致病鐮刀菌的研究進(jìn)展

謝安娜，徐浩飛，張志林，魏 婷，佘艷萍，劉欣然，史紅安

(1.湖北工程學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000；2.湖北工程學(xué)院 特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 孝感 432000；3.孝感市野生動(dòng)物和森林植物保護(hù)站，湖北 孝感 432000)

鐮刀菌因其無(wú)性繁殖產(chǎn)生的大型分生孢子外形似鐮刀而得名[1]，屬于寄生型真菌之一。鐮刀菌通過(guò)侵染作物的維管束系統(tǒng)導(dǎo)致作物出現(xiàn)萎蔫、穗腐和腐爛等癥狀，如危害較重可導(dǎo)致植株死亡，從而造成作物大量減產(chǎn)，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。鐮刀菌產(chǎn)生的毒素不僅作用于植物，而且作用于動(dòng)物和人體，嚴(yán)重時(shí)威脅其生命健康。本文重點(diǎn)闡述了鐮刀菌屬中致病鐮刀菌對(duì)植物的傳播途徑、致病方式、作用機(jī)理以及相關(guān)防治措施等方面的研究進(jìn)展。

1 鐮刀菌

鐮刀菌(Fusariumspp)，屬于菌物界真菌門(mén)子囊菌亞門(mén)肉座菌科(Hypocreaceae)的赤霉屬(Gibberella)、叢赤殼屬(Nectria)、麗赤殼屬(Calonectria)和小赤殼屬(Micronectriella)的有性型真菌。1809年，Link首次以鐮刀菌命名著生于子座上且有彎月形的真菌[2]，以粉紅鐮刀菌為模式種建立了鐮刀菌屬[3]。目前，國(guó)際上陸續(xù)出現(xiàn)了多種分類(lèi)系統(tǒng)，各分類(lèi)系統(tǒng)對(duì)鐮刀菌的分類(lèi)依據(jù)和數(shù)目不一致，使用較為廣泛的為Gerlaeh系統(tǒng)和Nelson系統(tǒng)。俞大紱[4]將鐮刀菌分為44個(gè)種和35個(gè)變種，為我國(guó)鐮刀菌研究奠定了基礎(chǔ)。鐮刀菌屬擁有多種致病菌，可引起植物的萎蔫、穗腐和根腐等多種病癥，如小麥赤霉病、香蕉枯萎病和棉花枯萎病，已成為世界上重要的致病真菌之一[5]。

2 鐮刀菌的傳播途徑

鐮刀菌屬土壤習(xí)居菌，具有致病范圍廣和致病能力強(qiáng)等特點(diǎn)，以菌絲體、孢子形式越冬，主要分布于病殘?bào)w、帶菌種子和土壤中。其傳播途徑通常分為兩種：一是垂直傳播，由母系傳播給下一代；二是水平傳播，侵染傷口使寄主植株發(fā)病。尖孢鐮刀菌傳播方式為水平傳播，能從苜蓿根或根頸部進(jìn)行侵染，其途徑為存活于土壤中的菌絲體通過(guò)種子滲透至根后再侵染至莖。病菌由植株外表皮細(xì)胞間隔較大的組織間侵入，菌絲體和孢子進(jìn)入導(dǎo)管及維管組織，并擴(kuò)張至植株各部位[6]。由于作物的氣孔等外部組織和部分植物傷口組織暴露在外，亦可引起空氣中的孢子及菌絲體的感染。目前研究者正對(duì)鐮刀菌在不同作物上傳播為害的途徑進(jìn)行系統(tǒng)的研究，了解鐮刀菌的傳染機(jī)制，為有效利用藥劑和農(nóng)業(yè)技術(shù)切斷鐮刀菌的傳播途徑和控制其為害提供新的思路。

3 鐮刀菌的致病性

致病鐮刀菌對(duì)農(nóng)作物、花卉和水果等具有很強(qiáng)的破環(huán)性，研究表明影響鐮刀菌菌株的致病性的因素較多，同時(shí)也存在種間和種內(nèi)的致病活性差異。致病性主要是破壞植物體結(jié)構(gòu)，分泌次生代謝物使植株出現(xiàn)枯萎、穗腐和腐爛等現(xiàn)象，導(dǎo)致作物大面積死亡，嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3.1 萎蔫

萎蔫癥狀在植物生長(zhǎng)各周期中均有出現(xiàn)，主要表現(xiàn)為爛秧、葉片枯黃和莖稈枯萎變褐等癥狀。尖孢鐮刀菌通過(guò)阻礙植物中水分的流動(dòng)，使寄主植物體內(nèi)的果膠酶變活躍，造成植物導(dǎo)管堵塞，最終導(dǎo)致植物萎蔫[7]，該菌具有很強(qiáng)的專(zhuān)化性，能導(dǎo)致番茄、辣椒、香蕉、西瓜和馬鈴薯等枯萎病發(fā)生，分布廣泛，在全國(guó)各個(gè)種植區(qū)均有不同程度的發(fā)生。康業(yè)斌等[8]研究發(fā)現(xiàn)由尖孢鐮刀菌甜瓜專(zhuān)化型引起的枯萎病可使甜瓜植株逐步萎蔫，瓜柄產(chǎn)生黃褐色條斑，后引起爛瓜，并導(dǎo)致植株凋枯死亡。對(duì)作物枯萎病病株的病原菌研究表明不同作物中的致病菌群組成存在差異，但鐮刀菌為其中的優(yōu)勢(shì)種群。如張斌[9]對(duì)侵染番茄的菌株進(jìn)行分析鑒定結(jié)果表明，尖孢鐮刀菌為優(yōu)勢(shì)種群，發(fā)生頻率最高。同時(shí)，在感染引發(fā)三七根腐病的研究中發(fā)現(xiàn)，尖孢鐮刀菌為優(yōu)勢(shì)種群，且鐮刀菌屬中多個(gè)種具有致病性[10]。鐮刀菌屬的致病菌群組成和優(yōu)勢(shì)致病菌受溫度、pH、碳源、培養(yǎng)基類(lèi)型等外界環(huán)境因素影響顯著[11]。宋莉莎等[12]研究表明，不同碳源種類(lèi)對(duì)燕麥鐮刀菌生物學(xué)發(fā)育影響顯著，以麥芽糖的生長(zhǎng)效果最佳。而曹興等[13]研究發(fā)現(xiàn)，BM、SDA、PDA三種不同培養(yǎng)基對(duì)尖孢鐮刀菌的生長(zhǎng)影響顯著，其中PDA為尖孢鐮刀菌的適宜培養(yǎng)基。姚錦愛(ài)等[14]研究表明，尖孢鐮刀菌在不同pH中，菌落直徑和產(chǎn)孢量均有較大差異，最適pH值為7。

3.2 穗腐

穗腐是由病原菌感染農(nóng)作物穗粒致使該部位腐爛，導(dǎo)致農(nóng)作物大量減產(chǎn)，甚至死亡，多由鐮刀菌屬致病菌引起。玉米穗粒腐病屬世界范圍內(nèi)常見(jiàn)病害之一。史曉榕等[15]研究發(fā)現(xiàn)，引起玉米穗粒腐病的病原菌種類(lèi)繁多，但串珠鐮刀菌為優(yōu)勢(shì)致病菌，占所有分離的致病菌種的50%～83%。裴春麗等[16]研究發(fā)現(xiàn)串珠鐮刀菌對(duì)玉米的侵染率達(dá)到90%左右，并能侵染十幾個(gè)科的植物，如玉米、高粱、小麥、棉花、豆類(lèi)等重要經(jīng)濟(jì)作物。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)小麥赤霉病染病均由多種病原菌侵染引起，其中禾谷鐮刀菌為優(yōu)勢(shì)菌群[17]，因禾谷鐮刀菌侵染小麥麥穗后，呈現(xiàn)粉紅色或橘紅色的霉?fàn)钗铮蚨妹嗝共18]。武愛(ài)波等[19]對(duì)禾谷鐮刀菌侵染小麥胚芽鞘部位進(jìn)行病株觀察，發(fā)現(xiàn)各菌株間致病力存在顯著差異。

3.3 腐爛

鐮刀菌能引起植物果實(shí)、塊莖、鱗莖等腐爛。郭建偉等[20]對(duì)草果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)鐮刀菌為引起其果穗和果實(shí)等腐爛的病原菌。尖孢鐮刀菌是一種危害極大的土傳病害，能引起番茄頸腐根腐病，給番茄生產(chǎn)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。鐮刀菌除對(duì)經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)生危害外，對(duì)其他植物同樣存在危害。紫花苜蓿具有“牧草之王”的美稱(chēng)[21]，隨著種植面積的不斷擴(kuò)大，苜蓿根腐病成為主要病害，其病原菌主要為真菌類(lèi)，其優(yōu)勢(shì)種為鐮刀菌屬中尖孢鐮刀菌、茄鐮刀菌等[22]。文增葉等[11]研究發(fā)現(xiàn)，尖孢鐮刀菌是引起三七苗期根腐病的主要病害之一，導(dǎo)致三七植株變軟倒折，甚至死亡。

4 致病機(jī)理

由于植物具有完整的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和保護(hù)機(jī)制，鐮刀菌主要通過(guò)破壞植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和分泌毒素兩種途徑致病。植物維管束系統(tǒng)對(duì)植物生長(zhǎng)起到運(yùn)輸水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等重要作用?？嫡裆萚23]研究發(fā)現(xiàn)，鐮刀菌病菌入侵小麥穎片、外稃和內(nèi)稃的內(nèi)表面以及子房的頂部后，擴(kuò)展到達(dá)穗軸，沿維管束和皮層組織延伸至小花，最終導(dǎo)致整個(gè)穗部枯死。尖孢鐮刀菌從根系侵染寄主植物維管束系統(tǒng)后，向地上部分?jǐn)U展，同時(shí)分泌3種細(xì)胞壁降解酶降解植物細(xì)胞壁，其降解產(chǎn)生的果膠阻塞宿主植物的導(dǎo)管，從而阻礙宿主正常生理活動(dòng)，導(dǎo)致植物萎蔫、死亡[24-25]。

除通過(guò)破壞結(jié)構(gòu)使植株致死外，菌毒素也對(duì)植物體產(chǎn)生較大影響，如鐮刀菌酸(5-丁基-2-吡啶甲酸)為鐮刀菌屬真菌分泌的非專(zhuān)化型毒素，其可增加細(xì)胞膜的通透性，降低細(xì)胞內(nèi)的線(xiàn)粒體活性氧含量，阻礙ATP的合成，從而抑制植物生長(zhǎng)，故阻斷鐮刀菌酸的合成能有力地控制尖孢鐮刀菌的致病性[26]。李赤等[27]研究表明，香蕉葉片被粗毒素和單純的鐮刀菌酸處理后，細(xì)胞以及內(nèi)容物被嚴(yán)重破壞，影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。對(duì)小麥三葉期的葉片組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)禾谷鐮刀菌的毒素依次作用于質(zhì)膜、葉綠體膜、線(xiàn)粒體膜和核膜，使得小麥的幼根及胚的細(xì)胞膜通透性增加，使小麥更易染病[28-29]。禾谷鐮刀菌在侵入植株后，分泌毒素脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)，破壞植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致植物染病致死。DON為世界范圍內(nèi)最常見(jiàn)的污染糧食、飼料和食品的霉菌毒素之一，誤食后會(huì)出現(xiàn)急性中毒癥狀，如厭食和嘔吐等，嚴(yán)重時(shí)將造成死亡。同時(shí)，DON對(duì)免疫系統(tǒng)有影響，具有明顯胚胎毒性和致畸作用，對(duì)人和牲畜危害極大。串珠鐮刀菌分泌串珠鐮刀菌素(Moniliformin，MON)對(duì)玉米等糧食作物產(chǎn)生作用后，將抑制細(xì)胞蛋白質(zhì)和DNA合成，干擾細(xì)胞分裂增殖，影響生物膜通透性和各種酶的活性，使得機(jī)體過(guò)氧化損傷[30]。研究發(fā)現(xiàn)，MON能有效抑制鼠肝臟細(xì)胞線(xiàn)粒體的丙酮酸脫氫酶系和α-酮戊二酸脫氫酶系的活性，以及抑制大腦丙酮酸脫氫酶系的活性[31-32]。

番茄專(zhuān)化型尖孢鐮刀菌基因組中1/4為富含轉(zhuǎn)座子和有關(guān)致病性基因的譜系特異性區(qū)域[33]，為尖孢鐮刀菌致病力強(qiáng)和感染范圍廣泛的原因，導(dǎo)致尖孢鐮刀菌發(fā)生基因組水平轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)寄主專(zhuān)化型和生理小種[34]。鐮刀菌的某些特定基因在植物體生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中發(fā)揮作用，影響其相關(guān)特性或性狀。侯占銘等[35]研究表明，具有細(xì)胞分裂活性的蛋白激酶基因MGV1在禾谷鐮刀菌的雌性繁殖、異核體的形成以及侵染寄主等過(guò)程中具有重要作用。Nicole等[36]研究顯示MAP激酶基因gpmk1 (和MGV1是同一個(gè)基因)能控制禾谷鐮刀菌的雜交、分生孢子的產(chǎn)生及禾谷鐮刀菌的致病性。對(duì)尖孢鐮刀菌的基因組研究發(fā)現(xiàn)，尖孢鐮刀菌自身產(chǎn)生的蛋白質(zhì)產(chǎn)物在促進(jìn)生長(zhǎng)的同時(shí)，能在植物體內(nèi)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，產(chǎn)生相關(guān)致病毒素，從而危害植物體正常生長(zhǎng)[19]。

5 鐮刀菌的防治措施

致病鐮刀菌對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生較大危害，在防治過(guò)程中應(yīng)遵循綠色環(huán)保的理念，采用“預(yù)防為主，綜合防治”的方針政策，根據(jù)鐮刀菌的發(fā)生規(guī)律和為害特點(diǎn)，采用科學(xué)、安全的防控措施。目前化學(xué)農(nóng)藥成為防治鐮刀菌的主要措施，其帶來(lái)的一些不良的問(wèn)題日益嚴(yán)重，應(yīng)提倡建立包括化學(xué)防治、生物防治和農(nóng)業(yè)防治等的綜合防控體系。

5.1 農(nóng)業(yè)防治

鐮刀菌滋生于土壤中，改變土壤環(huán)境是預(yù)防鐮刀菌危害的有效措施之一。輪作是最為簡(jiǎn)單、有效的方式，在運(yùn)用過(guò)程中應(yīng)合理避開(kāi)與易感染的作物輪作，且需考慮輪作時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題[37]。周艷麗等[38]研究發(fā)現(xiàn)，大蒜的根系分泌物對(duì)黃瓜和西瓜枯萎病具有抑制作用，其效果隨濃度增加而增強(qiáng)。同時(shí)菌的生長(zhǎng)繁殖溫度和濕度等環(huán)境條件成為影響菌生長(zhǎng)的因素，因此選用濕度適宜的土壤、合理密植、改變土壤pH值和定時(shí)對(duì)田地進(jìn)行清潔等均起到農(nóng)業(yè)防治作用[39]。除改變外界環(huán)境外，選育健康抗菌品種、對(duì)植物種子或植物體進(jìn)行消毒殺菌處理均能有效防治鐮刀菌的為害。

5.2 生物防治

自然界中的微生物，如木霉、非致病鐮刀菌和生防細(xì)菌等，對(duì)病原菌具有一定的拮抗抑制作用，與病原菌競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)所需的條件或誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性以達(dá)到防治作用[40]。劉新月等[41]研究發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)的生物活性化合物對(duì)鐮刀菌屬中致病菌也具有一定的抑制作用。生防菌通過(guò)營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)和生態(tài)位排斥等方式抑制鐮刀菌的生長(zhǎng)繁殖，以及鐮刀菌屬中的非致病鐮刀菌應(yīng)用弱株系交互保護(hù)作用原理亦可防治致病菌作用。生物防治通過(guò)細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌等微生物對(duì)致病鐮刀菌的拮抗抑制作用進(jìn)行防治，抑菌效果顯著，且能有效改善農(nóng)藥使用帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。

5.3 藥劑防治

化學(xué)防治為目前有效的防治手段之一，具有見(jiàn)效快、作用顯著等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)常用的化學(xué)防治藥劑包括消毒劑、殺菌劑和熏蒸劑等。許文耀等[42]通過(guò)孢子萌發(fā)法和生長(zhǎng)速率法測(cè)定了9種殺菌劑對(duì)香蕉枯萎病菌的毒力，并對(duì)組培苗進(jìn)行灌根測(cè)定藥效，225、300 mg/L惡霉靈·溴菌睛、300 mg/L惡霉靈、200 mg/L多抗霉素田間防效為57%以上，比多菌靈防治效果高10%～20%。程洋洋等[43]研究表明戊唑醇、嘧菌酯等廣譜性殺菌劑對(duì)小麥赤霉病防治具有良好效果。隨著化學(xué)藥劑的使用帶來(lái)一些負(fù)面影響之后，鐮刀菌的防治也在不斷地開(kāi)發(fā)新型的植物源藥劑，如關(guān)文超等[44]從26種中草藥的水提物篩選出6種有效抑菌物質(zhì)，對(duì)串珠鐮刀菌抑菌率最佳配方為肉豆蔻-五味子兩藥的組合，對(duì)禾谷鐮刀菌抑菌效果最優(yōu)的為肉豆蔻-訶子-石榴皮三藥的組合。

6 展望

鐮刀菌屬于土壤寄生物，在土壤中活力較高，目前對(duì)其防治以化學(xué)防治為主，但由于農(nóng)藥制劑無(wú)法深入土壤，因此不能起到完全滅菌的效果，且農(nóng)藥對(duì)人畜有較大危害，易引起環(huán)境污染等不良后果，因此生物防治前景更加廣泛。但生防菌運(yùn)用到植物體后，仍存在許多外來(lái)因素影響，如受土壤酸堿度等條件制約，使得生物防治方法未能大范圍推行。如何將生物防治方法有效推廣應(yīng)用仍有待進(jìn)一步研究。隨著基因工程技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)生防菌或植物體進(jìn)行基因改造將可能解決此問(wèn)題，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上化學(xué)防治逐步被生物防治所替代，實(shí)現(xiàn)綠色防控的目標(biāo)。