞，菌絲細(xì)胞壁變薄，破碎，最終死亡［19，25］。

此外，鼠李糖脂能阻止病菌孢子的移動，降低病菌對植株的侵染率［6，24，26］。鼠李糖脂在土壤中有很好的溶解性和分散性，高濃度的鼠李糖脂在土壤中能有效阻止孢子移動，降低其對植物的侵染，從而達(dá)到預(yù)防植物病害的目的。

圖1 鼠李糖脂水解真菌孢子示意圖［25］

2.2 改變真菌細(xì)胞膜通透性

Yan等［27］研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，鼠李糖脂處理后的互隔交鏈孢菌（Alternaria alternate）懸浮液中核酸濃度增加，菌絲DNA和蛋白質(zhì)濃度降低，說明互隔交鏈孢菌通透性增加，電解質(zhì)滲出率增大。鼠李糖脂通過改變真菌細(xì)胞膜通透性來抑制真菌孢子萌發(fā)和菌絲生長的機(jī)制總結(jié)起來有3種：第一種是離子表面活性劑對真菌細(xì)胞膜具有破壞作用，能使胞內(nèi)電解質(zhì)大量滲出，導(dǎo)致菌體細(xì)胞膜通透性增加；且生物表面活性劑能插入病原菌的細(xì)胞膜形成孔洞，造成細(xì)胞跨膜通道的H+、Ca2+、K+濃度發(fā)生變化，導(dǎo)致質(zhì)膜的pH梯度崩潰，造成細(xì)胞死亡［13，28］。第二種是生物表面活性劑具有兩親性（既親水又親油），可與病原菌細(xì)胞膜發(fā)生作用，使細(xì)胞表面發(fā)生變化，細(xì)胞膜通透性增加，促使表面活性劑和有毒化合物更易通過細(xì)胞內(nèi)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡［29-31］。第三種是離子表面活性劑其分子在水中帶電荷，可以吸附于帶相反電荷的細(xì)菌菌體表面，形成緊密排列的界面分子膜，阻礙了菌體的呼吸或切斷了營養(yǎng)物質(zhì)的來源，并逐步滲入細(xì)胞類脂層，改變細(xì)胞膜通透性，使細(xì)胞內(nèi)含物外滲，導(dǎo)致菌體死亡［32-33］。研究發(fā)現(xiàn)，鼠李糖脂能增加吩嗪的溶解性，能在霉菌菌絲表面形成膜，使抗生素更加靠近菌絲體，并使菌絲細(xì)胞壁變通透，幫助抗生素通過霉菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜［34］。

2.3 誘導(dǎo)抗性

植物與病原體協(xié)同進(jìn)化過程中，逐漸形成了一系列的高效保護(hù)機(jī)制來抵御病原物的侵害。植物免疫系統(tǒng)分兩個層次，第一個層次是由病原相關(guān)分子模式（PAMPs）觸發(fā)的免疫反應(yīng)（PTI）；第二個層次是觸發(fā)性免疫（ETI）；PTI和ETI都屬于免疫信號，但PTI比ETI更加強(qiáng)烈和持久［35-37］。

茉莉酸、水楊酸和乙烯在植物PTI和ETI信息網(wǎng)絡(luò)中起著關(guān)鍵的作用。鼠李糖脂可促使擬南芥防御基因PR-1（水楊酸標(biāo)記基因），PDF1.2（茉莉酸/乙烯標(biāo)記基因）和 PR-4（乙烯標(biāo)記基因）表達(dá)，觸發(fā)擬南芥的防御反應(yīng)［21］。在西瓜、葡萄、小麥和煙草中，鼠李糖脂誘導(dǎo)植物免疫反應(yīng)也有報道［16，19，38］。鼠李糖脂能激活PTI，預(yù)防葡萄灰霉病的發(fā)生，用0.025 mg/mL鼠李糖脂處理灰霉病感染的葡萄葉片，與對照相比幾丁質(zhì)酶基因表達(dá)高達(dá)320倍［19］。幾丁質(zhì)酶和β-1，3-葡聚糖酶屬于水解酶類的病程相關(guān)蛋白（PRS）也屬于防御產(chǎn)物，與植物系統(tǒng)誘導(dǎo)性抗性（ISR）密切相關(guān)。鼠李糖脂能在室溫條件下通過誘導(dǎo)植物抗性反應(yīng)來預(yù)防西瓜枯萎病，與對照相比，噴施1.0 g/L的鼠李糖脂，可使西瓜葉片幾丁質(zhì)酶和β-1，3-葡聚糖酶分別升高49.95 %和63.04 %［20］。在酶水解真菌細(xì)胞壁過程中，細(xì)胞壁可釋放出寡糖，可作為植物多種抗病反應(yīng)的激發(fā)因子，誘導(dǎo)植物抗病反應(yīng)［39］。鼠李糖脂能促使植物抗性基因表達(dá)，激活植物自身免疫系統(tǒng)，誘導(dǎo)植物對病原菌產(chǎn)生抗性，從而使植物免受病菌的侵害。

3 鼠李糖脂在植物真菌病害防治上的應(yīng)用前景及存在問題

農(nóng)業(yè)病害的生物防控已成為目前研究的一大熱點。國內(nèi)外研究表明鼠李糖脂防治植物真菌病害效果顯著，2004年美國環(huán)保署已通過鼠李糖脂作為生物農(nóng)藥的備案，鼠李糖脂作為一種生物表面活性劑，不僅能單獨做生物農(nóng)藥使用，也可做助溶劑、表面活性劑、乳化劑等與抗生素一起使用。雖然鼠李糖脂對植物真菌病害有很好的防治效果，但到目前為止，農(nóng)業(yè)上進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用的鼠李糖脂卻很少見。鼠李糖脂的防病機(jī)理、生產(chǎn)成本以及安全性等方面存在的一些問題可能限制了目前鼠李糖脂在農(nóng)業(yè)上的大規(guī)模使用。

3.1 防治機(jī)理研究不夠深入

盡管國外對鼠李糖脂防治植物真菌病害做了很多研究，但關(guān)于鼠李糖脂對真菌孢子的抑制機(jī)制仍然不十分清楚，對于鼠李糖脂是如何水解真菌孢子、抑制孢子萌發(fā)和生長仍有待進(jìn)一步研究。植物自身防御反應(yīng)的機(jī)制復(fù)雜，關(guān)于鼠李糖脂是如何觸發(fā)植物自身防御反應(yīng)，也有待研究。未來可從鼠李糖脂對真菌病菌細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、蛋白合成系統(tǒng)和能量代謝系統(tǒng)等方面著手研究；也可從生物化學(xué)、分子生物學(xué)等角度，利用分子、蛋白、基因芯片等手段進(jìn)行進(jìn)一步研究，揭示鼠李糖脂防治植物真菌病害的機(jī)制；另外，可從植物根系和土壤方面研究鼠李糖脂對植物真菌病害的防治機(jī)制。

3.2 生產(chǎn)成本過高

鼠李糖脂作為一種環(huán)境友好型生物表面活性劑，一直以來都是人們關(guān)注的熱點，但鼠李糖脂生產(chǎn)成本過高，目前在我國農(nóng)業(yè)上尚未實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。鼠李糖脂培養(yǎng)基成本占到了整個生產(chǎn)成本的50%，碳源更是鼠李糖脂生產(chǎn)中的限制因素，因此，尋找廉價可持續(xù)利用的碳源，已成為降低鼠李糖脂生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。目前，為了降低鼠李糖脂的生產(chǎn)成本，越來越多的采用廢棄食用油、皂角、糖蜜、酒精廢液等工農(nóng)業(yè)廢棄物作為生產(chǎn)原料［40］。

3.3 安全性問題

鼠李糖脂的生產(chǎn)菌銅綠假單胞菌是一種人類條件致病菌，不適合大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。選育鼠李糖脂高產(chǎn)菌株及非致病的宿主菌已成為目前的當(dāng)務(wù)之急，目前已有利用基因工程等手段對鼠李糖脂生產(chǎn)菌株進(jìn)行改性，有望未來生產(chǎn)更安全的鼠李糖脂［41］。

4 展望

盡管前人對鼠李糖脂防治真菌病害的機(jī)制進(jìn)行了許多有益的探索，但相關(guān)機(jī)制目前尚未完全清楚，有待進(jìn)一步研究。鼠李糖脂作為一種生物表面活性劑既可單獨作為生物農(nóng)藥又可輔助其他抗生素使用，未來可用來防控蔬菜、果樹、茶樹等經(jīng)濟(jì)作物的真菌病害，提升作物的經(jīng)濟(jì)價值；此外，鼠李糖脂還可用在肥料生產(chǎn)中，作為種肥殺菌劑、滲透劑、鋪展劑等使用，其應(yīng)用前景廣闊。目前，在我國農(nóng)業(yè)上，鼠李糖脂已用在部分功能性肥料上，并取得顯著效果。隨著鼠李糖脂生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，廉價安全的鼠李糖脂作為一種真菌殺菌劑在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用將越來越廣泛。

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Research progress on rhamnolipid in the control of plant fungal disease

WANG Lei，MAO Yu-ling，XU Han-liang，LIN Ming-jiang，LI Ji-hu，HU Yu-wei，GUAN Chu-xiong
（Guangzhou Provincial Bioengineering Institute（Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute），Guangzhou 510316，China）

Rhamnolipid is an environment-friendly biosurfactant，has widely applied prospect in environmental protection，food，medicine，disease and pest control of plant. The article summarized the application and research progress of rhamnolipid in controlling plant fungicidal disease；And discussed the disease control method of rhamnolipid from hydrolyzing fungal spores，changing cell membrane penetrability，activating plant defense response. The problem and difficulty of rhamnolipid application were also exposed in agriculture. The prospect of rhamnolipid in control of plant fungal disease at last.

rhamnolipid ；plant fungal disease；biological control

S482.2+8

A

1004-874X（2017）08-

王蕾，毛玉玲，許漢亮，等. 鼠李糖脂防治植物真菌病害研究進(jìn)展［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，44（8）：90-95.

2017-06-14

廣東省科技發(fā)展專項（2016A020209001, 2017B020202004, 2016A020210015, 2016A020210013）；廣州市科技創(chuàng)新人才專項（201710010036）

王蕾（1988-），女，碩士，助理研究員，E-mail：kishi218@163.com

管楚雄（1961-），男，研究員，E-mail：cxguan@126.com

（責(zé)任編輯 楊賢智）