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(1.牡丹江師范學院 生命科學與技術學院，黑龍江 牡丹江 157012；2.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081；3.黑龍江省畜牧研究所，黑龍江 齊齊哈爾 161005；4.中國煙草總公司 黑龍江省公司煙草科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150076)

0 引 言

芽孢桿菌(Bacillusspp)是一類好氧或兼性厭氧、桿狀革蘭氏陽性細菌。它能產(chǎn)生對高溫、干燥、電離輻射、紫外線及多種有毒化學物質(zhì)均有較強抗性的芽孢。芽孢桿菌廣泛存在于土壤、動物腸道、植物體內(nèi)、空氣以及水體等環(huán)境中，并易于從土壤和植株中分離獲得，具有抗逆性強，營養(yǎng)要求簡單，繁殖速度快且穩(wěn)定性強等生物特性。一些芽孢桿菌因其具有能夠降解土壤中難溶的含磷、含鉀等化合物，防治植物病蟲害，調(diào)節(jié)哺乳動物腸道微生態(tài)和分解原油等功能，在工農(nóng)業(yè)和醫(yī)學領域的應用十分廣泛。

芽孢桿菌是重要的資源微生物之一，與人類活動息息相關。如枯草芽孢桿菌(B.subtilis)、解淀粉芽孢桿菌(B.amyloliquefaciens)和地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)在工業(yè)中用于生產(chǎn)酶、抗生素、溶劑及其他成分[1]。此外，像蘇云金芽孢桿菌(B.thuringiensis)和球形芽孢桿菌(B.sphaericus)由于它們的殺蟲活性，在植物蟲害防治中被廣泛應用[2]，而蕈狀芽孢桿菌(B.mycoides)具有促進植物生長的能力[3]。但是，某些芽孢桿菌存在一些負面的影響，如炭疽芽孢桿菌(B.anthracis)可使動物發(fā)生炭疽熱，蠟狀芽孢桿菌(B.cereus)能污染乳制品等食品，造成食物中毒[4]。

目前，國外已有一些芽孢桿菌產(chǎn)品作為商品生產(chǎn)和出售，枯草芽孢桿菌MBI600、QST713、GB03及解淀粉芽孢桿菌FZB24等4株芽孢桿菌，得到美國環(huán)境保護署(EPA)商品化或有限商品化生產(chǎn)應用許可[5]。菌株GB03(商品名Kodiak)，對鐮刀菌(Fusarium)、曲霉菌(Aspergillus)和絲核菌(Rhizoctonia)等病原菌引起的根部病害有很好的防控效果；QST713(商品名Serenade)粉劑，可抑制枯萎病和灰霉病病原真菌菌絲生長；菌株MBI600 (商品名 Subtilex)可防治由鐮刀菌、曲霉菌等引起的豆類、棉花和花生等作物根部病害；FZB24(商品名TaegroTM)可防治鐮刀菌、絲核菌引起的根腐病和枯萎病[6]。此外，日本東京技術研究所的枯草芽孢桿菌RB14和NB22，能很好地抑制立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)、尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)和青枯菌(Pseudomonassolanacearum)引起的番茄病害[7]。

國內(nèi)在利用芽孢桿菌防治植物病害方面也取得較大進展。百抗、麥豐寧和紋曲寧等芽孢桿菌商品，已獲得農(nóng)業(yè)部登記注冊，并推廣使用。南京農(nóng)業(yè)大學植保學院研發(fā)的枯草芽孢桿菌B3(商品名麥豐寧)，對小麥紋枯病田間防效為50%～80%[8]，生防機制表現(xiàn)為抑制小麥紋枯病病菌菌絲生長和菌核的形成與萌發(fā)。此外，江蘇農(nóng)科院植保所[9-10]開發(fā)的枯草芽孢桿菌Bs-916，已進行農(nóng)藥登記，對水稻紋枯病田間防效穩(wěn)定在60%～81%，年應用面積達6.7×104hm2。本文針對常見芽孢桿菌的種類，拮抗、溶菌和解磷等作用機制及應用現(xiàn)狀進行綜述，以期促進芽孢桿菌在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用。

1 常見芽孢桿菌種類

早在1835年，Ehrenberg就發(fā)現(xiàn)并命名了枯草芽孢桿菌[11]。1872年，德國植物學家Cohn建立了第一個細菌分類系統(tǒng)，根據(jù)細菌的形態(tài)特征命名了芽孢桿菌屬(BacillusCohn)[12]。芽孢桿菌傳統(tǒng)分類方法主要是根據(jù)形態(tài)特征和革蘭氏染色等觀察方法，而目前多采用多相分類法，即將生理、生化、分子(G+C mol%分析、DNA-DNA雜交和16S rRNA測序等)及化學(脂肪酸分析、全細胞蛋白SDS-PAGE分析和磷酸類脂分析等)等方法相結(jié)合，對其種類進行綜合劃分。表1是一些有代表性的芽孢桿菌屬不同種的遺傳及生物學特性。

2 作用機制

2.1 拮抗作用

拮抗作用是指一種微生物抑制或殺死另一種微生物的現(xiàn)象，是芽孢桿菌抑制病原菌的主要途徑。芽孢桿菌除可分泌抗生素如細菌素、脂肽類化合物及聚酮類化合物等外，還可產(chǎn)生抗菌蛋白(酶類和抗菌多肽類)[25]。伊枯草菌素(Iturin)是一類能夠強烈抑制真菌生長的脂肽類化合物，B.subtilisM51[7]可產(chǎn)生能夠抑制多種絲狀真菌生長，且能抑制尖孢鐮刀菌對番茄侵染的伊枯草菌素A2。生防菌枯草芽孢桿菌F2923[26]能產(chǎn)生由10個α-氨基酸肽與β-羥基飽和或非飽和脂肪酸鏈(C14-C18)形成內(nèi)酯環(huán)的泛革素(Fengycin)，對絲狀真菌有很強的抗真菌活性。張寶俊等[27]發(fā)現(xiàn)，解淀粉芽孢桿菌LP-5產(chǎn)生的抗菌蛋白能夠抑制梨黑斑病菌(Alternariaalternata)孢子萌發(fā)和菌絲生長，造成孢子萌發(fā)端泡囊化、菌體破裂和原生質(zhì)外滲，進而防治梨黑斑病害的發(fā)生。

2.2 促生作用

多種芽孢桿菌能產(chǎn)生植物生長素(IAA)、玉米素(ZT)、赤霉素(GA)和細胞分裂素(CTK)等，對植物有顯著的促生效果[28]。郭芳芳等[29]發(fā)現(xiàn)多粘芽孢桿菌CF05的發(fā)酵液與菌懸液對番茄幼苗均具有明顯的促生效果。何紅等[30]篩選的內(nèi)生枯草芽孢桿菌BS-2對植物生長有促進作用，可在植物體內(nèi)定殖，對蔬菜苗期立枯病有良好的防治效果。江蘇省農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所[31]分離獲得的解淀粉芽孢桿菌B1619，能促進番茄生長，且促生物質(zhì)主要存在于上清液中。朱忠彬等[32]研究煙草根際生防菌株短短芽孢桿菌(Brevibacillusbrevis)DZQ3對煙草的促生效果及誘導系統(tǒng)抗性，研究結(jié)果表明，該菌株可促進煙草的生長發(fā)育，能夠誘導系統(tǒng)抗性，增強煙草的抗病能力。

表1 芽孢桿菌代表性種類、遺傳及生物學特性Table 1 Typical species of Bacillus and their genetic and biological features

2.3 誘導植物抗病性

芽孢桿菌不僅能夠抑制植物病原菌的生長繁殖，而且可以誘發(fā)植物抗病潛能增強植物抗病性，即誘導植物抗性(Induced systemic resistance，ISR)。有研究表明，參與植物體生理生化反應的保護酶，如過氧化物酶(Peroxidase，POD)、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(Catalase，CAT)、苯丙氨酸解氨酶(Phenylalanine ammonia-lyase， PAL)和多酚氧化酶(Polyphenol oxidase，PPO)，當植物受到病原菌侵染后，植物體內(nèi)的這些保護酶活性增強，從而提高植株的抗病性[33]。唐文等[34]發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌Czk1能促進橡膠樹抗病相關酶CAT、POD、PAL和PPO活性升高，誘導橡膠植株產(chǎn)生抗性。枯草芽孢桿菌B29能誘導黃瓜根系PAL、POD和PPO活性增強，對黃瓜枯萎病有良好防效[35]。薛玉瀟[36]研究發(fā)現(xiàn)，解淀粉芽孢桿菌bwa7能誘導PAL、PPO、POD、SOD和CAT活性增強，從而提高香蕉對病原真菌的抗性。另外，曹舜[37]分離獲得的短小芽孢桿菌BS-4菌株能夠誘導大豆植株的PAL、POD和PPO的活性，對大豆疫霉病菌有很強的抑制作用。

2.4 營養(yǎng)和空間位點競爭

營養(yǎng)和空間位點競爭是指存在于同一個微生態(tài)位中的2個或多個微生物之間對空間、營養(yǎng)和氧氣等進行競爭的現(xiàn)象，是芽孢桿菌防控病原菌的重要生防機制之一。生防芽孢桿菌通過有效的營養(yǎng)和空間位點競爭，定殖于植物根際、體表或體內(nèi)以及土壤中，占據(jù)病原菌的生態(tài)位點，達到抑制植物病原菌對植物的侵染和定殖，達到抑菌控病效果[38]。黎起秦等[39]研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌B47能在土壤及番茄植株中定殖，對番茄青枯病的防治效果達到79.8%。楊洪鳳等[40]研究結(jié)果表明，解淀粉芽孢桿菌CC09菌株在小麥葉內(nèi)和葉際能穩(wěn)定定殖，對小麥白粉病的防效高達95%。凌箏等[41]研究發(fā)現(xiàn)，地衣芽孢桿菌W10能在蘋果、柑橘果實表面定殖，能夠有效防治水果采摘后病害的發(fā)生。

2.5 溶菌作用

溶菌作用，是指當生防菌在生長過程中分泌產(chǎn)生溶菌物質(zhì)并作用于病原菌菌絲，導致病原菌菌絲生長受到抑制，主要表現(xiàn)為菌絲生長變緩慢、菌絲形態(tài)怪異，出現(xiàn)菌絲斷裂、變粗、腫大、解體和細胞質(zhì)消解，甚至出現(xiàn)菌絲原生質(zhì)溶解等；或者產(chǎn)生的溶菌物質(zhì)能夠使病原菌孢子細胞壁出現(xiàn)穿孔、畸形等現(xiàn)象[42]。林福呈等[43]研究枯草芽孢桿菌S9對植物病原真菌的溶菌作用，發(fā)現(xiàn)菌株S9能吸附在立枯絲核菌的菌絲上,并隨菌絲生長而生長,然后產(chǎn)生溶菌物質(zhì)消解菌絲體，從而達到防治立枯絲核菌引起的番茄早期病害。代玉立[44]從油菜根際土壤中分離獲得的枯草芽孢桿菌RSS-1，能使油菜菌核病菌(Sclerotiniasclerotiorum)的菌絲細胞壁增厚、皺縮、畸形，并有明顯的原生質(zhì)外滲現(xiàn)象，能顯著抑制核盤菌侵染油菜葉片，菌株RSS-1對灰葡萄孢屬(Botrytiscinerea)、單端孢屬(Trichothecium)和炭疽菌屬(Colletotrichum)等41株植物病原真菌均有抑制作用，尤其對灰葡萄孢屬真菌的抑菌效果最好，其抑菌率達到90%以上。此外，郝曉娟等[45]對從番茄根圍土壤中分離得到的短芽孢桿菌JK-2的研究發(fā)現(xiàn)，其能夠抑制枯萎病菌菌絲及病菌孢子的萌發(fā)，抑制率在無菌濾液中濃度為15%時，可達到81.7%。

2.6 解磷作用

目前具有解磷作用的芽孢桿菌包括巨大芽孢桿菌[52]、側(cè)孢芽孢桿菌[53]、短小芽孢桿菌[54]和膠質(zhì)芽孢桿菌(B.mucilaginosus)[55]等。杜春梅等[56]獲得的4株側(cè)孢芽孢桿菌BL-11、BL-12、BL-21和BL-22均具有解磷能力，當以氧化樂果和水胺硫磷為唯一磷源時，菌株BL-21和BL-22的解磷效率均高于BL-11和BL-12，而以Ca3(PO4)2為唯一磷源的結(jié)果是BL-11和BL-12的解磷效率高于BL-21和BL-22。有研究表明，枯草芽孢桿菌NCD-2不僅能夠抑制棉花黃萎菌等植物病原真菌，同時還具有降解有機磷的能力[57]。此外，芽孢桿菌除具有解磷作用外，還具有解鉀作用。如劉五星等[58]以不同的硅酸鹽礦物(鉀長石粉、云母粉和土壤礦物)作為唯一鉀源對膠質(zhì)芽孢桿菌NS05的解鉀作用進行了研究，發(fā)現(xiàn)該菌對多種硅酸鹽礦物均有分解作用，其解鉀能力可能與其莢膜多糖的獨特結(jié)構(gòu)有關。

3 常用芽孢桿菌的應用

目前，植物病蟲害主要是以化學防治為主，雖然在一定程度上能夠有效地控制病蟲害發(fā)展，但是長期使用會造成嚴重環(huán)境污染，同時會導致靶標生物產(chǎn)生抗藥性，殺菌殺蟲效果降低甚至消失。由于芽孢桿菌具有生長迅速，對人畜安全無害，營養(yǎng)需求簡單，抗逆性強及易于生長繁殖等優(yōu)點，多年來一直成為被廣泛關注和研究的生防微生物。目前，研究較多的芽孢桿菌主要有枯草芽孢桿菌、短小芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌、多粘芽孢桿菌和蘇云金芽孢桿菌等。

3.1 蘇云金芽孢桿菌

蘇云金芽孢桿菌于1901年在日本被發(fā)現(xiàn)，由柏林納從地中海粉螟的患病幼蟲中分離出來，并依其發(fā)現(xiàn)地點德國蘇云金省而命名，是目前應用最廣泛的微生物殺蟲劑，在其芽孢形成過程中同時也形成具有殺蟲活性的伴孢晶體[59]，用于防治植物蟲害，不僅對環(huán)境無污染，而且對人畜無害。蘇云金芽孢桿菌防治的目標昆蟲主要是鱗翅目、鞘翅目、雙翅目和直翅目等。如何獻君[60]分離獲得的蘇云金芽孢桿菌SC-1對鱗翅目昆蟲菜青蟲幼蟲具有致病性。此外，蘇云金芽孢桿菌對防治動物捻轉(zhuǎn)血矛線蟲、血吸蟲病和豬蛔蟲病等也有較好的防效。如黃大野等[61]發(fā)現(xiàn)，在溫室條件下蘇云金芽孢桿菌NBIN863菌株對番茄根結(jié)線蟲防治效果可達到54.5%。此外，還有許多常見的芽孢桿菌作為殺蟲劑被廣泛應用，如蠟狀芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、側(cè)孢芽孢桿菌、球形芽孢桿菌、蜂房芽孢桿菌(B.alvei)、幼蟲芽孢桿菌(B.larvae)、日本金龜子芽孢桿菌(B.popilliae)、緩病芽孢桿菌(B.lentimorbus)、森田芽孢桿菌(B.mortai)和塵埃芽孢桿菌(B.pulvifacricus)[62]。

3.2 枯草芽孢桿菌

枯草芽孢桿菌是芽孢桿菌中應用較為廣泛的菌種之一，廣泛存在于農(nóng)耕土壤中，一些分離株已經(jīng)顯示出具有抑制不同植物病原菌和促進植物生長的能力[63]。目前研究證明，枯草芽孢桿菌對水稻、大豆、棉花、小麥、番茄和玉米等農(nóng)作物病害有良好的防治效果。中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所篩選的枯草芽孢桿菌BRF-2，對多種植物病原真菌的生長均有明顯抑制作用，盆栽及田間試驗表明其對大豆根腐病菌具有較好的防效作用并能促進大豆生長[64]。Collins等[65]發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌菌株BacB可以減少尾孢菌屬甜菜葉斑的發(fā)病率；Leifert等[66]發(fā)現(xiàn)，菌株CL27能抑制幼苗葡萄孢菌生長；Touré等[67]研究發(fā)現(xiàn)，菌株GA1能降低灰霉菌感染；Murphy等[68]研究發(fā)現(xiàn)菌株IN937b能夠降低由番茄斑點病毒引起的疾病發(fā)病率和發(fā)病程度。蔡璘等[69]研究枯草芽孢桿菌對煙草白粉病的抑制作用，其田間實驗結(jié)果表明，枯草芽孢桿菌對煙草白粉病的田間防效可達70%以上，還能有效抑制烘烤過程中白粉病菌的二次侵染，可促進煙草葉片生長。此外，枯草芽孢桿菌不易產(chǎn)生毒性物質(zhì)，該菌可通過調(diào)節(jié)動物胃腸道菌群平衡，增強機體的免疫功能，提高動物的生產(chǎn)性能；該菌能凈化水質(zhì)，改善水體環(huán)境；對糞便進行無公害處理；吸附環(huán)境中的重金屬，是一種綠色、安全無污染的微生物資源[70]。

3.3 解淀粉芽孢桿菌

解淀粉芽孢桿菌是廣泛存在于自然界的一種非致病性細菌，是發(fā)酵期的優(yōu)勢菌種之一。在食品工業(yè)中能夠促進發(fā)酵過程中的豆瓣體系中的淀粉快速分解，產(chǎn)生有機酸和雙乙酰等香氣物質(zhì)[71]。鐘泓波等[72]將從深海海泥中篩選出產(chǎn)堿性蛋白酶的解淀粉芽孢桿菌運用于豆粕發(fā)酵中，發(fā)現(xiàn)該菌能明顯提高發(fā)酵液的抗氧化能力。李超等[73]從滇池富營養(yǎng)化水體中分離獲得一株分泌胞外代謝物，具有溶藻功能的解淀粉芽孢桿菌DC1，發(fā)現(xiàn)其具有抑制水華魚腥藻的作用，而這種抑制效果隨著菌體濃度的增大而顯著提升。時威等[74]研究發(fā)現(xiàn)，解淀粉芽孢桿菌發(fā)酵液能有效地抑制冷卻肉中的主要污染菌-假單胞菌和潛在致病菌-單增李斯特菌(Listeriamonocytogenes)污染，延長保質(zhì)期6～9 d，效果優(yōu)于Nisin(乳酸鏈球菌素，一種非常有效的微生物生產(chǎn)的食品防腐劑)。郝衛(wèi)寧等[75]發(fā)現(xiàn)，解淀粉芽孢桿菌菌株HC-03的發(fā)酵液、菌懸液及發(fā)酵濾液能降低沙糖桔活體接種試驗柑桔綠霉病的發(fā)病率及病斑直徑。

3.4 地衣芽孢桿菌

地衣芽孢桿菌在防治煙草黑脛病、棉花黃萎病及水稻稻瘟病等均具有顯著效果。令利軍等[76]研究發(fā)現(xiàn)，地衣芽孢桿菌TG116菌株能誘導黃瓜葉片中PPO、POD及PAL等3種防御酶活性增強，提高植株抗病性。紀兆林等[77]發(fā)現(xiàn)，地衣芽孢桿菌W10菌液及其產(chǎn)生的抗菌蛋白浸果處理能推遲貯藏期桃褐腐病腐爛時間，顯著降低貯藏期的腐爛率。張笑宇等[78]研究發(fā)現(xiàn)，地衣芽孢桿菌可明顯抑制馬鈴薯晚疫病菌(Phytophthorainfestans)菌絲生長、游動孢子釋放和游動孢子萌發(fā)，為該菌株在生物防治中的應用提供理論基礎。

3.5 凝結(jié)芽孢桿菌

凝結(jié)芽孢桿菌又名孢子性乳酸菌，不僅可以增強免疫反應，防治病毒感染(甲型流感病毒)，還可以對腸道菌群的平衡進行快速恢復，阻止病毒進入腸粘膜和血液。張維娜等[79]研究結(jié)果表明，飼料中添加0.3%凝結(jié)芽孢桿菌可較好地促進異育銀鯽幼魚的生長，提高機體免疫力。付天璽[80]發(fā)現(xiàn)，在飼料中加入不同劑量的凝結(jié)芽孢桿菌均能顯著提高奧尼羅非魚胃、肝胰臟和腸道蛋白酶活性。凝結(jié)芽孢桿菌可促進尖吻鱸的生長，并可以提高其腸道淀粉酶及胃蛋白酶的活性，但對血清免疫酶的影響較小[81]。孫煥林等[82]在凝結(jié)芽孢桿菌對黃羽肉雞生長性能、腸道功能及肉品質(zhì)的影響研究中表明，在日糧中添加1.5‰的凝結(jié)芽孢桿菌制劑，可以明顯提高黃羽肉雞的生產(chǎn)水平。張越等[83]發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加凝結(jié)芽孢桿菌可以改善斷奶仔豬的腸道菌群，降低仔豬的腹瀉率。

3.6 其他芽孢桿菌

除上述常用芽孢桿菌種類外，其他種類的芽孢桿菌也有相關報道。如劉幸紅等[84]采用室內(nèi)對峙培養(yǎng)和林間噴霧防治等方法測定堅強芽孢桿菌Bf-02對核桃炭疽病的防治效果，結(jié)果表明菌株Bf-02對病原菌有抑制作用，防效均為80%以上。王靜等[85]對短小芽孢桿菌AR03抑制煙草赤星病菌和白粉病菌研究中發(fā)現(xiàn)，AR03菌液對2種病菌的菌絲生長和孢子萌發(fā)均有明顯的抑制作用。此外，Swadling等[86]發(fā)現(xiàn)短小芽孢桿菌 NCIMB13374能抑制草莓灰霉病菌的生長。徐玲等[87]研究發(fā)現(xiàn)，多粘芽孢桿菌HY96-2對植物青枯病具有明顯的防治效果。

4 展 望

許多芽孢桿菌能防控多種植物病蟲害，且具有對人畜無害，不污染環(huán)境，靶標病蟲不易產(chǎn)生抗藥性及促進作物生長等優(yōu)點，符合消費者對農(nóng)產(chǎn)品安全性以及產(chǎn)品質(zhì)量的需求，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和病蟲害綜合治理(IPM)方面有重要意義，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。盡管目前芽孢桿菌在農(nóng)業(yè)上的應用已取得了長足的進步，利用芽孢桿菌開發(fā)的生防菌劑和生物制劑被廣泛應用，但芽孢桿菌在生產(chǎn)應用中仍存在一些問題，其主要是在室內(nèi)條件下篩選的拮抗菌株在田間應用時很容易受氣候環(huán)境和植物微生態(tài)中多種因素的影響，從而無法發(fā)揮穩(wěn)定有效的防治效果。因此，如何篩選、基因改造、生產(chǎn)出適用于田間具有廣譜效果的生防菌株還需加強研究，也是一個永恒的課題。芽孢桿菌產(chǎn)生的抗菌肽可抑制多種植物病原真菌，抗菌譜廣，種類多，綠色安全無污染，但是對于抗菌肽分離和應用研究不多，作用機制也尚不清楚。此外，微生物菌肥不是單一的一株菌種，往往是多菌種混合應用的復合菌劑，而復合菌系存在著菌種間營養(yǎng)和空間位點競爭的現(xiàn)象，如何研制出穩(wěn)定性高的復合菌劑是芽孢桿菌生防和促生效果研究的另一個課題。