根際微生物防治土傳病害的研究進(jìn)展

鐘麗偉，譚鴻升，陳澤斌，鐘 宇，劉佳妮，魏 薇,2*

(1.昆明學(xué)院 農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650214；2.昆明學(xué)院 發(fā)展規(guī)劃處，云南 昆明 650214)

土傳病害每年都會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大經(jīng)濟(jì)損失.在病原菌迅速進(jìn)化、耐藥性增強(qiáng)以及對(duì)低投入可持續(xù)農(nóng)業(yè)模式需求的背景下，探討土傳病害防控的新策略已刻不容緩，而且管控土傳病害對(duì)于農(nóng)業(yè)“雙減”以及全球糧食安全至關(guān)重要[1].土傳病害具有較強(qiáng)的隱藏性、較高的傳染性，被人們稱為“作物癌癥”.常見的毀滅性土傳病害主要有枯萎病、軟腐病、紋枯病、青枯病等，這些病害一旦發(fā)生會(huì)直接導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，甚至絕收.目前，對(duì)土傳病害的防治主要是使用化學(xué)農(nóng)藥，通常在短期內(nèi)能有效抑制病原菌，但隨著病原菌耐藥性增強(qiáng)，不斷增加農(nóng)藥劑量，則會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的病害暴發(fā)[2-3]，造成土壤污染、危害生態(tài)環(huán)境.

近年來，根際土壤微生物在病害防控中的抗病作用愈加凸顯，尤其是在土傳病害的防治研究中受到諸多學(xué)者的關(guān)注.研究[4]表明，植物根際微生物可以通過“呼救”募集有益微生物，共同抵御土傳病原菌，從而提高植物對(duì)病原菌的防控效力.在綠色發(fā)展作為新常態(tài)的背景下，越來越多的學(xué)者認(rèn)為[5-7]，改善土傳病害管理可以通過利用根際生防微生物提高寄主植物抗病性來實(shí)現(xiàn).目前，有大量研究[8-10]發(fā)現(xiàn)，植物根際生防菌株可用于防控土傳病害，且效果顯著.因此，本文圍繞近年來根際生防微生物防治土傳病害的應(yīng)用及其相關(guān)機(jī)制進(jìn)行綜述，并對(duì)未來根際生防微生物的研究方向進(jìn)行展望，以期為深入探索根際微生物輔助土傳病害防控的研究提供參考.

1 根際微生物

根際(Rhizosphere)是植物根系與土壤交界的狹窄區(qū)域[11].與根系不同，根際的范圍一般包圍根表面幾毫米范圍內(nèi)的區(qū)域，對(duì)環(huán)境變化的反應(yīng)極為敏感.由于受植物根系的直接影響，其被認(rèn)為是微生物活動(dòng)的熱點(diǎn)區(qū)域，代表了最復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)之一[12]，也是植物病理學(xué)、土壤科學(xué)和微生物學(xué)等研究的熱點(diǎn)[13].根際微生物(Rhizosphere microbe)指聚集于此與植物發(fā)生相互作用形成的與根際相關(guān)的微生物[14].而與植物根際有關(guān)的微生物的多樣性是極其豐富的，每克根中含有多達(dá)1 011個(gè)微生物細(xì)胞[15]和超過30 000個(gè)原核物種[16].根際微生物群落多樣，相互作用強(qiáng)烈，分子串?dāng)_復(fù)雜.根際包含大量與病原菌防控相關(guān)的功能特性[17]，如幫助寄主植物提高免疫力[18]、抑制病原菌的菌群數(shù)量[19]、改變與宿主相關(guān)的次生代謝物[20]等.Donn等[21]發(fā)現(xiàn)，小麥根際中放線菌和假單胞菌的豐度比根周土壤高10倍；Lee等[22]通過對(duì)不同抗性品種番茄根際微生物的互換實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了抗病植株根際存在能夠幫助植物抵抗病原菌的有益微生物，它們參與了植物的土傳病害防控過程，這些有益微生物即生防微生物[13].目前，生產(chǎn)上對(duì)土傳病害的生物防治方法主要是通過應(yīng)用生防根際微生物，對(duì)病原菌產(chǎn)生多種不利影響，從而有效控制病原菌的數(shù)量，降低其致病性，達(dá)到抑制土傳病害發(fā)生的效果[23].

2 根際生防微生物在土傳病害防治中的應(yīng)用

2.1 生防細(xì)菌

在土傳病害的生物防治中，生防細(xì)菌的使用為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出了重大貢獻(xiàn).生防細(xì)菌繁殖速度快、分布廣泛且防效穩(wěn)定.近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)假單胞菌屬(Pseudomonas)和芽孢桿菌屬(Bacillus)等已經(jīng)進(jìn)行了較為深入地研究.王智榮等[8]發(fā)現(xiàn)，熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)可以抑制指狀青霉(Penicilliumdigitatum)侵染引起的柑橘采后綠霉?。籌slam等[5]從植物根際分離得到1株銅綠假單胞桿菌(Pseudomonasaeruginosa)BA5，其能夠有效抑制病原菌菌絲生長，對(duì)尖孢鐮刀菌黃瓜?；蚚Fusariumoxysporumf.sp.cucumerinum(FOC)]病原菌的抑制率達(dá)到58.33%；楊軒等[24]發(fā)明了一種具有防治煙草土傳病害功能的芽孢桿菌復(fù)合菌劑，其包含貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusvelezensis)和解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)，對(duì)于煙草土傳病害防控具有良好的效果；遲曉麗等[25]從番茄根際土壤中分離得到兩株具有優(yōu)良拮抗性能的細(xì)菌，分別為貝萊斯芽孢桿菌和暹羅芽孢桿菌(Bacillussiamensis)，經(jīng)驗(yàn)證使用這兩株拮抗菌處理，可有效減輕植株發(fā)病，提高植株的抗病性；左梅等[26]發(fā)現(xiàn)蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)B3能增加土壤中有益菌門硝化螺旋菌門(Nitrospirae)、有益菌屬貪噬菌屬(Variovorax)和羅思河小桿菌屬(Rhodanobacter)的豐度，蕈狀芽孢桿菌(Bacillusmycoides)S2能增加有益菌屬紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas)、中慢生根瘤菌屬(Mesorhizobium)的豐度，對(duì)煙株根結(jié)線蟲病害均有一定的防治效果.上述結(jié)果表明，生防細(xì)菌能夠在病原體脅迫下有效提高植物對(duì)病害的防控力.

2.2 生防真菌

生防真菌在防治由土傳病原菌引起的作物病害方面應(yīng)用廣泛，能夠產(chǎn)生抗菌化合物.報(bào)道較多的生防真菌是木霉菌(Trichodermaspp.)，常見地對(duì)植物病害有生防作用的木霉主要有哈茨木霉(Trichodermaharzianum)、棘孢木霉(Trichodermaasperellum)、長枝木霉(Trichodermalongibrachiatum)等.潘瀟涵等[9]應(yīng)用哈茨木霉VT9-3r對(duì)馬鈴薯致病菌立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)、尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)、茄鏈格孢(Alternariasolani)進(jìn)行防治，掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)哈茨木霉通過競(jìng)爭機(jī)制和寄生機(jī)制來抑制病原菌，對(duì)立枯絲核菌引起的馬鈴薯黑痣病防治效果顯著；陳志遠(yuǎn)等[27]研究結(jié)果表明，棘孢木霉對(duì)病原菌禾谷鐮刀菌(Fusariumgraminearum)抑制效果顯著，能有效防治藍(lán)莓根腐??；張小杰等[28]從馬鈴薯連作田植株根際土壤中分離獲得1株長枝木霉TS-1，對(duì)茄病鐮孢(Fusariumsolani)、接骨木鐮孢(Fusariumsambucinum)和灰葡萄孢(Botrytiscinerea)的抑菌率均在70%以上，具有較好的生防應(yīng)用潛力.叢枝菌根(Arbuscular mycorrhiza，AM)真菌能夠幫助抵抗土傳病原菌侵染，增強(qiáng)植物的抗病能力；張敏瑜等[29]研究結(jié)果證實(shí)了接種AM真菌能有效防治香蕉因尖孢鐮刀菌古巴專化型[Fusariumoxysporumf.sp.cubense(FOC)]4號(hào)生理小種(FOC4)引發(fā)的枯萎病，降低了植株的發(fā)病率和病情指數(shù).其次，AM真菌與木霉菌[30]、假單胞菌[31]、芽孢桿菌[32]聯(lián)合接種研究中，防御酶苯丙氨酸解氨酶(Phenylalnine ammonialyase，PAL)、過氧化物酶(Peroxidase，POD)、多酚氧化酶(Polyphenoloxidase，PPO)等的活性升高.AM真菌還可在植物之間形成連接網(wǎng)絡(luò)，將抗性誘導(dǎo)信號(hào)傳遞給相鄰植物[33].目前，生防真菌在防治作物土傳病害的研究和應(yīng)用中較為成功，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病害防治起著重要作用.

2.3 生防放線菌

放線菌種類繁多，功能各異，具有巨大的開發(fā)潛力.根際放線菌的優(yōu)勢(shì)種群為鏈霉菌屬(Streptomyces)，在防治由土傳病原菌引起的作物病害方面應(yīng)用廣泛.李威等[34]從健康茄子根際中分離獲得1株對(duì)茄子青枯菌有顯著拮抗作用的婁徹氏鏈霉菌(Streptomycesrochei)，對(duì)青枯菌具有較強(qiáng)的拮抗效果；李雪萍等[10]從健康青稞根際土壤中分離到1株酸瘡痂鏈霉菌(Streptomycesacidiscabies)，對(duì)青稞根腐病病原菌生長抑制率達(dá)48.31%；李鴻坤等[35]研究發(fā)現(xiàn)了1株肉桂栗色鏈霉菌(Streptomycescinnamocastaneus)，對(duì)黃瓜枯萎病菌的抑制率可達(dá)50%以上；賴寶春等[36]從健康辣椒根際土壤中分離到1株灰銹赤鏈霉菌(Streptomycesgriseorubiginosus)，對(duì)香蕉枯萎病菌的抑制率為81.7%.近年來，生防放線菌相關(guān)菌劑產(chǎn)品已成為防治土傳病害的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，其在土傳病害防控方面具有廣闊的開發(fā)前景.

3 根際生防微生物在土傳病害防治中的作用機(jī)制

3.1 競(jìng)爭空間和營養(yǎng)物質(zhì)

根際微生物通過占據(jù)根際生境中有限的生態(tài)位，消耗有限的營養(yǎng)物質(zhì)而在根際共存.因此，高度多樣的微生物群落可能只留下少數(shù)未被占據(jù)的生態(tài)位，供潛在的土傳病原菌入侵[37-38].Borrero等[39]通過研究根際微生物碳源消耗率與番茄青枯病發(fā)病率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳源消耗高時(shí)，發(fā)病率明顯降低，說明根際微生物通過競(jìng)爭，從而抑制病原菌的生長.根際微生物對(duì)鐵的競(jìng)爭可以驅(qū)動(dòng)其對(duì)土傳病原菌的控制，研究[40]表明，假單胞菌作為土壤中重要的生防菌之一，能夠分泌嗜鐵素，競(jìng)爭土壤中病原菌所必需的稀缺鐵元素，從而抑制病原菌的生長.此外，捕食性細(xì)菌[41]、噬菌體和原生生物[42]等病原體天敵的存在可以有效抑制病原菌的繁殖，阻礙其定植.同時(shí)根際微生物競(jìng)爭營養(yǎng)物質(zhì)，通常會(huì)觸發(fā)拮抗物質(zhì)的產(chǎn)生，從而進(jìn)一步擊退病原體[13].

3.2 產(chǎn)生拮抗物質(zhì)

除了競(jìng)爭營養(yǎng)物質(zhì)及生存空間外，一些根際微生物還能夠產(chǎn)生抑制性化合物，來限制病原菌的生長和毒力[43-44].根際微生物對(duì)抗植物病原體侵害的關(guān)鍵作用是產(chǎn)生抗生素.根瘤菌(Rhizobium)作為防治植物病原生物的候選菌，通常與多種抗生素的開發(fā)有關(guān)[45].抗生素可破壞或減緩目標(biāo)病原菌的生長和代謝活動(dòng)[46].由假單胞菌和芽孢桿菌開發(fā)的脂肽生物表面活性劑已應(yīng)用于生物防治，其在與細(xì)菌、真菌、卵菌、原生動(dòng)物、線蟲和植物等共存生物競(jìng)爭性相互作用中產(chǎn)生有益影響[47-48].相關(guān)研究[49]也對(duì)其功能進(jìn)行了驗(yàn)證，大多數(shù)芽孢桿菌產(chǎn)生的抗生素，如多粘菌素、環(huán)菌素和粘菌素，對(duì)革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細(xì)菌以及許多致病真菌有效.由禾頂囊殼(Gaeumannomycesgraminis)引起的小麥土傳病害，在拮抗性熒光假單胞菌產(chǎn)生的抗真菌化合物2,4-二乙酰基間苯三酚(2,4-diacetylphloroglucinol，2,4-DAPG)作用下，使得該病害明顯減少[50].Cha等[51]發(fā)現(xiàn)，鏈霉菌產(chǎn)生的硫肽康普霉素在抑制草莓枯萎病的土壤中發(fā)揮了作用，康普霉素是一種參與抑制鐮刀菌的代謝物，通過干擾真菌細(xì)胞壁生物合成來發(fā)揮作用；陳敬師等[52]研究結(jié)果表明，高產(chǎn)抑菌揮發(fā)性有機(jī)物的突變菌株非洲哈茨木霉(Trichodermaafroharzianum)MU153，對(duì)尖孢鐮刀菌的抑制率高達(dá)53.86%.綜上所述，生防微生物產(chǎn)生活性代謝物質(zhì)，抑制土傳病原菌，具有廣譜的抗菌活性，同時(shí)可激發(fā)誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性[53].

3.3 誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性

誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性(Induced systemic resistance，ISR)指植物受病原物侵染，或受生物、化學(xué)、物理因素影響所激發(fā)的植物自身對(duì)有害病原菌的抵抗.誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性是根際生防微生物拮抗病原菌的重要防御途徑[54].假單胞菌、芽孢桿菌和AM真菌等均可通過誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性來提高植物對(duì)各種病原體的保護(hù)效力[55-56].研究[57]表明，熒光假單胞菌WCS417在擬南芥(Arabidopsisthaliana)中可以誘導(dǎo)ISR，系統(tǒng)性地啟動(dòng)了一個(gè)免疫信號(hào)級(jí)聯(lián)，從而對(duì)病原菌產(chǎn)生廣譜抗性；Van Peer等[58]在康乃馨植株中發(fā)現(xiàn)根瘤菌能夠刺激植物系統(tǒng)抗性，以產(chǎn)生防御物質(zhì)，如酚類物質(zhì)、類黃酮或其他植物抗毒素抵御病原物的侵害[59]；在草莓植株上接種大麗花弧菌(Dahliavibrio)，刺激了生防菌株假單胞菌LBUM300中氰化物生物合成基因的表達(dá)[60]，當(dāng)病原體攻擊時(shí)，植物會(huì)啟動(dòng)一種系統(tǒng)性反應(yīng)，刺激根際微生物區(qū)系的抗真菌活性.此外，有研究[61]表明，在植物受到病原體侵染期間，防御相關(guān)激素特征的變化，可能會(huì)影響根系分泌物的組成，從而影響根際微生物群的組成，增強(qiáng)植株抵御病害的能力，控制土傳病害.大量研究表明(表1)，根際生防微生物能夠誘導(dǎo)植物的系統(tǒng)抗病性，同時(shí)激活植物多種防御機(jī)制共同抵御病原菌的危害.

表1 根際生防微生物防控土傳病害的作用機(jī)制

3.4 分泌溶解酶

鄧欣彤等[70]研究結(jié)果顯示，抑菌物質(zhì)可通過對(duì)病原菌細(xì)胞壁的破壞，抑制病原菌的生長繁殖.根際微生物防治病原菌的主要機(jī)制之一是通過細(xì)胞壁降解酶破壞病原菌的細(xì)胞壁[71]，根際生防微生物菌株分泌的細(xì)胞壁降解酶，如β-1,3-葡聚糖酶、幾丁質(zhì)酶、纖維素酶和蛋白酶，對(duì)真菌病原體的菌絲生長有強(qiáng)烈的抑制作用.芽孢桿菌產(chǎn)生β-1,3-葡聚糖酶，能分解土傳病原體的細(xì)胞壁[72].地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)、蠟樣芽孢桿菌和環(huán)狀芽孢桿菌(Bacilluscirculans)都是具有幾丁質(zhì)分解活性的潛在生防菌[73].一些細(xì)菌產(chǎn)生的酶能水解纖維素、半纖維素、幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)，從而抑制植物病原菌的活性.目前，國內(nèi)外研究中，有關(guān)細(xì)胞壁降解酶抑制作用的研究較多，其他酶類研究報(bào)道較少，需要繼續(xù)研究探索，才能更加科學(xué)地論證相關(guān)酶對(duì)病原菌的抑制機(jī)制[70].

3.5 寄生作用

寄生作用是根際微生物防治土傳病原菌的重要機(jī)制，生防微生物利用病原菌為自身提供營養(yǎng)物質(zhì)，抑制其正常生理活動(dòng)，阻礙其生長定植.如山岡單胞菌屬(Collimonassp.)菌株通過定植在病原真菌菌絲中，吸收其營養(yǎng)物質(zhì)作為唯一碳源，與病原真菌建立寄生關(guān)系，抑制其生長[74].在植物的根際土壤環(huán)境中，孢子、分生孢子、孢子囊等是病原真菌的主要繁殖體，且與土壤中的其他微生物關(guān)系密切.一旦繁殖體被生防微生物寄生后，其生長與繁殖受阻，因此病害的發(fā)生率也隨之降低[75].如生防細(xì)菌寄生于病原真菌時(shí)，病原真菌的生長與定植將受到明顯影響[76].

4 展望

目前，已有大量研究表明，根際微生物群落與土傳病害防控息息相關(guān)，根際生防微生物通過競(jìng)爭、拮抗、寄生、誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性等方式抑制土傳病害，改善根際土壤微環(huán)境，促進(jìn)植物健康生長[77].但是土壤環(huán)境非常復(fù)雜，大多數(shù)微生物仍未被培養(yǎng)出來，導(dǎo)致對(duì)其功能研究困難，分子機(jī)制的探索也因此受阻.因此，今后可針對(duì)根際微生物防控土傳病害繼續(xù)開展以下研究.

4.1 根際微生物研究方法

現(xiàn)階段，大多數(shù)可培養(yǎng)的根際微生物是采用傳統(tǒng)的平板涂布法進(jìn)行分離純化的，但可培養(yǎng)微生物十分有限，目前篩選到的生防根際微生物更是稀少.隨著高通量測(cè)序技術(shù)、宏基因組學(xué)、生物信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大大增加了群落研究的便捷性.但利用以上技術(shù)進(jìn)行探究，只能分析了解菌群的結(jié)構(gòu)和功能，不能獲得純培養(yǎng)的菌株，難以進(jìn)行單菌株水平上的研究[78].因此，對(duì)分析技術(shù)的探索仍是未來研究的重點(diǎn)，基于對(duì)生防根際微生物的透徹分析，才能從更深層次上對(duì)其進(jìn)行挖掘利用.

4.2 生防菌群的科學(xué)應(yīng)用

首先，根際微生物具有改善植物生長、增強(qiáng)植物抗逆性和促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收方面的潛力，因此已經(jīng)開發(fā)了許多生防微生物菌劑，但其中許多在田間表現(xiàn)不佳.研究[79]發(fā)現(xiàn)，單株生防菌在實(shí)驗(yàn)室條件下的應(yīng)用，確實(shí)具有一定的防控效果，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，土傳病害的發(fā)生不能歸因于單一病原菌株，病害防控是由多個(gè)微生物屬甚至菌群群落在特定土壤環(huán)境下的協(xié)同作用或在病原菌感染過程的特定階段進(jìn)行抑制.未來為了開發(fā)高效、持久的生防菌劑，需要生防菌協(xié)同作用.其次，有研究[80]結(jié)果表明，單獨(dú)沒有拮抗功能的微生物，在與其他菌株組合時(shí)會(huì)表現(xiàn)出對(duì)病原菌的拮抗作用.那么當(dāng)使用生防根際微生物用作菌劑，如何組合才能夠增強(qiáng)對(duì)病原體的抑制[38]？如何適應(yīng)田間不同的氣候條件、土壤理化性質(zhì)和本地微生物群，提高田間防控效果？如何通過快速精準(zhǔn)的檢測(cè)技術(shù)明確根際微生物對(duì)生長環(huán)境和寄主的要求，并采用適當(dāng)?shù)姆椒☉?yīng)用到病害防控上？這也是目前生產(chǎn)中急需解決的問題.因此開發(fā)合適的配方和科學(xué)的使用方法就顯得非常重要.

在過去幾年，研究者已對(duì)植物根際微生物進(jìn)行了較深入地研究，破譯了許多根際微生物菌群的結(jié)構(gòu)和功能，識(shí)別出可用于改善植物生長和健康的根際微生物組，同時(shí)研發(fā)生防菌劑，充分利用了根際微生物資源.預(yù)計(jì)在不久的將來，人們對(duì)利用根際微生物群防控土傳病害將會(huì)有更多新的見解，最終將解開根際微生物組控制植物健康的機(jī)制，為提高作物產(chǎn)量及質(zhì)量開辟新途徑.