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細菌在煙草土傳病生物防治中的應(yīng)用研究

2021-06-15 16:06宋芷薇田志宏
安徽農(nóng)學(xué)通報 2021年8期
關(guān)鍵詞:生物防治煙草細菌

宋芷薇 田志宏

摘 要:細菌作為一類生防微生物,具有抗生物脅迫與非生物脅迫的能力,被廣泛應(yīng)用于植物侵染性病害防治中。該文分析了細菌防治煙草土傳病的研究報道,發(fā)現(xiàn)根際促生菌與植物內(nèi)生細菌研究最多,試驗方式多以溫室盆栽或田間煙區(qū)為主;闡述了煙草與細菌間互作的抗病機制,包括抗生、競爭、誘導(dǎo)等作用;指出了當(dāng)前細菌防治煙草土傳病中所面臨的問題,并對今后的應(yīng)用前景進行了展望,以期為細菌在煙草生物防治領(lǐng)域中的研究應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞:細菌;土傳病害;生物防治;煙草

中圖分類號 S435.72文獻標識碼 A文章編號 1007-7731(2021)08-0031-06

Abstract:As a kind of biocontrol microorganisms, bacteria have the ability to resist biological stress and abiotic stress, and are widely used in the control of plant infectious diseases. In this paper, the research reports on bacterial control of tobacco soil borne diseases were analyzed, the results showed that rhizosphere growth promoting bacteria and plant endophytic bacteria were the most studied, and the test methods were mainly field tobacco area or greenhouse pot culture. At the same time, the disease resistance mechanism of interaction between tobacco and bacteria was elaborated, including the effects of resistance, competition, induction, etc. Finally, the current problems of bacteria in the control of tobacco soil borne diseases were pointed out, and the future application prospects were prospected, providing reference for the research and development of bacteria in the field of tobacco biological control in the future.

Key words: Bacteria; Soil borne diseases; Biological control; Tobacco

土傳病害分布廣泛且毀滅性強,其發(fā)病條件與氣候溫度、耕作方式、土壤生態(tài)環(huán)境及品種抗病性等多種因素緊密聯(lián)系,且不同病原菌的致病原理與入侵方式不同,從而使防治難度大大增加。由茄科勞爾氏菌(Ralstonia solanacearum)引起的煙草青枯病是典型的細菌病害,一般會先在宿主維管束中寄生,而后迅速擴散到植株的地上部分,典型癥狀為木質(zhì)部褐變、葉面外翻和導(dǎo)管功能障礙等[1];煙草寄生疫霉真菌(Phytophthora nicotianae var. nicotianae)屬于卵菌門(Oomycota),是喜高熱高濕的病害——黑脛病(Tobacco black shank)的致病菌,可感染整株部分,并導(dǎo)致根莖壞死、萎蔫與黃化[2];根黑腐病是由基生根串珠霉菌(Thielaviopsis basicola)引起的真菌性病害,以根和下胚軸黑色病變?yōu)樘卣鱗3]。青枯病、黑脛病及根黑腐病?;旌习l(fā)生,是主要的煙草土傳病害,常侵染危害煙草整個生育期,輕度可導(dǎo)致煙株營養(yǎng)不良、發(fā)育遲緩、晚熟等,嚴重時可使整株死亡。目前,國內(nèi)外煙區(qū)土傳病的發(fā)病率正逐年提高,不僅嚴重限制了產(chǎn)量,而且也降低了煙片品質(zhì),給煙草種植業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失[4-5]。

目前,我國對煙草土傳病的防治主要還是依靠甲霜靈等化學(xué)農(nóng)藥,但傳統(tǒng)化學(xué)防治會產(chǎn)生環(huán)境污染、土壤生態(tài)系統(tǒng)紊亂、抗藥性及農(nóng)藥殘留物威脅食品安全等問題,這些不可控因素引起了人們對利用環(huán)境友好型的生物防治進行替代的思考[6]。植物病害生物防治是利用拮抗微生物及其次級代謝產(chǎn)物通過競爭、抗生、溶菌和誘導(dǎo)等作用機制來降低病原菌的繁殖存活率,從而對植物病害進行抑制的復(fù)雜過程。細菌在結(jié)構(gòu)豐富的微生物種群里具有很大優(yōu)勢,土壤中的細菌數(shù)量遠高于真菌和放線菌。生防細菌具有直接獲取、定殖快速、適應(yīng)力強、效果穩(wěn)定、操作簡便等優(yōu)點,在防治植物細菌性或真菌性的病害中廣泛利用。早在1987年就出現(xiàn)生防細菌的相關(guān)報道,Kenneth利用Agrobacterium radiobacter K84對植物根癌病進行防治[7]。生物防治體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展原則,遵循綠色防控體系,成為植物土傳病防治的重要手段,在國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中占有較大優(yōu)勢[8]。

1 煙草土傳病生防細菌的多樣性及應(yīng)用

自根部表面或近根部土壤顆粒中篩選的根際促生細菌和從植株根莖葉內(nèi)分離出的內(nèi)生細菌是煙草土傳病生防細菌的兩大重要來源。

1.1 根際促生菌PGPR 根際細菌(Rhizosphere bacterial)包括有益、中性及有害3種類別。有益根際細菌是指直接或間接促進植物生長發(fā)育并誘導(dǎo)對病原菌產(chǎn)生拮抗效果的土壤微生物,又稱植物根際促生細菌(Plant growth-promoting rhizobacteria,PGPR)[9]。這些土壤習(xí)居菌長期寄存在植物根系土壤環(huán)境中,較其他病原菌能獲得更多的營養(yǎng)物質(zhì),在生長方面更加具有競爭優(yōu)勢。對土壤細菌的功能性和多樣性進行了解將有助于植物病害生物防治的研究,也為可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展帶來可能[10-11]。

1.1.1 芽孢桿菌屬及其近緣屬 芽孢桿菌屬(Bacillus spp.)是常見的胞外根際菌,產(chǎn)生耐高溫和抗輻射的芽孢會對不利的環(huán)境條件產(chǎn)生抵制作用,作為優(yōu)勢屬有著較強的廣譜抗菌活性與豐富的種群多樣性,在煙草土傳病防治領(lǐng)域中是應(yīng)用最多、潛力最大、發(fā)展最好的亞群。因其穩(wěn)定性能和繁殖能力明顯優(yōu)于其他微生物,因此常用于土傳病生防菌劑及其他商品化生產(chǎn)中[12]。復(fù)配菌株的生物菌劑是近幾年的研究熱點。李苗苗等[13]將3種芽孢桿菌進行組合,克服了在防治煙草黑脛病過程中出現(xiàn)的單一化問題,盆栽混合使用發(fā)酵液防效為74.53%,效果最佳。表1列舉了不同種類的芽孢桿菌在煙草土傳病防治中的應(yīng)用[2,14-24]。

其近緣屬在煙草土傳病的生防中也有研究,類芽孢桿菌屬(Paenibacillus polymyxa)對黑脛病溫室盆栽防治率大于90.9%[25];平板拮抗表明,枝芽孢桿菌屬(Virgibacillus sp.)對疫霉菌抑制率高達96.74%[26];賴氨酸芽孢桿菌屬(Lysinibacillus sphaericu)和短芽孢桿菌屬(Brevibacillus brevis)對青枯病菌也有較好的防治效果,其中短芽孢桿菌屬的溫室防效為87.25%,明顯優(yōu)于對照[27-28]。

1.1.2 假單胞桿菌屬 假單胞桿菌屬(Pseudomonas spp.)在植物近根部土壤中繁殖能力較強,是對營養(yǎng)物質(zhì)需求簡單的一類PGPR。研究發(fā)現(xiàn),綠針假單胞菌(Pseudomonas chlororaphis)和熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens)對疫霉菌有明顯抑制效果,盆栽下熒光假單胞菌P-72-1的揮發(fā)性產(chǎn)物及代謝物對抗病材料MSK326防控效果為53.57%,對感病品種紅花大金元防控為66.37%[29-30]。吳翔[31]篩選得到1株銅綠假單胞菌MT-002-B-7(Pseudomonas aeruginosa),在防治青枯病盆栽試驗期間,處理無發(fā)病現(xiàn)象,表現(xiàn)良好的抑菌效果。格拉納達假單胞桿菌PG3402(Pseudomonas granadensis)可以同時防治煙草黑脛病和煙草根黑腐病,對根串珠霉菌盆栽防效為60.00%,比其他種類的假單胞菌表現(xiàn)更加優(yōu)秀[32]。

1.1.3 其他菌屬 除了芽孢桿菌、假單胞桿菌外,在煙草土傳病防治中利用較多的還有其他一些菌屬,如普城沙雷菌(Serratia plymuthica)[33]、溶菌桿(Lysobacter niastensis)[34]、不動桿菌(Acinetobacter Calcoaceticus)[35]等對黑脛病具有一定的防治作用,有報道稱真養(yǎng)產(chǎn)堿菌(Alcaligene eutrophus)[36]、貪銅菌屬Y4(Cupriavidus sp.)[37]和洋蔥伯克霍爾德氏菌CT45-1(Burkholderia cenocepacia)[38]在青枯病防治中表現(xiàn)優(yōu)異。

1.2 植物內(nèi)生菌 植物內(nèi)生菌定殖在細胞間隙或?qū)Ч苤?,與宿主相互依存、相互制約、彼此聯(lián)動,建立了和諧共生的關(guān)系[39]。來自沙漠的內(nèi)生真菌印度梨形孢對煙草疫霉菌具有顯著抗性,這種抑制效果表現(xiàn)在酶活及抗病基因相關(guān)表達量的提高[40]。在微生物發(fā)揮煙草土傳病生防功能中,植物內(nèi)生細菌(Plant endophyte bacteria)幾乎獨占鰲頭。與以往從土壤中篩選的PGPR相比,內(nèi)生細菌在受植株庇護的穩(wěn)定環(huán)境下?lián)碛谐渥愕奶嫉B(yǎng)分,不受環(huán)境制約,具有更好的定殖效果和抗脅迫力[41]。研究發(fā)現(xiàn),3株拮抗煙草青枯病的內(nèi)生芽孢桿菌的抑菌物質(zhì)熱穩(wěn)定性較強,在100°C以上的高溫下仍正常生長[42]。植物品種成百上千,1株健康的莖葉體植物組織系統(tǒng)中可以寄存大量微生物資源,在復(fù)雜特殊的共生關(guān)系中,豐富的內(nèi)生細菌會依照其宿主生長習(xí)性中的差異與百般的生存環(huán)境相融合,以產(chǎn)生多種截然不同的生物學(xué)效應(yīng),造就了植物內(nèi)生細菌作為生防因子的強大影響力[43]。表2列舉了幾種內(nèi)生細菌在煙草土傳病防治中的應(yīng)用[44-50]。

1.3 鏈霉菌屬 鏈霉菌(Streptomyces sp.)屬是目前分離最多的土壤放線菌,可以長期存活在土壤中,適應(yīng)力較強,是典型的土壤習(xí)居菌。Kortemaa等[51]研究發(fā)現(xiàn)廣泛使用的一種Mycostop鏈霉菌生物制劑可以有效防治疫霉菌、絲核菌等普遍發(fā)生的土傳病害。陳奇園等[52]分離的魯薩鏈霉菌(Streptomyces. lucensis)、高貴鏈霉菌(Streptomyces. nobilis)、婁徹鏈霉菌(Streptomyces. rochei)等生防菌的發(fā)酵產(chǎn)物對煙草黑脛病菌絲抑制率達100%,同時發(fā)現(xiàn)這些優(yōu)勢菌的代謝物質(zhì)為抗生素,全球50%以上的抗生素都來自鏈霉菌屬,農(nóng)用抗生素在生物防治、加工生產(chǎn)及學(xué)科研究等領(lǐng)域中舉足輕重;楊勇等[53]篩選出的1株黃麻鏈霉菌AUH-1(Streptomyces. corchorusii)對黑脛病菌絲抑制率為78%,該菌株的活性抑制物具有良好的穩(wěn)定性,可用于生物藥劑開發(fā)。

2 細菌在防治煙草土傳病中的生物學(xué)途徑

雖然根際細菌和植物內(nèi)生細菌生長位點不同,結(jié)構(gòu)性質(zhì)也有一定差異,但在煙草生物防治中卻有相同的促生抗病機理[54]。土傳病的生防因子通常具備2種作用效應(yīng)及機制,而多種機制相互協(xié)同發(fā)展可以構(gòu)成完整生防體系,從而使防治效果最大化。

2.1 改善根際生態(tài)環(huán)境 Ranjard[55]發(fā)現(xiàn)生防細菌可以改變原有的土壤生態(tài)微生物群落,使其他有益微生物產(chǎn)生效益。土傳病害的發(fā)生與土壤微生物數(shù)目和群落結(jié)構(gòu)(Composition)有著很大聯(lián)系,煙區(qū)健康與患病土壤間的差異是影響煙草土傳病產(chǎn)生的重要因素之一[56]。與健康土壤相比,發(fā)病土壤中的根定殖真菌(Root-colonizing fungi)數(shù)量要遠遠超過細菌群體的數(shù)量,而研究表明PGPR的寄存會降低真菌群體數(shù)量,從而穩(wěn)定土壤菌群結(jié)構(gòu)的平衡。另外,生防細菌也提高了土壤微生物種群的豐富度,給植物病原菌生長繁殖造成了阻礙,從而抑制植物發(fā)生土傳病害的風(fēng)險[57]。韓騰等[58]發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)Tpb55能使不同時期煙草根際樣品土壤中的微生物多樣性顯著提高,在降低黑脛病病情指數(shù)的同時也保證了土壤系統(tǒng)的健康,體現(xiàn)微生物菌劑在煙草土傳病中良好的生防效果。

2.2 次級代謝物的抗生 單種生防細菌就可以合成復(fù)雜多樣且功能性強的抗菌物質(zhì),而植物組織內(nèi)的多數(shù)生防菌被誘導(dǎo)產(chǎn)生豐富的活性抗菌物,可以提高植株抗逆物質(zhì)量的積累,以降低病原菌侵害的可能。寄存在健康土壤中的芽孢桿菌、假單胞菌和放線菌在參與抑制青枯勞爾氏菌的微生物中占主導(dǎo)地位,而其次生代謝產(chǎn)物也同樣影響植物免疫[59]。羅文建等[60]發(fā)現(xiàn)對青枯雷爾氏菌具有明顯拮抗作用的鏈霉菌LC-7的活性分泌物為新型氨基糖苷類抗生素,對煙草青枯病田間防效明顯優(yōu)于硫酸鏈霉素。研究指出,PG3402假單胞桿菌對引起煙草根黑腐病的根串珠霉菌絲具有很好的抑制活性,這與該菌可以合成吩嗪-1-羧酸(Phenazine-1-carboxylic acid, PCA)和2,4-二乙?;g苯三酚(2,4-diacetylphloroglucinal, DAPG)的相關(guān)抗生素基因關(guān)系緊密[32]。有報道稱,解淀粉芽孢桿菌YH-22的活性物質(zhì)是一種可以耐高溫和輻射、不受蛋白酶分解的含脂肽的混合成分,對煙草青枯病具有良好的拮抗效果[61]。

2.3 胞外酶的溶菌效應(yīng) 細胞壁溶菌酶(Cell-wall degrading enzymes, CWDEs)具有拮抗作用,病原真菌的細胞壁構(gòu)架大多由幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)等構(gòu)成,生防菌合成的水解酶可以通過消融破裂細胞壁結(jié)構(gòu),使病原菌失活[62]。褶皺鏈霉菌101(Streptomyces. plicatus)可以分泌胞外幾丁質(zhì)酶以起到生防效果[63]。楊藝煒等[29]發(fā)現(xiàn)綠針假單胞菌XF10可以合成纖維素酶等胞外代謝產(chǎn)物來破壞菌絲的纖維質(zhì),對黑脛病具有較好的抑制作用,與菌液防效相同。楊桃等[64]研究指出煙草內(nèi)生芽孢桿菌可以抑制疫霉菌絲生長,β-1,3-葡聚糖酶使處理組細胞壁中的主要物質(zhì)β-1,3-葡聚糖含量明顯降低,表明微生物酶的溶解效應(yīng)會給細胞膜的完整性帶來影響。

2.4 誘導(dǎo)防御系統(tǒng)的產(chǎn)生 植物系統(tǒng)自身就存在長久的抗性機制SAR(systemic acquired resistance),可以產(chǎn)生病程相關(guān)蛋白來對植物病原菌的感染產(chǎn)生抵制,加速抗病性系統(tǒng)表達。有益細菌誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性ISR(Induced systemic resistance)一方面是指激發(fā)宿主對病原菌形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理結(jié)構(gòu)進行畸變;另一方面誘導(dǎo)使宿主的生理生化系統(tǒng)發(fā)生改變,當(dāng)受到病原菌感染后會提高寄主相關(guān)防御酶的活性,強化物理屏障,刺激抗病基因表達量的上升,帶動植物保護激素提高[65]。董國菊等[30]發(fā)現(xiàn)P-27-10熒光假單細胞可以對疫霉菌菌絲形態(tài)產(chǎn)生巨大影響,對照菌絲飽滿且能正常生長,拮抗菌株處理后病原菌菌絲分支增加且多數(shù)干癟,菌絲細胞頂部畸變,部分原生質(zhì)外溢,表明P-27-10可以誘導(dǎo)病原菌菌絲形態(tài)畸變,從而抑制病害發(fā)展。吳秉奇等[25]測定了幾個時期煙草葉片的系統(tǒng)抗性指標,發(fā)現(xiàn)黑脛病生防細菌接種后,植株體內(nèi)的苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)、超氧化物歧化酶(SOD)及過氧化物酶(POD)等活性明顯增加,表明拮抗細菌提高了煙草對病害防御的反應(yīng),可以有效對病原菌產(chǎn)生抑制。

2.5 細菌與病原菌的競爭 微生物界對營養(yǎng)物質(zhì)、空間資源及生態(tài)位點的競爭十分激烈。細菌生長迅速,且繁殖能力較強,可以快速占據(jù)營養(yǎng)和生存空間并在根部定殖,發(fā)揮生防作用以消減病原菌的生長勢頭[66]。易有金等[28]發(fā)現(xiàn)短短芽孢桿菌比同時接種的青枯勞爾氏菌能先在煙草根部位點中密集定殖,以爭奪青枯菌的侵染位點。劉艷霞等[67]論述了病原菌和生防細菌會爭奪煙草根系分泌的共享物,并指出枯草芽孢桿菌可以發(fā)揮其代謝力的最大優(yōu)勢,利用與其適配的有限根系營養(yǎng)元素來產(chǎn)生拮抗物質(zhì),使彼此間的生態(tài)位重疊指數(shù)提高,通過干擾競爭關(guān)系來限制煙草青枯病菌的生長。此外,部分放線菌和假單細胞菌屬可以產(chǎn)生鐵載體(Siderophore),嗜鐵素對土壤中三價鐵元素具有吸附性,高效結(jié)合后與病原菌爭奪微量元素,降低病原菌勢頭[68]。Yuan等[21]發(fā)現(xiàn)接種在煙苗中的芽孢桿菌SQR-7、SQR-101、SQR-29可以與青枯病菌競爭鐵元素,以達到抑制效果。

2.6 促進植物生長,增強抗病性 改變土壤理化性質(zhì)可以影響植物系統(tǒng)產(chǎn)生抗病性,PGPR可以增加關(guān)鍵性無機營養(yǎng)的溶解度,使難以吸收的微量礦物質(zhì)更易被植物利用。劉春菊等[38]發(fā)現(xiàn)洋蔥伯克霍爾德氏菌具有明顯的解磷作用,通過烤煙汲取土壤中的磷元素來促進煙株生長發(fā)育,增強煙草對青枯病的抑制效果,內(nèi)生細菌的固氮效應(yīng)也是一種類似的作用方式。調(diào)節(jié)植物內(nèi)源激素水平對植物抗逆性的表達也可以產(chǎn)生影響,李想等[23]篩選到的拮抗煙草青枯病的PGPR可以分泌吲哚乙酸(IAA)、分裂素和赤霉素等調(diào)節(jié)劑,在促進煙草生長、提高煙株耐病性方面效果顯著。焦蓉等[45]研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)生解淀粉芽孢桿菌在抵抗黑脛病病菌的同時,兼有促進種子萌發(fā)及改善煙草株高等農(nóng)藝性狀指標的作用,增強的根活力也進一步促進了煙草地上部和地下部的生長發(fā)育。

3 展望

細菌通過控制相關(guān)基因量的表達,刺激煙草在正常生長的同時,可以對昆蟲、病害、雜草、鹽堿及不良氣候等因素造成的影響作出反應(yīng)。目前對于微生物防治煙草土傳病的報道較多,但大多數(shù)拮抗微生物沒有進行安全性評估,是否可以開發(fā)成有效且非致病性的植物源生防菌劑還有待考證。雖然小范圍盆栽和離體試驗可能表現(xiàn)良好,但生物防治受溫度、氣候、水分、地理位置、酸堿值及土壤生態(tài)群落等因素的制約,可能無法發(fā)揮最佳效果。前期基礎(chǔ)研究無法代替實踐檢驗,缺少大規(guī)模利用微生物菌劑在煙田小區(qū)中的評估。此外,細菌對存儲要求控制嚴格,低溫下的細菌活性更好,這也給一些微生物菌劑的批量化生產(chǎn)造成影響。

在煙草土傳病生物防治中,要不斷發(fā)掘新的有益資源,提高微生物菌肥的利用率,通過組合復(fù)配兼容性好的菌株來克服單一化試驗出現(xiàn)的抗藥性問題,并深入研究菌株發(fā)酵條件,提高細菌的繁殖效率,使抗菌活性物質(zhì)在植物體外可以最大化使用,以優(yōu)化防治效果和功能穩(wěn)定性。與此同時,要培育高抗病性煙草品種,科學(xué)系統(tǒng)耕作,修復(fù)受損土壤環(huán)境,加強田間管理,掌握煙田的系統(tǒng)發(fā)病規(guī)律,對農(nóng)民普及有機綠色防控技術(shù),推廣生物菌劑與化學(xué)農(nóng)藥結(jié)合應(yīng)用,逐步降低化學(xué)藥品的利用率,為開發(fā)利用微生物菌劑等相關(guān)產(chǎn)業(yè)研究奠定基礎(chǔ)。

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(責(zé)編:徐世紅)

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