郭玥岐，周麗洪，龔利娟，郭曉藝

(1. 四川輕化工大學(xué)生物工程學(xué)院，四川 宜賓 644000；2. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻高粱研究所/農(nóng)業(yè)部西南水稻生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽(yáng) 618000 )

解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)屬于芽孢桿菌屬，其親緣性與枯草芽孢桿菌相近，為革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌，屬兼性厭氧細(xì)菌，桿狀，可形成內(nèi)生芽孢，呈橢圓形，兩端鈍圓，芽孢囊不膨大，中生到次端生，有運(yùn)動(dòng)性，菌落在LB培養(yǎng)基上和牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基上呈淡黃色不透明菌落，表面粗糙，有隆起，邊緣不規(guī)則，在多種培養(yǎng)基上均不產(chǎn)色素，液體培養(yǎng)靜止時(shí)有菌膜形成[1]。該菌是一種作物根際促生菌(plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR)，可以通過(guò)多種機(jī)制促進(jìn)植物生長(zhǎng)，其拮抗作用和觸發(fā)“誘導(dǎo)全身性抗性”(ISR)的能力，使植物能夠在適當(dāng)刺激下增強(qiáng)自身的防御能力[2-3]，產(chǎn)生多種α-淀粉酶、蛋白酶、β-右旋糖酐酶、α-右旋糖酐酶、木聚糖水解酶等多種酶以及大量的二次代謝產(chǎn)物[4]，通過(guò)體內(nèi)合成途徑產(chǎn)生環(huán)狀LP芽孢霉素D、風(fēng)霉素、聚酮類藥物和芽孢桿菌素、細(xì)菌素等抗菌物質(zhì)[5]。解淀粉芽孢桿菌在各個(gè)領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用前景。在農(nóng)業(yè)方面，有多個(gè)學(xué)者研究表明解淀粉芽孢桿菌能促進(jìn)作物的生長(zhǎng)、抗病能力、非生物脅迫抗性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)解淀粉芽孢桿菌的作用進(jìn)行初探，發(fā)現(xiàn)解淀粉芽孢桿菌既可以通過(guò)自身表達(dá)改善植物外界環(huán)境，也可以通過(guò)調(diào)控植物本身代謝途徑增強(qiáng)其對(duì)外界的抗性[6-9]。在醫(yī)藥、畜牧領(lǐng)域，解淀粉芽孢桿菌能夠分解菊糖產(chǎn)生抑制癌細(xì)胞的活性多糖、降低微生物毒素對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的毒性、改善動(dòng)物腸道菌群[10-13]。在礦業(yè)領(lǐng)域，解淀粉芽孢桿菌也表現(xiàn)出較好的脫硅提鋁效果[14]。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，化肥和農(nóng)藥的不合理使用對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了日趨嚴(yán)重的問(wèn)題，如土地生產(chǎn)能力降低、土壤肥力下降、土壤板結(jié)、環(huán)境污染等問(wèn)題突出[15]。解淀粉芽孢桿菌對(duì)植物、環(huán)境的促進(jìn)作用引起廣泛關(guān)注，有望代替化肥、農(nóng)藥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，形成一條綠色、無(wú)污染的生產(chǎn)鏈。本文就以解淀粉芽孢桿菌在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的研究展開(kāi)闡述。

表1 解淀粉芽孢桿菌在各領(lǐng)域中的功能舉例

1 促進(jìn)作物生長(zhǎng)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人們逐漸對(duì)作物有生長(zhǎng)快、周期短、產(chǎn)量高的追求，因此大量化肥應(yīng)運(yùn)而生。然而化肥的不規(guī)范使用以及濫用會(huì)導(dǎo)致土地生產(chǎn)能力降低、土壤肥力下降、土壤板結(jié)、環(huán)境污染等問(wèn)題[10]。解淀粉芽孢桿菌作為一種根際促生菌，能夠?yàn)榇婊剩瑥纳锏慕嵌葘?duì)作物進(jìn)行增產(chǎn)。解淀粉芽孢桿菌能對(duì)地上、地下部位都有一定的促生作用(表2)，例如對(duì)茶樹(shù)的抽梢有一定促進(jìn)作用[16]、使煙草和玉米幼苗更粗壯[17]、促進(jìn)檳榔盆栽苗生長(zhǎng)、有利于馬鈴薯、擬南芥、西瓜、茶用菊幼苗的地上、地下部位生長(zhǎng)[18-21]。

表2 解淀粉芽孢桿菌在各類作物上的研究情況

解淀粉芽孢桿菌自身合成IAA等生長(zhǎng)激素直接促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，能夠提高作物體內(nèi)谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶的含量，促進(jìn)其對(duì)土壤中氮元素的吸收[18]。此外該菌其合成的2，3-丁二醇和乙酰脲揮發(fā)到大氣后對(duì)周圍作物有促生長(zhǎng)的作用，通過(guò)Sec途徑合成的植酸酶可以幫助分解植物無(wú)法吸收的土壤有機(jī)磷，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，還能緩解土壤氨揮發(fā)，能夠有效防止空氣污染和提高氮素利用率[22-24]。

2 增強(qiáng)植物抵御病害的能力

作物對(duì)病害表現(xiàn)具有特異性，不同的作物對(duì)不同的病害抵御能力都大相徑庭。土壤中各種病原菌對(duì)作物的侵染是作物患上病害的主要原因，因此要從根本上解決作物的病害，需要解決病原菌的侵染問(wèn)題。解淀粉芽孢桿菌主要通過(guò)自身合成代謝產(chǎn)物的拮抗作用、影響致病菌定殖、調(diào)控植物代謝途徑3種方式來(lái)防治病害(表3)。解淀粉芽孢桿菌產(chǎn)生的脂肽類化合物、聚酮類化合物、細(xì)菌素[25]使其對(duì)土壤中的致病菌有拮抗作用，抑制病原菌在土壤中的定殖。多位研究者在解淀粉芽孢桿菌產(chǎn)物中分離到一些抗真菌化合物，對(duì)病原菌有較強(qiáng)的抑制作用[26-29]。此外，解淀粉芽孢桿菌可以通過(guò)改變致病真菌的菌絲形態(tài)或妨礙孢子正常產(chǎn)生，抑制致病真菌的定殖與增殖，從外源方面杜絕致病菌對(duì)作物的侵染[30-31]。從內(nèi)源方面，解淀粉芽孢桿菌可以通過(guò)誘導(dǎo)作物的一些抗病基因的表達(dá)，調(diào)控作物代謝途徑，增強(qiáng)其對(duì)病原菌的防御力，并對(duì)病原菌的侵染做快速反應(yīng)[32-34]。

3 提高作物抗非生物脅迫能力

3.1 通過(guò)改變作物體內(nèi)酶活性從而加強(qiáng)作物對(duì)非生物脅迫的抗性

3.2 刺激植物代謝物合成，加強(qiáng)抗金屬類脅迫能力

Zhou等[38]研究表明解淀粉芽孢桿菌SAY09的有機(jī)揮發(fā)物能夠促進(jìn)在Cd脅迫下植物體內(nèi)生長(zhǎng)素的生物合成，該物質(zhì)能夠刺激NO合成，并進(jìn)一步激活了根細(xì)胞壁Cd固定增加和Fe攝取相關(guān)基因等一系列適應(yīng)性機(jī)制，使植物的葉綠體呈現(xiàn)更多的正常顆粒堆積，增強(qiáng)Cd造植物根系中的固定，降低根部到枝條的易位比，最終使植物對(duì)Cd抗性增強(qiáng)。張莉[39]發(fā)現(xiàn)解淀粉芽孢桿菌QST713可以通過(guò)降低低鈣脅迫下黃瓜幼苗的相對(duì)電解質(zhì)滲透率來(lái)提升幼苗根以及葉中的鈣元素含量，緩解低鈣脅迫帶來(lái)的損害，同時(shí)還能夠通過(guò)促進(jìn)幼苗葉綠素合成，提高光合電子傳遞效率和 PSⅡ參與光合的光化學(xué)反應(yīng)效率，從而提高黃瓜幼苗對(duì)低鈣脅迫的耐受性。

3.3 調(diào)整作物的脅迫激素水平，提升作物的抗脅迫能力

Sheteiwy等[40]將解淀粉芽孢桿菌接種于大豆的種子發(fā)育階段并使大豆處于干旱條件下，發(fā)現(xiàn)該菌的加入緩解了干旱誘導(dǎo)的可溶性糖、脂類、蛋白質(zhì)和油脂含量的降低，同時(shí)種子中的脅迫激素水平脫落酸(ABA)降低，赤霉素(GA)、反式玉米素核苷(ZR)和吲哚乙酸(IAA)升高，其質(zhì)膜H+-ATP酶、膜Ca2+-ATP酶、Mg2+-ATP酶的水解活性也增加[40]。以上研究均表明解淀粉芽孢桿菌的加入可以增強(qiáng)植物本身對(duì)外界環(huán)境的抗壓能力，通過(guò)促進(jìn)植物體內(nèi)抗脅迫基因的表達(dá)從而增強(qiáng)對(duì)非生物脅迫的能力。

4 土壤微生態(tài)環(huán)境得到改善

解淀粉芽孢桿菌不僅可以對(duì)土壤的理化、酶活性有所改善，同時(shí)還能修復(fù)土壤的微生態(tài)環(huán)境，避免連作帶來(lái)的負(fù)面影響。胡基華發(fā)現(xiàn)解淀粉芽孢桿菌可以使土壤中的脲酶、堿性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶數(shù)量增加，同時(shí)提高細(xì)菌和放線菌的數(shù)量，降低了真菌的數(shù)量[41]。樊祖青[42]將解淀粉芽孢桿菌B1619菌劑施用在煙草作物上，通過(guò)宏基因組微生物分類測(cè)序發(fā)現(xiàn)在在煙株整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，無(wú)論是細(xì)菌還是真菌在目、門(mén)水平上均有差異變化，其中鞘氨醇單孢菌屬(降解土壤有毒物質(zhì)最有效的細(xì)菌屬)和赤霉菌屬(促進(jìn)植物生長(zhǎng)的真菌屬)數(shù)量明顯增加。Wang等[43]用解淀粉芽孢桿菌FH-1對(duì)黃瓜種植土壤進(jìn)行浸泡，待黃瓜苗播種35d對(duì)土壤進(jìn)行細(xì)菌多樣性分析，發(fā)現(xiàn)FH對(duì)根際細(xì)菌多樣性有負(fù)面影響，但變形桿菌屬有所增加，酸桿菌屬有所減少。Duan等[44]將解淀粉芽孢桿菌QSB-6作為菌肥施用于土壤中，發(fā)現(xiàn)該菌能顯著改變土壤真菌群落結(jié)構(gòu)，減少土壤真菌數(shù)量，其中鐮刀菌的豐度顯著降低，通過(guò)即時(shí)定量PCR測(cè)定發(fā)現(xiàn)增殖性黃萎病菌、黃萎病菌、尖孢黃萎病菌和茄病菌的豐度明顯下降。曹旭等[45]利用在大豆根部分離到的一株解淀粉芽孢桿菌TF28對(duì)黃瓜進(jìn)行施肥處理，通過(guò)ITS測(cè)序技術(shù)，對(duì)棚室連作黃瓜土壤真菌群落組成及結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)TF28對(duì)棚室連作黃瓜土壤真菌具有調(diào)節(jié)作用，使子囊菌門(mén)、接合菌門(mén)和擔(dān)子菌門(mén)等腐生菌為主要優(yōu)勢(shì)菌類群，抑制對(duì)致病真菌鐮刀菌屬、核盤(pán)菌屬、頂襄殼屬和腐霉菌屬的繁殖，同時(shí)提高毛殼菌屬(具有生物防治作用)豐度。以上研究結(jié)果均表明，解淀粉芽孢桿菌在土壤定殖的同時(shí)，能夠抑制一些致病菌的繁殖，降低真菌豐度及數(shù)量，對(duì)一些土壤益生菌有促進(jìn)作用。

5 展望

使用生物方式代替化學(xué)手段將打開(kāi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境資源相協(xié)調(diào)的農(nóng)業(yè)新格局。解淀粉芽孢桿菌的促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)能力、防治作物病害能力、提升作物抗脅迫能力、改善土壤環(huán)境能力使其具有成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色產(chǎn)業(yè)鏈新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。解淀粉芽孢桿菌的培養(yǎng)成本低，解淀粉芽孢桿菌DF-7在蔗糖29.01g/L、蛋白胨24.45g/L、KH2PO46．47g/L的培養(yǎng)基內(nèi)便能大量生殖[46]。該菌發(fā)酵液抗生素活性物質(zhì)含量豐富且性質(zhì)穩(wěn)定，在最適條件下，解淀粉芽孢桿菌HRH317產(chǎn)生的抗菌肽含量為(50.53±0.37)μg/mL，其抑菌圈直徑達(dá)15.97mm[47]。解淀粉芽孢桿菌DF-7發(fā)酵液在40～60℃、pH在4～8之間，在紫外照射90min以及-80℃的低溫條件下均能保持一定的穩(wěn)定性[46]。此外，解淀粉芽孢桿菌F11的發(fā)酵液經(jīng)1000倍稀釋后對(duì)樟樹(shù)炭疽病菌防治效果可達(dá)100%，稀釋10倍之后對(duì)煙草黑脛病菌、核盤(pán)病菌、玉米大斑病菌、獼猴桃軟腐病菌4種病原菌均有一定防治效果[48]。說(shuō)明解淀粉芽孢桿菌的代謝產(chǎn)物在較低的濃度下也能發(fā)揮作用?？衫靡陨咸匦詫?duì)該菌發(fā)酵液進(jìn)行產(chǎn)物提取，可為解決農(nóng)業(yè)問(wèn)題提供一條新的途徑，工業(yè)上也可以對(duì)其進(jìn)行大批量生產(chǎn)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)產(chǎn)物酵較穩(wěn)定的特點(diǎn)使其具有成為生防菌劑的優(yōu)勢(shì)，，無(wú)論是其發(fā)酵液還是菌體本身均具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

利用解淀粉芽孢桿菌采用微生物處理的方式應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上能夠有效緩解化學(xué)手段帶來(lái)的土壤營(yíng)養(yǎng)失衡、病蟲(chóng)害的自然選擇、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降等一系列問(wèn)題。未來(lái)有望通過(guò)生物的形式替代化學(xué)手段，從而從根本上解決農(nóng)作物的問(wèn)題，保護(hù)自然生態(tài)、提升經(jīng)濟(jì)效益，形成一條綠色無(wú)污染的生產(chǎn)鏈。