范江龍，李欣蕊，席雪冬

(沈陽農業(yè)大學 植物保護學院 生物合成室，遼寧 沈陽 110000)

小麥是三大谷物之一，在我國的糧食安全和糧食生產中起著非常重要的作用。小麥赤霉病(Fusariumhead blight，F(xiàn)HB)又稱爛穗病、麥秸枯等，是由多種鐮孢菌侵染所引起的小麥病害[1-2]。小麥赤霉病能導致小麥種子發(fā)芽勢降低和生長受阻，小麥面粉質量下降，使其商品價值降低[3]。禾谷鐮孢菌(Fusariumgraminearum)引起的小麥赤霉病的病麥中含有多種能導致人畜中毒的真菌毒素，包括脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)、玉米赤霉烯酮(ZEN)等[4-5]。

為了降低作物病害，化學農藥被大量使用，并且很多地區(qū)對這些化學農藥的使用存在不科學和不規(guī)范的問題，從而導致生態(tài)環(huán)境遭到破壞、水源遭到污染、對農業(yè)有益的生物被“屠殺”和土壤板結等一系列農業(yè)環(huán)境問題的發(fā)生[6]。另外，化學農藥的逐年積累也促使病蟲產生抗藥性，不利于病蟲害的防治[7]。特別地，部分高毒化學農藥在田間使用后，雖然能在一段時間內高效地控制病蟲害的發(fā)生，但是還有部分殘留在土壤中和作物上，隨著食物鏈在生物體內不斷積累，最終嚴重影響人和動物的身體健康[8]。

生物防治是一種安全、經濟、環(huán)保的病蟲害防治方法[9]。本文綜述了近年來小麥赤霉病生物防治研究進展，總結了小麥赤霉病防治方法、小麥赤霉病生物防治研究進展和小麥赤霉病生防菌的應用策略，并闡述了赤霉病生物防治研究過程中存在的問題，對于未解決的問題，提出了一些有效建議。

1 小麥赤霉病及其防治的主要方法

1.1 小麥赤霉病病原菌特征及危害

小麥赤霉病是由于鐮孢菌復合群體侵染小麥作物而引起的小麥病害[10]，其致病病原菌主要有5種，分別是禾谷鐮孢菌(Fusariumgraminearum)、串珠鐮孢菌(Fusariummoniliforme)、黃色鐮孢菌(Fusariumculmorum)、燕麥鐮孢菌(Fusariumavenaceum)和亞洲鐮孢菌(Fusariumasiaticum)。小麥赤霉病最早在東南亞和南美洲等溫和濕潤的地區(qū)流行，小麥作物的揚花期是赤霉病的發(fā)病盛期[11]。隨著經濟全球化的發(fā)展和全球貿易的日益頻繁，小麥赤霉病病菌伴隨多種途徑傳播到世界各地，導致小麥赤霉病廣泛分布于中國、阿根廷、美國、格魯吉亞等處于溫帶的國家和地區(qū)[12]。

我國小麥赤霉病長年發(fā)生在氣候溫暖的淮河流域、長江流域的小麥產區(qū)。近年來，隨著全球氣候變暖，小麥赤霉病也在東北、西北等低溫區(qū)出現(xiàn)，并且有逐年向北蔓延的勢頭[13-15]。圖1統(tǒng)計了2000—2015年中國小麥赤霉病發(fā)病情況，2012年的發(fā)病面積甚至達到了927萬公頃[16]。根據(jù)農業(yè)農村部印發(fā)的《2021年全國“蟲口奪糧”保豐收行動方案》，預計2021年全國小麥赤霉病發(fā)生面積達600萬公頃。小麥赤霉病發(fā)病癥狀見圖2。

圖1 小麥赤霉病的在中國的發(fā)生面積(2000—2015)[16]Fig.1 Occurrence area of FHB in China (2000-2015)[16]

圖2 小麥赤霉病發(fā)病癥狀圖片[17]Fig.2 The picture of the symptoms of FHB[17]

在所有5種鐮孢菌中，禾谷鐮孢菌是我國小麥赤霉病的主要病原菌[18-19]。禾谷鐮孢菌是半知菌亞門真菌，又稱禾谷鐮刀菌，有性階段為Gibberellazeae Schw. Petch。禾谷鐮孢菌產生分生孢子和子囊孢子2種孢子(圖3)。分生孢子呈鐮孢形，有隔膜2～7個，頂端鈍圓或略微收縮，基部有明顯的足細胞，大型分生孢子，分隔明顯，多數(shù)有3個隔膜，大小為(3～6) μm×(25～72) μm。小型分生孢子極少或沒有，無厚膜孢子。子囊殼散生病部表面，卵形至圓錐狀，紫黑或深藍色，大小約為(100～250) μm×(150～300) μm；子囊孢子由子囊中釋放，子囊無色，呈棍棒狀，大小為(8～15) μm×(35～84) μm，內含8個子囊孢子。子囊孢子無色，呈紡錘形，兩端鈍圓，大小為(3～6) μm×(16～33) μm，多為3個隔膜[20-22]。

圖3 禾谷鐮孢菌菌落及孢子圖片F(xiàn)ig.3 Pictures of colony and spore of Fusarium graminearum

禾谷鐮孢菌在侵染小麥穗部并生長的同時,產生兩類主要的真菌毒素，即單端孢霉烯族化合物和玉米赤霉烯酮(ZEN，又稱F-2毒素)。單端孢霉烯族化合物包含A、B、C和D 4個類型，其中禾谷鐮孢菌不產生C型單端孢霉烯族化合物[23]。禾谷鐮孢菌引起的小麥赤霉病產單端孢霉烯族化合物情況如表1所示。

表1 禾谷鐮孢菌引起的小麥赤霉病及產生的單端孢霉烯族化合物

DON是一種具有抑制作用的毒素，人和動物攝入過多含DON毒素的食物之后，就會出現(xiàn)惡心、厭食等癥狀，嚴重的會產生內出血、破壞免疫系統(tǒng)、影響繁殖能力、致癌、致畸等危害。人在誤食含DON的食物之后，10 min左右出現(xiàn)中毒癥狀，30 min之后出現(xiàn)明顯的中毒癥狀[30]。2001年，世界衛(wèi)生組織/聯(lián)合國糧農組織食品添加劑專家委員會建議，單位體質量的日攝入DON量不得超過1.0 μg(即1.0 μg/kg)。為防止這些危害，我國衛(wèi)計委已經建立了小麥籽粒中DON殘留限量的監(jiān)管標準，將小麥產品中DON的最大允許含量設定為1 000 μg/kg[31]。Mirocha等[32]研究表明，中國、北美、歐洲等國家和地區(qū)，禾谷鐮孢菌產生的毒素類型是DON及其衍生物。美國的路易斯安那州和日本韓國的相關地區(qū)，禾谷鐮孢菌毒素主要是NIV及其衍生物[23, 33]。

玉米赤霉烯酮(ZEN)是禾谷鐮孢菌產生的另一類主要毒素，具有類似雌性激素的作用，另外還能破壞體內的合成與代謝[23]。ZEN對人和動物造成的危害有遺傳毒性(導致正常機體內核酸的變化)、免疫毒性(導致正常免疫細胞功能出現(xiàn)紊亂)、生殖毒性(豬飼料中ZEN的含量達到1 mg/kg時便可以使小豬產生高雌激素癥)、致癌毒性(當人體攝入一定含量的ZEN的情況下，ZEN便能破壞身體正常的機能，使體細胞癌變概率提高，尤其是乳腺癌)[34]。為此，我國衛(wèi)生部門規(guī)定谷物及其制品中ZEN的最大允許含量為60 μg/kg[31]。

無論是小麥還是玉米，只要發(fā)生赤霉病，真菌及其產生毒素的污染都比較嚴重。針對真菌和毒素污染的防治，一般要在真菌感染前做好預防準備及相關工作，發(fā)現(xiàn)真菌感染植物后要及時采取防治措施，已被真菌和毒素污染的植株采取防治，嚴重污染的植株進行鏟除以及集中處理等[23]。目前禾谷鐮孢菌真菌毒素的處理主要以化學藥劑為主，物理方法和生物方法的使用可降低真菌毒素對環(huán)境和食品以及飼料的污染。

1.2 小麥赤霉病的防治方法

小麥赤霉病在全球多個國家和地區(qū)發(fā)生，且越來越嚴重，也越來受到關注。目前小麥赤霉病防治措施主要有：農業(yè)基礎防治、抗性育種、化學防治和生物防治等[35]。其中，化學防治是歷史上使用最久的防治措施[36]。

1.2.1 農業(yè)基礎防治

基礎防治方法指的是通過正規(guī)的農事操作，改善農田環(huán)境、土壤環(huán)境以及植物生長環(huán)境等，使來年種植的植物能更健康地生長，增強自生的抵抗能力，這種方法就是農業(yè)基礎防治方法[37]。

小麥赤霉病農業(yè)基礎防治主要是加強田間的管理，具體表現(xiàn)：①及時清理田間病株、病殘體和雜草，防止越冬病菌產生子囊孢子；②做好田間排水排澤工作；③及時、適量施肥，合理灌溉；④及時清理田間發(fā)病植株以及發(fā)病雜草；⑤休耕期及時翻土和曬土等，給小麥生長提供良好的條件?？茖W改善麥田的生態(tài)環(huán)境，不僅有利于小麥的生長，而且還有利于小麥自身抗性的增強[38]。

1.2.2 抗性育種

小麥的抗性育種是一種安全環(huán)保的防病措施，不但能降低病害的危害，而且還能使小麥的產量和質量都得到提升[39]。通過抗性育種選育具有抗小麥赤霉病的品種，是解決赤霉病危害的有效途徑之一[40]。在我國科研人員不斷的努力下，已經培育出許多農藝性狀良好的耐病品種。我國審定通過的第一個高抗赤霉病的小麥品種，是2009年10月15日江蘇省農科院的小麥品種勝選6號[41]?，F(xiàn)在國內主要的小麥抗性品種有蘇麥3號、望水白、湘麥1號、鄂恩1號、萬年2號和揚麥4號等,可因地制宜選擇適宜的抗性品種[42]。國外研究發(fā)現(xiàn)，可以通過對小麥近緣種抗病基因的研究來培育小麥抗病品種。Oliver等[43]利用小麥遠緣雜交途徑來建立小麥與外來物種的衍生物，利用這些衍生物來培育小麥抗病品種。另外，通過誘導抗赤霉病基因的過量表達也是提高小麥植株抗性的方法，如陳同睿等[44]通過基因槍法將過量表達TaJRL53基因的載體導入小麥植株中，發(fā)現(xiàn)小麥植株對赤霉病的抗性增強。

1.2.3 化學防治

化學防治是通過使用化學農藥殺死病原菌以避免植物受到危害的方法?；瘜W防治是農業(yè)上使用歷史最久、研究最深入的病蟲害防治方法，對農藥分子水平上的研究可以有效指導農藥的精細施用，施用的最佳時機和最佳策略研究已經相對成熟[45]。

目前小麥赤霉病的防治離不開化學防治。截至2019年3月，農業(yè)農村部共登記小麥赤霉病藥劑307個，其中單劑139個[45]。目前小麥赤霉病化學防治使用的殺菌劑主要有多菌靈、戊唑醇和氰烯菌酯等。我國使用多菌靈防治小麥赤霉病的歷史已超過30年，這么長時間單一使用多菌靈已導致很多地區(qū)的病蟲對其產生了抗藥性[46-47]。雖然我國戊唑醇的使用也超過了15年，但是使用量顯著少于多菌靈，其抗藥性尚不明顯[48]。氰烯菌酯能強烈抑制禾谷鐮孢菌菌絲的生長，抑制孢子的萌發(fā)速率，甚至能改變孢子的萌發(fā)方式，對禾谷鐮孢菌具有極高的抑制效果，是多菌靈的數(shù)倍[49]。因此，在小麥赤霉病防治方面，氰烯菌酯的使用量越來越大[50-51]。

2 小麥赤霉病的生物防治

生物防治是指依靠動物、植物和微生物等生物活體或者其產生的次級代謝產物來防治植物病害的一種手段[52]。病蟲害的侵擾是影響農業(yè)生產的首要問題，農業(yè)生產每年都會因病蟲害產生巨大的損失。農業(yè)基礎防治只能是減輕病害，不能有效地防治病蟲害；抗性育種雖然環(huán)保、經濟，但是由于涉及轉基因技術，其安全性往往受到大眾的質疑；雖然普通的化學藥物防治由于其見效快、效果好等特點而被廣泛使用多年，但是化學農藥的大量使用已造成了巨大的環(huán)境問題和糧食安全問題[53]。因此研究者開始研究更環(huán)保和更安全的生物防治方法。

2.1 小麥赤霉病生物防治方法

自然界生態(tài)系統(tǒng)中，病原菌存在各種天敵和“競爭對手”，能夠抑制病原菌的微生物就是生防菌。生防菌可能來源于植物體內、昆蟲共生和與生物相關的其他各種環(huán)境。理論上，當生防菌數(shù)量和病原菌數(shù)量保持相對穩(wěn)定，生防菌就能持續(xù)有效地維持對病原菌的抑制[54]。小麥赤霉病生物防治是指充分利用自然界中存在的對小麥赤霉病病原菌有拮抗特性的微生物(即拮抗菌或生防菌)及其抗性機制，結合生物和化學技術來防治小麥赤霉病的方法。在實踐操作中可使用生防菌發(fā)酵液制劑，將生防菌加工成活體種子包衣和將具有誘導抗性機制的生防菌加工成生物肥料以增強小麥對赤霉病的抗性。這些方法是將來小麥赤霉病生物防治的基本方法。

2.2 生物防治機制

生防菌發(fā)揮生物防治的機制主要包括產生抗生素的抗生作用、營養(yǎng)和空間的競爭作用、通過代謝的活性物質或者菌體本身溶解病原菌細胞的溶菌作用和誘導植物的系統(tǒng)抗性等[55]。小麥赤霉病生物防治機制的研究現(xiàn)在是研究熱點。

2.2.1 抗生作用

抗生作用(antibiotics)指由拮抗菌產生的活性抗菌物質對病原菌生長繁殖表現(xiàn)出的抑制作用，也稱為拮抗作用[56]。生防菌通過分泌活性抗菌物質,作用于病原菌細胞的靶標上(細胞壁、細胞膜等)，干擾病原菌細胞蛋白質合成系統(tǒng)和能量代謝系統(tǒng)等的正常功能,進而抑制或殺死病原菌[54]。自然界中大多數(shù)細菌都可以產生對其他微生物有抑制作用的抗菌物質,這些物質主要有五類：①毒素；②細胞壁降解酶類(蛋白酶、果膠酶、幾丁質酶等)；③抗生素類(喹諾酮類抗生素、β-內酰胺類抗生素等)；④細菌素類(羊毛硫抗生素、小分子的熱穩(wěn)定肽、熱敏感的大分子蛋白等)；⑤其他次生代謝物質(有機酸、氨類等)[23, 57]。

目前有很多禾谷鐮孢菌生防菌抗菌物質的研究報道。徐莉等[58]和陸長嬰等[59]從生防菌中分離到對小麥赤霉病具有拮抗活性的抗菌蛋白N1235。裴韜等[60]發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌P72對禾谷鐮孢菌有較強抑菌活性，并從中分離得到抗菌蛋白，該蛋白分子量約為4.0×104，具有較高溫度耐受性、對酸穩(wěn)定等特點。Dunlap等[61]發(fā)現(xiàn)生防菌解淀粉芽孢桿菌AS43.3能產生伊枯草菌素、豐霉素、表面活性素、細菌素、難溶蛋白及巨泌乳素等抗菌活性物質，并且這些活性物質的代謝與對應的基因簇密切相關。陳紅等[62]發(fā)現(xiàn)生防菌芽孢桿菌X2-23對小麥赤霉病和水稻紋枯病等多種病害有強烈的抑制作用，且該菌能高產幾丁質酶，活性可達25.5 U/mL。程超[63]發(fā)現(xiàn)產酶溶桿菌OH11產生的抗菌活性物質HSAF對梨樹腐爛病菌、稻瘟病菌和油菜菌核病菌等有較強的抑制效果，HSAF不僅能抑制小麥赤霉病菌孢子萌發(fā)和菌絲的生長，還能使菌絲形態(tài)與幼殖體發(fā)生畸變，包括菌絲扭曲、頂端膨脹、分枝增加以及孢子萌發(fā)點增多和芽管腫脹等現(xiàn)象，具有優(yōu)異的防治效果。

2.2.2 競爭作用

競爭作用(competition)包括兩大類的競爭，一是營養(yǎng)物質的競爭，二是空間的競爭。營養(yǎng)競爭是指生防菌與病原菌之間競爭有限的營養(yǎng)物質，空間競爭是指對于生存空間需求相近的病原菌和生防菌之間在生態(tài)位上競爭有限的生存空間[55]。競爭作用是生防菌發(fā)揮作用的重要機制之一。營養(yǎng)與空間的競爭一直以來都被認為是生物防治中經典的機制[56]。如來自土壤的拮抗菌，絕大多數(shù)本身就適應根際土壤的環(huán)境，這些微生物與病原菌相比，能隨著根的伸長沿著根尖移動，快速占領根尖幼嫩部分，即占據(jù)有利的物理和生物位點，對病原菌形成物理屏障或生態(tài)位排斥，使病原菌最終不能感染寄主；這些生防菌能更快地適應根際土壤環(huán)境的溫度、濕度、pH和滲透壓等環(huán)境，最終在空間和營養(yǎng)競爭中占據(jù)優(yōu)勢，阻止病原菌對寄主的侵染。再如，生防菌熒光假單胞菌，通過競爭微量元素的方式而達到抑制病原菌生長的作用[64]。Armando等[65]從動物消化系統(tǒng)中分離得到的釀酒酵母可通過競爭營養(yǎng)與空間的作用來抑制禾谷鐮孢菌的生長。

2.2.3 溶菌作用

溶菌(bacterisiolys)是指拮抗菌在進行生命活動的同時破壞病原菌生存，導致病原菌細胞溶解而最終死亡或生長異常的現(xiàn)象[66]。生防菌的溶解作用是非自溶性，這可能是生防菌的酶或者生防物質所造成的，所有引起非自溶的物質均具有潛在的利用價值[67]。

2.2.4 誘導植物的系統(tǒng)抗性

誘導植物的系統(tǒng)抗性(induced resistance)是指一些用于病蟲害生物防治的生防菌株或其組分引起植物發(fā)生生理生化反應，以及在菌體或者生防菌代謝的化學物質的誘導下，使植物體內的病害防御系統(tǒng)被激活，從而使這些植物產生對相應病原菌的抗性的現(xiàn)象[67]。有研究[68-69]發(fā)現(xiàn)假單胞菌能產生抗體2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG)能夠誘導宿主產生誘導抗性，并且其能寄生到宿主的根與宿主病原菌競爭營養(yǎng)成分而對病原菌產生抑制作用。Jochum等[70]發(fā)現(xiàn)產酶溶桿菌菌株C3能誘導小麥產生抗赤霉病菌的抗性而成為防治小麥赤霉病的拮抗劑。

總而言之，禾谷鐮孢菌引起的小麥赤霉病生防菌具有相似的拮抗機制，不同的生防菌株之間防治效果存在差異。生防菌也存在多方面的生防機制，多種機制可以相互協(xié)作，在生物防治過程中發(fā)揮協(xié)同效應。在生物防治中，除了植物和病原菌,還有生防菌及土壤根際圈微生物，生防菌的加入，使之與原本存在的微生物之間形成了錯綜復雜的生防機制，當一種機制不適用時會自動轉入到另一種機制中[71]。

2.3 禾谷鐮孢菌拮抗菌研究進展

自然界中，微生物的數(shù)量龐大，其中許多微生物具有生物防治的潛力。拮抗微生物的種類和分布都十分廣泛，在細菌、真菌、放線菌和病毒中都有發(fā)現(xiàn)，細菌、霉菌、酵母菌和放線菌是目前農業(yè)植物病害防治中應用比較多的微生物拮抗菌。目前發(fā)現(xiàn)的對小麥赤霉病病原菌——禾谷鐮孢菌有拮抗效果的微生物主要是芽孢桿菌(Bacillus)、假單胞菌(Pseudomons)、放線菌(Actinomycetes)以及真菌等。

2.3.1 芽孢桿菌

芽孢桿菌是一類可以形成芽孢的革蘭氏陽性菌，具有繁殖速度快、代謝旺盛、菌體體積大等特點，這些特點有助于其在植物發(fā)病部位迅速占領空間，競爭資源，從而抑制病原菌的生長和擴散。另外，芽孢桿菌還擁有極高的耐受性，它們能耐低溫(-60 ℃)、高溫(280 ℃)、強酸、強堿、高滲、高氧及低氧等極端環(huán)境，能在多種復雜的環(huán)境中生存，是篩選生防菌較好的選擇。

芽孢桿菌能作為多種植物病原菌的生防菌還有另外一個原因是能產生多種抗性物質，包括抗生素、抗菌蛋白等次生代謝產物。芽孢桿菌具有較廣的抑菌范圍，能抑制植物根、莖、葉、花及果實上的多種真菌病害[72]，芽孢桿菌不僅對禾谷鐮孢菌有拮抗效果，而且對立枯病等土傳和地上病害同樣有較好的生防效果[73]。

用于生物防治的芽孢桿菌主要有枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌和多黏類芽孢桿菌。

1)枯草芽孢桿菌?？莶菅挎邨U菌(Bacillussubtilis)是一種好氧嗜溫的芽桿孢菌，產生的內生孢子耐干旱、高溫和紫外線輻射[74]?？莶菅挎邨U菌對產菌絲病原真菌有很好的預防和治療效果，在生物防治中已經凸顯出巨大的潛力，擁有巨大的開發(fā)價值。

由于枯草芽孢桿菌生產成本較低，批量生產工藝簡單，施用方便，儲存期較長，所以是一種理想的生防細菌[75-76]，是目前已經在實際生產中使用的拮抗微生物。國外對枯草芽孢桿菌的研究比較早，很多相關產品都已經在農業(yè)生產中使用?？莶菅挎邨U菌GBO3、MBI600、QST713和FZB24等是已經獲得美國環(huán)保局(EPA)商品化或有限商品生產應用許可的菌株，其中，菌株MBI600能對禾谷鐮孢菌有較好的生防效果[77]。盡管國內對枯草芽孢桿菌的研究晚于國外，但是在研究者們的不懈努力之下，已經取得了諸多進展。

徐劍宏等[78]從土壤中分離到對禾谷鐮孢菌有較好生防作用的枯草芽孢桿菌，能較好地抑制禾谷鐮孢菌菌絲的生長和孢子的萌發(fā)，在田間條件下對小麥赤霉病的防治效果達40.37%。何藝琴等[79]從荊州小麥赤霉病高發(fā)地區(qū)分離到對氯霉素和卡芐西林鈉等抗生素具極高耐受性且易培養(yǎng)的枯草芽孢桿菌XG-7，它在實驗室條件下對小麥赤霉病病菌有較好的抑制效果，抑菌圈達到32.5 mm。徐莉等[58]發(fā)現(xiàn)杜仲內生枯草芽孢桿菌DZSG23能快速適應小麥根際土壤環(huán)境，并快速定殖，DZSG23還能定殖于麥穗表面的穎殼上，通過激活PR-1基因和AOS基因的表達，誘導小麥中水楊酸信號通路和茉莉酸信號通路產生抗赤霉病活性物質，從而增強小麥植株對赤霉病的抗性。周紅姿等[80]從小麥病穗中分離的枯草芽孢桿菌Z54在平板對峙實驗中對禾谷鐮孢菌菌絲的抑制率達到81.72%，Z54在PDA共培養(yǎng)實驗中對禾谷鐮孢菌的抑制率能達到100%；菌株Z54還能降解禾谷鐮孢菌產生的脫氧雪腐鐮刀菌烯醇，降解效果高達71.67%；在盆栽條件和田間條件下，Z54對小麥赤霉病的防治效果分別是69.12%～78.57%和72.60%～75.82%。

目前，已經用于植物病害防治的枯草芽孢桿菌產品有美國Gust-afson公司開發(fā)的Kodiak(GBO3)、Microbio Ltd公司開發(fā)的Subilex(MBI600)等，這些產品通過拌種使用或施用于根部能夠防治由鐮孢菌屬引起的病害[75]。俄羅斯全俄植保所基于枯草芽孢桿菌研制的可濕性粉劑Alirine-B，亦能用于鐮孢菌病害的防治[75, 81]。

2)解淀粉芽孢桿菌。解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)是一種與枯草芽孢桿菌親緣關系很近的生防菌，兩者的區(qū)別在于解淀粉芽孢桿菌擁有一些特性基因[82]，它可以利用這些特性基因編碼抗菌化合物，所以解淀粉芽孢桿菌擁有廣譜抑菌活性，且代謝能力強，能產生多種次生代謝產物。

解淀粉芽孢桿菌活性代謝物比較豐富，在植物病害防治中具有巨大的開發(fā)潛力。王軍華等[83]從土壤中分離的解淀粉芽孢桿菌Q-12，其代謝物中含有抗菌蛋白QA-2，能抑制鐮孢菌、曲霉等病原菌的生長。Sun等[84]從黃芩植株體內分離的解淀粉芽孢桿菌ES-2p5，該菌能通過分泌fengycin和surfactin等活性物質而抑制禾谷鐮孢菌的生長。藺國強[85]從解淀粉芽孢桿菌X-42中分離到脂肽類化合物，該化合物對禾谷鐮孢菌菌絲的生長有較強的抑制作用，X-42的活體菌劑對禾谷鐮孢菌生長的抑制率達到60%以上，田間對小麥赤霉病的相對防效高達79%～88%。秦楠等[86]從解淀粉芽孢桿菌中分離出對禾谷鐮孢菌有抑制作用的抗菌蛋白，該蛋白能使禾谷鐮孢菌細胞器紊亂、細胞質降解、細胞壁破裂、囊泡狀物滲出、菌絲頂端膨大，并且還能抑制孢子萌發(fā)，抑制率可達57.3%。徐麗梅等[87]從小麥樣品中篩選到具有廣譜抗菌活性的解淀粉芽孢桿菌AX-3，該菌在實驗室條件下對禾谷鐮孢菌的平均抑菌圈超過27.9 mm，能分泌含macrolactin A的多種活性物質。總之，解淀粉芽孢桿菌是一類具有開發(fā)潛力的微生物資源。

3)多黏類芽孢桿菌。多黏類芽孢桿菌(Paenibacilluspolymyxa)是一種產芽孢的革蘭氏陽性細菌，早起的分類研究將其歸入芽孢桿菌屬[88]。多黏類芽孢桿菌對植物無致病性，具有生防及促生作用，是極富生防潛力的植物根際促生菌(PGPR)，廣泛存在于土壤等自然環(huán)境中[89-90]。Ryu等[91]發(fā)現(xiàn)了一株廣譜抑菌且能抑制禾谷鐮孢菌生長的多黏芽孢桿菌E681。多黏類芽孢桿菌被作為一種重要生防菌，主要是因為它能產生豐富的抗菌活性物質。研究表明，多黏類芽孢桿菌可能產生的抗菌物質包括蛋白質類、吡嗪類、核苷類、多肽類和酚類等多種，豐富的抗菌物質賦予了多黏類芽孢桿菌較大的環(huán)境競爭優(yōu)勢[92-93]。

4)其他芽孢桿菌細菌。林星華[94]研究了一株具有穩(wěn)定的拮抗活性、較強紫外線抗逆性的皮奧里亞類芽孢桿菌(Paenibacilluspeoriae)，對禾谷鐮孢菌菌絲的生長抑制率達57.14%，該菌還能促進油菜種子和番茄種子的發(fā)芽。夏雨晨等[95]從小麥葉中分離到小麥赤霉病生防菌暹羅芽孢桿菌(Bacillussiamensis)WY-3，與禾谷鐮孢菌對峙培養(yǎng)的抑菌圈達到26.3 mm，還對火龍果炭疽病菌、棉花立枯病菌、白絹病菌等病原菌有較好的抑制效果，WY-3對寄主的生長不造成任何影響，可作為多種植物病害生物防治及開發(fā)原料。江天知等[96]發(fā)現(xiàn)貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusvelezensis)SH06對禾谷鐮孢菌有抑制效果，在TB培養(yǎng)基中添加0.5%Triton X-100的滲透劑培養(yǎng)24 h，對禾谷鐮孢菌的抑制效果達到65.2%，接近多菌靈的抑制效果(70.4%)。王瑤等[97]從發(fā)生小麥赤霉病的病穗上分離到28株多種芽孢桿菌，其中甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌JS62N和暹羅芽孢桿菌JS15E、JS29I對小麥Shixin 888的赤霉病發(fā)病率降低作用均超過80%；在這28株芽孢桿菌中，只有3株對發(fā)病率的降低作用不足50%，其他菌株均能降低病害50%～80%，所有菌株對小麥生長基本無不良影響。

2.3.2 假單胞菌

假單胞菌是廣泛活躍在植物根際和葉面的一類革蘭氏陰性菌，屬內許多菌株屬于植物根際促生菌,能防治植物病害，促進植物生長[98]。目前應用的主要種類有存在于土壤中的不同生物型的熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)和惡臭假單胞菌(Pseudomonasputida)[73]。

從玉米根際分離的熒光假單胞桿菌EM85，對禾谷鐮孢菌、串珠鐮孢菌和菜豆殼球孢菌具有強烈的拮抗作用[99]。楊楠[100]從小麥病穗上分離到綠針假單胞菌PC60，它對禾谷鐮孢菌有強烈的拮抗作用，能通過分泌包括吩嗪-1-甲酰胺(PCN)和吩嗪-1-羧酸(PCA)等物質有效地抑制小麥赤霉病在小麥穗部的擴展，對禾谷鐮孢菌生長的最高抑制率達100%。Hu等[101]從麥穗中分離的假單胞菌Pcho10菌株可以高效抑制禾谷鐮孢菌引起的小麥赤霉病，抑菌率達到63%～73%，Pcho10能抑制禾谷鐮孢菌的生長是通過代謝抗菌活性物質吩嗪-1-甲酰胺來實現(xiàn)的。

2.3.3 放線菌

自然界中放線菌是一類數(shù)量龐大、種類繁多、代謝能力強的革蘭氏陽性細菌，放線菌的代謝產物中含有大量的抗生素，因此在農業(yè)病害防治中有著非常廣闊的應用前景[102-103]。林星華[94]從土壤中分離得到的放線菌A4和A7對小麥赤霉病有較強的抑菌活性，在對峙培養(yǎng)中對小麥赤霉病生長的抑菌圈分別達到10.3 mm和11.0 mm。Nourozian等[104]從小麥籽粒中分離得到的鏈霉菌Streptomycessp.3可以抑制人工培養(yǎng)基上的禾谷鐮孢菌，能使禾谷鐮孢菌菌絲生長減少87.5%，還能促進小麥的生長，提高小麥的產量。張雪輝等[105]從土壤中分離到擁有廣譜抑菌效果的黃灰鏈霉菌(Streptomycesflavogriseus)XM-10，菌株XM-10在與禾谷鐮孢菌對峙培養(yǎng)實驗中，對禾谷鐮孢菌的抑菌效果達到87.6%，有較強的開發(fā)利用價值。

相較于其他革蘭氏陰性細菌，放線菌能產生更豐富的抗生素類物質，從而具有更高的生防開發(fā)價值[106]。放線菌是多種活性物質的天然寶庫，能分離多種抗生素和其他具有特殊功能的化合物，如具有特使功能的酶等[107]。目前使用的放線菌抗生素有用于防治稻瘟病的滅瘟素，有用于防治水稻紋枯病的井岡霉素，有用于防治小麥赤霉病和桿銹菌的放線菌酮等，其中放線菌酮是我國自主研制的農用抗生素[106]。

2.3.4 真菌

真菌是自然界中普遍存在的真核生物，其中較大一部分屬于病原菌，比如禾谷鐮孢菌、核盤菌和銹菌等，它們破壞植物的生長，尤其是人為種植的植物和農作物。但是自然環(huán)境中還存在一些有益的真菌，這些真菌可能來源于植物組織內部，可能來源于土壤，可能來源于其他與生物相關的環(huán)境。

近年來，關于生防真菌的文獻報道在不斷地增多。李素平等[108]發(fā)現(xiàn)從土壤中分離的煙管菌M-1的活體菌株和發(fā)酵液對禾谷鐮孢菌的抑制率分別達到57.71%和72.95%，比化學藥劑多菌靈對禾谷鐮孢菌的抑制率提高27.11%和60.68%，在小麥植株上接種M-1分生孢子懸浮液和發(fā)酵液能使小麥赤霉病的發(fā)病率降低53.66%(p<0.05)和20.49%。周苗苗等[109]研究日本看麥娘內生真菌細極鏈格孢KMN-1和變紅鐮孢KMN-11時發(fā)現(xiàn)，KMN-1和KMN-11能降低小麥赤霉病的發(fā)病程度，對小麥赤霉病的治療效果分別達到76.52%和57.58%。雖然兩種菌株均為真菌，但是對小麥無致病性。

2.4 本課題組小麥赤霉病生物防治研究進展

本課題組研究的方向主要有生物殺菌劑、生物殺蟲劑和生物除草劑，主要是通過分離蚯蚓內生菌、篩選各種病害生防菌以及提取生防菌代謝物質來研究和開發(fā)生物藥劑。

目前從蚯蚓中分離到的內生細菌和內生放線菌已經超過了160株，篩選到的小麥赤霉病生防菌有61株(細菌16株，放線菌54株)，其中對小麥赤霉病拮抗效果最好的細菌菌株是A13和D13，放線菌有J20、J22、J23、J25、J36、J41和J45等7株菌株。采用平板對峙法對峙培養(yǎng)測得A13、D13菌株對禾谷鐮孢菌菌絲生長的抑制率分別是68.57%和58.90%。放線菌中J23和J45效果最好，對禾谷鐮孢菌菌絲生長的抑制率均超過50%，J23和J45化合物粗提物對禾谷鐮孢菌均有較好的抑制效果，初步判斷菌株J23和J45能分泌抗菌物質。接下來將要完成對A13、D13、J23和J45菌株分子生物學鑒定、發(fā)酵液的赤霉病防效、發(fā)酵液的穩(wěn)定性、盆栽生防效果、田間生防效果、活性物質提取與鑒定以及活性物質對小麥赤霉病防治效果等工作。

3 小麥赤霉病生防菌的應用策略

赤霉病的發(fā)生是個復雜的過程，可以利用多種生防菌的協(xié)同作用在整個小麥生長周期阻斷赤霉病的感染。針對小麥易感赤霉病的3個時期，生物防治應采用不同的策略和防治菌種[54]。

小麥易感染赤霉病的第一個時期是種子的萌發(fā)期。萌發(fā)期的種子抵抗力弱，易受土壤中殘留病原菌的侵染，因此可以利用生防菌處理作物的殘茬，或者在播種前將生防菌先施放到土壤中，以降低土壤中病原菌殘留量，減輕病害的發(fā)生。生防菌的最佳使用時間對病害的發(fā)生情況非常重要， Inch等[110]研究發(fā)現(xiàn)，在接觸病原菌前1 d內接種生防菌，能達到最佳的生防效果，生防菌能在這個時間內快速占領生態(tài)位，有效地抑制禾谷鐮孢菌。另外，利用拮抗菌處理種子也是保護種子免受病害侵染的最佳方法之一。

小麥易感染赤霉病的第二個時期是揚花期。這個時期的病原主要來自空氣以及雨水中彌散的孢子[54]。在揚花期到來之前利用生防菌處理麥穗，尤其一些能在麥穗上快速定殖的生防菌(如麥穗中分離的生防菌)，可抑制禾谷鐮孢菌的生存空間，從而減輕病害的發(fā)生以及降低毒素的積累[111]。

小麥易感染赤霉病的第三個時期是黃熟期。黃熟期的病原主要也是空氣中的孢子，這個時期處理方法與揚花期類似。

雖然小麥整個生長周期都容易受到赤霉病的感染，但是利用好上述的3個關鍵時間點，更有利于赤霉病防控。感染禾谷鐮孢菌的小麥，在施用生防菌或者其他化學藥劑后，可能會抑制禾谷鐮孢菌的進一步擴展，不產生病害癥狀，但是禾谷鐮孢菌在合適的條件下能繼續(xù)產生和積累毒素，因此收獲后毒素的處理也至關重要[112]。在儲藏過程中使用生防菌也是減輕毒素繼續(xù)產生和積累的有效措施[113]。

4 總結與展望

小麥生產過程中，其產量和質量嚴重受到赤霉病的威脅。禾谷鐮孢菌是小麥赤霉病的主要病原菌之一，不僅能在小麥的整個生長周期破壞小麥的正常生長，而且還能在小麥收獲后繼續(xù)產生和積累真菌毒素，對小麥的儲藏造成不良的影響。小麥赤霉病所產生的各種真菌毒素會使糧食和飼料受到污染，嚴重影響人和動物的安全。

雖然化學農藥有高效的防治效果，但是造成的環(huán)境問題也日益增多，其中最受到關注的問題就是糧食安全問題。另外隨著社會的發(fā)展，人類的消費觀念發(fā)生變化，人們追求更安全和更環(huán)保的糧食及其相應的生活必需品。生物防治小麥赤霉病的研究就是為了輔助化學藥物對小麥赤霉病進行防治，同時也是為了能更環(huán)保和更安全地進行小麥及其相關產品的生產。

我國小麥生產受禾谷鐮孢菌威脅的區(qū)域主要分布在黃淮流域及其以北的地區(qū)。目前已經發(fā)現(xiàn)的能拮抗禾谷鐮孢菌的微生物在環(huán)境中廣泛分布，在土壤中、昆蟲體內、小麥穗上、小麥葉內等環(huán)境中都有發(fā)現(xiàn)。這些生防菌主要以細菌和真菌為主，包含了芽孢桿菌、放線菌等。不同生防菌對禾谷鐮孢菌的拮抗作用機制也存在差異，有的生防菌通過分泌抗菌活性物質抑制禾谷鐮孢菌的生長；有的生防菌則通過與病原菌競爭營養(yǎng)和空間，延緩甚至阻止病原菌在植物上的定殖與生長；有的生防菌則通過分泌溶菌物質直接殺死病原菌。一部分生防菌在與植物共生的過程中能使植物對病原菌的抗性增強。

雖然小麥在整個生長周期都易感染赤霉病，但是生物防治小麥赤霉病還需要抓住三個時間點。首先是早期種子萌發(fā)期，土壤中殘留的病原菌是最大的威脅；其次是揚花期，空氣中和雨水中彌散的孢子是主要病原；最后是黃熟期，小麥易被空氣中的孢子感染。另外，收獲后的儲藏過程，如果小麥在收獲前被禾谷鐮孢菌感染，那么真菌毒素很可能在儲藏的過程中繼續(xù)產生和積累。抓住這些關鍵時期并且使用不同的生防菌能更好地防止赤霉病的發(fā)生以及毒素的產生。多種生防菌協(xié)同使用，能充分利用不同生防菌之間的生防機制，多種機制之間的協(xié)調作用能更好地控制小麥赤霉病的發(fā)生。

利用生防菌對小麥赤霉病的防治研究只是小麥赤霉病生物防治研究的基礎部分。未來的生防研究將針對赤霉病生防的深入機制和對植物抗性的誘導作用。一方面，對生防菌代謝產物的研究有助于闡明生防菌的防控機制，能為新型農藥的合成提供目標化合物。另一方面，小麥植株自身抗性系統(tǒng)的激活需要外界因子的誘導，如果能利用生防菌作為激活小麥植株免疫系統(tǒng)的誘導因子，那么生防菌不僅可以直接防治病原物，而且還能通過激活小麥植株的系統(tǒng)抗性來增強免疫能力，達到生防菌多重利用的效果。