芽孢桿菌防治馬鈴薯主要病害的研究現(xiàn)狀與展望

汝甲榮 明立偉 李志新 張金鵬 趙 雪 劉衛(wèi)平 李長輝 王懷鵬 史喬丹 劉玲玲

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院克山分院，齊齊哈爾 161005）

糧食安全是全球重要問題，保障糧食供應是世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心使命。馬鈴薯因其營養(yǎng)豐富，維生素C 和維生素B 含量遠超于蘋果，被國際糧農(nóng)組織美譽為“被埋沒的寶物”，有“地下蘋果”之稱[1-2]。目前馬鈴薯在我國有著廣闊的生產(chǎn)前景，與其他作物相比優(yōu)勢巨大，是我國最有發(fā)展前景的經(jīng)濟作物之一[3]。馬鈴薯主食產(chǎn)業(yè)化是促進馬鈴薯產(chǎn)業(yè)跨越發(fā)展的有效途徑，是滿足居民膳食結構轉型升級的重要選擇，對促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、確保國家糧食安全意義重大[4]。

隨著馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的實施與推進，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對馬鈴薯的種植和加工業(yè)逐漸重視起來，如何保證馬鈴薯增產(chǎn)增效成為業(yè)內(nèi)討論的重要問題，但由于我國馬鈴薯種植面積較廣且栽培環(huán)境復雜，馬鈴薯生長過程中常受到病原菌的侵染，嚴重影響馬鈴薯的產(chǎn)量和品質[5]。其中真菌性病害在馬鈴薯栽培中發(fā)生最頻繁，危害也最嚴重。馬鈴薯主要真菌性病害包括馬鈴薯晚疫病、環(huán)腐病、早疫病、黑痣病和枯萎病[6]，這些病害的出現(xiàn)，給中國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展帶來了威脅。一直以來化學殺菌劑作為主要的病害防治手段，因其作用效果快等優(yōu)點被廣泛應用，但是長期不合理的施用帶來“3R”（Resistane，Resurgence，Residue）問題，即會使農(nóng)藥大量殘留，對水源、土壤和空氣等環(huán)境造成污染，農(nóng)作物病原菌產(chǎn)生抗藥性且農(nóng)藥殘留還會對人體造成影響。隨著生物科技的不斷發(fā)展，更多綠色、安全、高效和環(huán)保的生防方式被開發(fā)利用，高效的生防菌被大家所重視。生防菌能夠直接或者間接地改良土壤、恢復土壤肥力、預防土傳病害、維持根際微生物區(qū)系平衡和降解有毒物質等[7]。目前已經(jīng)成熟的、進行商業(yè)化的生防菌主要類別為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢桿菌（Bacillus lichenformis）、解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）、綠針假單胞菌（Pseudomonas chlororaphis）、哈茨木霉（Trichoderma harzianum）、灰綠鏈霉菌（Streptomyces griseoviridis）等[8]。芽孢桿菌因其獲取方面，耐高溫、耐鹽堿，物美價廉，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛，本文旨在研究芽孢桿菌在馬鈴薯早疫病、晚疫病及瘡痂病等方面的防治效果，并對其進行整理及探討，為后續(xù)進一步探究生防菌用于作物提供借鑒和方向。

1 芽孢桿菌對馬鈴薯早疫病的影響

1.1 發(fā)病癥狀馬鈴薯早疫病在全球馬鈴薯種植區(qū)均可發(fā)生，由壞死性不完全的真菌引起，是影響全球馬鈴薯產(chǎn)量的重要病害，其中最常見的是A.solani和3 種小孢子物種（A.alternata、A.infectoria.和A.tenuissima）。馬鈴薯早疫病發(fā)病較快，初期侵染時主要在植株下部的葉片形成圓形褐色斑點，直徑約為3.5mm，且易發(fā)生于較老葉片，侵染后期病斑迅速擴大蔓延至植株上部，形成棱角型病斑后壞死[9-11]。馬鈴薯早疫病侵染塊莖后，表皮形成褐色突起，塊莖周圍有圓形至不規(guī)則形狀的輕微凹陷，且變軟[12]。馬鈴薯葉片掉落后，馬鈴薯早疫病因其分生孢子具有較強的生存能力，能夠在冬天的泥土里存活，導致翌年種植發(fā)生二次侵染，加重馬鈴薯早疫病的病害。

1.2 流行特點馬鈴薯早疫病病原菌生存的環(huán)境條件影響著馬鈴薯早疫病的發(fā)生和流行。溫暖、潮濕的環(huán)境條件有利于馬鈴薯早疫病的發(fā)生，在適宜溫度下形成的孢子囊可借助風、雨、氣流等媒介傳播，形成再次侵染。研究發(fā)現(xiàn)，平均氣溫在11～15℃，相對濕度超過70%，植株會遭到早疫病的侵害；氣溫20～25℃，相對濕度80%以上，馬鈴薯早疫病將迅速流行。疏松的沙質土壤若有機質含量較少、肥力較弱、所需營養(yǎng)元素不均衡，長勢較差的植株早疫病發(fā)生嚴重。在雨后，病原菌會隨雨水進入土壤內(nèi)，致使病原菌在土壤內(nèi)生長，播種時期不適、施肥不科學、田間排水不良、種植過密及常年連作重茬地易導致馬鈴薯早疫病發(fā)病嚴重。收獲時機械損傷多，貯藏環(huán)境溫度偏高、通風不暢發(fā)病也較重。

1.3 生物防治研究發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌形成的抗菌物質會扭曲細胞，抑制孢子萌發(fā)，同時芽孢桿菌還可以誘導植株獲取抗性，因芽孢桿菌屬具有獨特的快速復制能力并表現(xiàn)出廣譜抗生素活性，這些抗性對于病害都有不同的防治效果，其作為植物細胞激活劑，誘導植物獲得抗性[13]。不同種芽孢桿菌具有不同生防效果，例如枯草芽孢桿菌的特定有益菌株可有效控制許多真菌病害，包括由病原體青枯鏈孢菌引起的鏈格孢桿菌病。解淀粉芽孢桿菌可產(chǎn)生抑菌物質，抑制革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和真菌等多種病原菌。這些物質還具有抗病毒、抗支原體、抗原性蠕蟲等生物防治活性；同時還具有較強的抗真菌活性，能抑制病原菌的生長。其中，豐原素具有廣譜抗菌活性、低毒、耐藥等特點[14]。

許多學者研究發(fā)現(xiàn)，部分芽孢桿菌對馬鈴薯早疫病有較好的防治效果。王怡凡等[15]篩選出1株拮抗細菌WK-1，鑒定為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis），WK-1 對馬鈴薯早疫病的防治效果為88.39%，表明WK-1 對馬鈴薯早疫病具有較強的抑制作用，可以有效防控馬鈴薯早疫病的發(fā)生。張岱等[16]在篩選出的枯草芽孢桿菌ZD01 的基礎上，利用基質輔助激光解析串聯(lián)飛行時間質譜（MALDITOF-MS）分析手段，對芽孢桿菌分泌的抑菌物質進行成分鑒定，并利用轉錄組技術分析了抗菌肽豐原素對茄鏈格孢菌的影響，研究結果表明，枯草芽孢桿菌ZD01 發(fā)酵液可顯著降低馬鈴薯早疫病的發(fā)病率和病斑面積，經(jīng)葉片離體試驗發(fā)現(xiàn)，葉片經(jīng)ZD01次級代謝產(chǎn)物處理后，茄鏈格孢病菌拷貝數(shù)降低72.86%。同時研究還發(fā)現(xiàn)，豐原素為枯草芽孢桿菌ZD01 次級代謝產(chǎn)物抗菌肽中主效抑菌物質，可顯著抑制馬鈴薯早疫病菌菌絲生長，導致菌絲彎曲、表面褶皺、局部膨大等畸形，細胞外分泌物明顯增多。經(jīng)抗菌肽豐原素處理茄鏈格孢菌孢子后，其萌發(fā)率僅為16.67%，表明枯草芽孢桿菌ZD01 對馬鈴薯早疫病具有良好的生防作用，且主要的作用物質為豐原素。韓龍等[17]篩選出1 株解淀粉芽孢桿菌D1，研究發(fā)現(xiàn)，當菌液濃度為4%時，D1 的抑菌率為68.59%，菌液濃度達到32%時，D1 的抑菌率為100%，致使馬鈴薯早疫病病原菌不能生長，表明解淀粉芽孢桿菌D1 對馬鈴薯早疫病有較好的抑制作用，在馬鈴薯早疫病的防治中具有潛在的應用價值。

2 芽孢桿菌對馬鈴薯晚疫病的影響

2.1 發(fā)病癥狀馬鈴薯晚疫病是制約馬鈴薯產(chǎn)量和品質的影響因素之一，其導致馬鈴薯莖葉死亡和塊莖腐爛，是一種毀滅性卵菌病害，其病原菌為致病疫霉（Phytophthora infestans），具有很高的流行性[18]。馬鈴薯晚疫病的主要發(fā)病部位是葉片、莖和莖塊，病害早期先從植株下部的老葉葉尖開始，形成水漬狀褪綠斑點，病斑周圍有淺綠色暈圈，且在潮濕條件下逐漸擴大，顏色變成黑灰或黑褐色，周圍產(chǎn)生霉層。葉片的病原菌可逐漸侵染蔓延至莖稈及葉柄，使其表皮產(chǎn)生褐色條斑。薯塊受到侵染后，表面形成不規(guī)則狀褐色病斑，病斑下面的薯肉呈深度不等褐色壞死斑，受致病疫霉侵染的馬鈴薯抗性降低，儲藏期間易被其他腐生菌侵染而軟腐。

2.2 流行特點從馬鈴薯晚疫病的流行角度分析，可分3 個發(fā)病階段：首先為病株中心發(fā)病階段，其次是病情逐漸蔓延階段，最后是病情發(fā)生嚴重階段，蔓延趨勢為中心向四周擴散[19]。多數(shù)植株葉片出現(xiàn)個別病斑后，則進入了普遍蔓延階段，從中心病株出現(xiàn)經(jīng)過15d 左右后病情蔓延，病情嚴重階段大量植株枯死[20]。

2.3 生物防治國內(nèi)外早有對微生物制劑的研究，自1887 年科學家發(fā)現(xiàn)豆科植物根瘤具有固氮功能，并且根瘤菌的純培養(yǎng)獲得成功后，微生物的研究與應用得到了迅速的發(fā)展。我國微生物制劑的研究應用始于豆科植物應用根瘤菌接種劑，20 世紀50 年代一些細菌肥料從蘇聯(lián)被引進，如磷細菌和自生固氮菌等；70 年代放線菌制劑被推廣，如“5406”抗生菌肥料和固氮藍藻；70 年代至80 年代中期開始研究推廣VA 菌根；80 年代中期至90 年代聯(lián)合固氮菌被推廣使用[21]。如今微生物防治植物病害在眾多科研工作者努力下，已經(jīng)有很大的進展，而馬鈴薯晚疫病病害原因具有多樣性和復雜性，芽孢桿菌具有一定的生物防治效果，被大眾逐漸開發(fā)重視[22]。

已有報道許多拮抗微生物已被用作生物防治劑來抑制馬鈴薯晚疫病的侵擾并減少合成殺菌劑的使用[23]。其中最具有生防潛力和商業(yè)價值之一的生防菌——芽孢桿菌，日益受到人們的重視，國內(nèi)外各界學者紛紛探究其生防機理，是當前開發(fā)生防資源的研究熱點[24]。因為芽孢桿菌能夠產(chǎn)生耐熱、耐旱、抗紫外線和抗有機溶劑的內(nèi)生孢子，所產(chǎn)芽孢可制成粉劑、可濕性粉劑等各種劑型，且與化學農(nóng)藥混用后不失活，是理想的生防菌篩選對象。

黃保全等[25]研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌對馬鈴薯晚疫病的防效為80.59%，能夠增加馬鈴薯產(chǎn)量且對馬鈴薯生長無不良影響，連續(xù)使用可改善土壤微生態(tài)，促進作物生長，增強抗病性，提高馬鈴薯產(chǎn)量和商品性；2021 年學者Rani 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌顯著減少馬鈴薯晚疫病病變區(qū)域面積，培養(yǎng)濾液濃度為100%時效果最顯著，證明芽孢桿菌對致病菌群有顯著的拮抗作用；2020 年Sorokan 等[27]多位學者研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌26DCryChS 菌株能夠從蘇云金芽孢桿菌B-5351 中產(chǎn)生Cry1Iaδ-內(nèi)毒素，所產(chǎn)生的Cry1Iaδ-內(nèi)毒素是B-5351 成為1 株具有綜合殺菌劑和殺蟲活性菌株的關鍵因素，Cry1Iaδ-內(nèi)毒素能夠很好地抑制馬鈴薯晚疫病的菌絲生長，與未處理的植物相比，植物的晚疫病癥狀發(fā)展減少了35%，并對馬鈴薯甲蟲具有殺蟲活性，表明使用以枯草芽孢桿菌26DCryChS 為基礎的生物防治劑，可作為一種植物綜合保護的替代策略。

3 芽孢桿菌對馬鈴薯瘡痂病的影響

3.1 發(fā)病癥狀馬鈴薯瘡痂?。≒otato common scab）是由腐生性絲狀革蘭氏陽性鏈霉菌疥瘡鏈霉菌（Streptomyces scabies）、酸性瘡痂鏈霉菌（S.acidiscabies）和腫痂鏈霉菌（S.turgidiscabies）等多種植物致病性鏈霉菌引起的土傳兼種傳病害[28]。病薯癥狀主要表現(xiàn)為瘡痂病病原菌在馬鈴薯表面形成褐色木栓化病斑，嚴重時呈瘡痂狀，外觀的破壞對于馬鈴薯商品化有較為不良的影響[29]。

馬鈴薯瘡痂病可以在馬鈴薯塊莖內(nèi)和土壤內(nèi)過冬，繼續(xù)侵染次年的馬鈴薯，其致病菌可在土壤內(nèi)存活10 年之久。馬鈴薯瘡痂病主要侵染的部位為馬鈴薯塊莖，對于馬鈴薯地上部位無較大影響，發(fā)病初期薯塊表面形成淺褐色小斑點，隨著侵染面積加大，馬鈴薯塊莖出現(xiàn)較大的斑塊，且形狀多表現(xiàn)為不規(guī)則形，主要形狀為凸起病斑。

3.2 流行特點馬鈴薯瘡痂病病原菌能夠種傳和土傳，其中種植帶菌種薯是馬鈴薯瘡痂病發(fā)生和傳播的重要途徑，白色薄皮品種易感染瘡痂病，褐色厚皮品種相對薄皮品種不易感染?，F(xiàn)有研究表明，馬鈴薯瘡痂病中的致病性鏈霉菌一旦在土壤中建立，就極難根除，其可以在馬鈴薯作物之間持續(xù)數(shù)年，且被感染的馬鈴薯塊莖表面常出現(xiàn)凹陷或凸起的壞死病變，嚴重影響塊莖品質[30]。馬丹丹等[31]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯瘡痂病較重發(fā)生時，在植株的地上、地下組織中均可檢測到瘡痂病病原菌，其中塊莖的含菌量隨病害的發(fā)展明顯增加，土壤中的瘡痂病菌在馬鈴薯塊莖膨大期明顯增加，根際土的含菌量高于自由土。

3.3 生物防治國內(nèi)外已有芽孢桿菌作用于馬鈴薯瘡痂病方面的相關報道，Li 等[32]通過拮抗試驗獲得了110 株分離株，發(fā)現(xiàn)其中1 株芽孢桿菌AMCC 101304 對馬鈴薯瘡痂病病原菌中疥瘡鏈霉菌有較好的防治效果。試驗證明，施用AMCC 101304 后，馬鈴薯發(fā)病率由100%降至34.19%，效果較為顯著。Chen 等[33]研究發(fā)現(xiàn)，側孢芽孢桿菌AMCC5 在土壤中能夠穩(wěn)定定植，使馬鈴薯收獲期鏈霉菌病原菌群從土壤中顯著減少，病害嚴重程度顯著降低，生防效果高達70.51%，表明AMCC5 對于馬鈴薯瘡痂病有較好的生防效果。糜芳等[34]在土壤中分離獲得的1 株解淀粉芽孢桿菌Ba002，通過試驗證明其對馬鈴薯瘡痂病病原菌有一定的抑制作用，通過田間試驗與盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，施用Ba002 后，馬鈴薯瘡痂病防治效果分別達到59.72%、66.44%，且與傳統(tǒng)化學農(nóng)藥多菌靈防治效果相比，施用Ba002 的防治效果顯著提高，田間試驗結果表明，Ba002 能夠提高馬鈴薯產(chǎn)量。前人研究結果表明，生防菌芽孢桿菌在馬鈴薯瘡痂病生物防治方面具有顯著的作用，同時為未來微生物菌劑替代傳統(tǒng)農(nóng)藥防治馬鈴薯瘡痂病提供理論依據(jù)。

4 展望

本文總結了一些研究報道，證明部分芽孢桿菌能夠對馬鈴薯部分病害起到生物防治效果，發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌對于馬鈴薯病害是一種有效的生物防治手段，具有廣闊的研究前景，能夠為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術保障?；趯ΜF(xiàn)有研究結果的理解，對芽孢桿菌的前景進行分析展望。

研究表明，芽孢桿菌對馬鈴薯病害具有較為有效的抑制作用，能夠起到很好的生防作用，但是多數(shù)試驗都是在室內(nèi)溫室進行的微生物拮抗試驗與植株表達試驗，應用到田間的試驗較少，而室內(nèi)試驗的環(huán)境是人工可控的，田間試驗的環(huán)境則較為復雜且不可控制，每年的種植環(huán)境與氣候變化多樣且復雜，因此想要更好地將有效菌株應用到生產(chǎn)實踐中，并將其作用發(fā)揮到最大化，應提高生防菌株的生物防治效率。本研究認為加強生防菌株的實踐基礎研究也很有必要，例如開展較多的、連續(xù)性的田間試驗，進行同種菌株不同地域、不同環(huán)境的試驗，加強生防菌株在不同土壤中的適生性（如存活、定殖和繁衍等），探索芽孢桿菌與作物根系土壤微生物的互作關系，以便于在田間試驗中發(fā)現(xiàn)并解決問題，對于植物病害的生物防治具有重要指導作用。