魏賽金，倪國榮，潘曉華*

(1.江西農業(yè)大學生物科學與工程學院，江西 南昌330045; 2.江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室，江西 南昌330045)

0 前言

我國年均生產稻谷1.87億t，約占世界稻谷總產量的35%，為世界第1［1］。我國水稻種植面積約占耕地面積的26%，年產量約占糧食總產量的43%。與其它農作物一樣，水稻生產過程中，受到自然界各種病害的侵襲。其中，紋枯病、稻瘟病和白葉枯病是世界上分布最廣、破壞性最嚴重的水稻三大病害，嚴重影響水稻高產穩(wěn)產。對紋枯病和稻瘟病等真菌性病害的防治措施主要有化學防治、培育抗病品種防治和生物防治等?；瘜W防治快速、有效，但易對環(huán)境、農產品等造成污染。盡管化學藥劑能控制病原菌的生長，但同時也抑制有益微生物的生長，且過量使用還會誘導病菌產生抗性，給病害的防治帶來了極大的困難。另外，長期大量使用化學農藥，不僅造成稻米農藥殘留超標，農產品質量安全下降，威脅人類身體健康，而且使土壤墑情嚴重下降，農田生態(tài)系統失衡，不利于農業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展。培育抗病品種雖然是防治水稻病原真菌最經濟、有效的措施，但由于植物病原真菌生理小種非常復雜且高度變異，一個抗病品種育成后往往推廣3－5年就因新的優(yōu)勢小種的產生而喪失抗性，特別是含有單個主效抗病基因的品種更是如此［2，3］。況且，由于研究手段的局限性導致目前對抗性基因的具體表達機制并不是很明確，而具有廣譜和長效性抗性品種尚未培育出來。因此，尋求新的生物防治手段就成為防治水稻病原真菌病害十分重要的途徑。

1 水稻主要真菌病害狀況

全世界水稻病害由病原真菌引起的多達140余種，細菌性病害已報道有12種，我國水稻真菌病害已發(fā)現50余種，細菌性病害較常見的有6種，我國主要真菌病害是指水稻稻瘟病、水稻紋枯病［4］。

1.1 稻瘟病的流行及危害

水稻稻瘟病的分布極為廣泛，遍及世界各稻區(qū)，其中以亞洲、非洲和拉丁美洲危害較重。我國南北稻區(qū)均有發(fā)生，每年都有不同程度的流行，嚴重時可造成絕產絕收。如1998年，四川有20萬hm2之多的水稻感染稻瘟?。?］，2005年，黑龍江省發(fā)生稻瘟病的面積達66.7萬hm2，造成水稻嚴重減產［6］，2009年，廣西省融水縣調查該病在早、中、晚稻上均發(fā)生嚴重，病害流行特點是時間長，涉及面積廣，危害程度大［7］，據統計，世界每年大約有6 000萬人口的糧食短缺是該病害引起的［8］。由此可見，水稻稻瘟病的流行嚴重威脅到糧食安全。

1.2 稻瘟病的病原物與侵染特性

水稻稻瘟病病原物有性態(tài)為(Magnaporthe oryzae)，屬子囊菌亞門，大角間座殼屬。無性態(tài)為(Pyricularia oryzae)，屬半知菌亞門、絲孢目、梨孢屬、灰梨孢菌，菌絲最適生長溫度為26～28℃，分生孢子最適形成溫度為25～28℃，相對濕度90%以上的條件下容易發(fā)病。病菌以分生孢子侵染水稻為主，孢子在適宜溫度下形成附著胞并產生侵入絲，穿透稻株表皮，在細胞間蔓延攝取養(yǎng)分進行生長，5－7 d后新的分生孢子從水稻葉片的病斑處產生并釋放出來，進入下一輪病害周期［9］。此病三葉前即可發(fā)生，病苗基部呈灰黑色，上部多會變褐，濕度較大時病部產生大量灰黑色霉層，即病原菌分生孢子梗和分生孢子。分生孢子進行反復侵染，進而引起穗頸瘟、節(jié)瘟、谷粒瘟等，收割脫谷后病菌則在病稻草和病種子上越冬。日本學者佐佐木等于1992首次發(fā)現了水稻稻瘟病菌2個生理小種A和B，對同一水稻品種致病性有差異，證明了稻瘟病菌存在致病性分化的現象。

1.3 紋枯病的流行及危害

水稻紋枯病是一種在全世界發(fā)生普遍和危害嚴重的病害。該病目前在亞、非、歐、美各洲水稻種植國家均有發(fā)生，對水稻生產危害嚴重，一般減產10%～30%，嚴重時達到50%［10］。在我國，70年代中期紋枯病就成為水稻三大病害之一。近20年來，該病流行頻率高，涉及面積廣，造成的損失甚至超過稻瘟病，而且北方稻區(qū)有逐漸加重之勢。進入21世紀以來，病害流行肆虐，2000－2004年期間，1年大流行，4年偏重流行，2005－2009年連續(xù)5年大流行，其中2009年危害最嚴重，部分粳稻田出現“透頂”現象［11］。2011年，全國危害面積高達2.85億畝［12］，造成的損失超過稻瘟病和白葉枯病，成為我國水稻三大病害之首。

1.4 紋枯病的病原物與侵染特性

水稻紋枯病是一種土傳性病害，20世紀90年代，確定了水稻紋枯病由立枯絲核菌(Rhizoctonia solani Kiihn)侵染水稻地上部分形成，該病菌主要以菌核的形式在土壤中存在，也能以菌絲體在病殘體或田間地頭雜草等寄主上越冬［13］，來年春天春灌時，菌核漂浮于水面，插秧后菌核粘附于稻株近水面的葉鞘上，條件適宜時生出菌絲侵入葉鞘組織為害。葉鞘發(fā)病初期在接近水面出現水浸狀橢圓形和云紋狀病斑，后變成綠色或淡褐色，形成病斑并長出氣生菌絲侵染鄰近植株，病斑發(fā)生數日后，由白色變成褐色至栗色菌核［14］。在水稻的一生中，拔節(jié)期病情開始加重，抽穗前以葉鞘為害為主，抽穗后向葉片、穗頸部擴展。紋枯病菌絲生長適宜在28～32℃，相對濕度大于90%的條件下容易發(fā)生;菌核于17℃時開始萌發(fā)，30℃是其萌發(fā)適宜溫度，萌發(fā)率可達96.0%［10］，因此，水稻紋枯病易在高溫、高濕條件下發(fā)生和流行。

2 水稻病害的防治

目前，水稻病害的防治主要有化學防治、抗性育種和生物防治。化學防治高效、簡單，但其大量、廣泛的使用，不僅帶來病原菌抗性問題，同時易造成農藥殘留、破壞生態(tài)平衡等問題，危害人類健康;抗性育種因周期長，品種抗性難于保持等問題，而不能廣泛使用。因此，探尋更為高效、低廉的水稻病害防治手段具有很大的現實意義。近年來，人們逐漸認識到生物防治對環(huán)境友好、無殘留、作用效果持久等特性，利用生物方法防治植物病害的研究開發(fā)成為了世界范圍內的熱點。

2.1 農業(yè)措施防治

防止水稻病害的農業(yè)措施有合理的水肥管理、合理密植、打撈菌核、不同水稻品種間作等。Forster等研究發(fā)現，磷肥能夠促進植株的生長，增加植株的抗病力［15］。另外，如果田間群體面積過大，通風透光不好，會造成水稻紋枯病發(fā)病嚴重。因此，合理的水肥管理，塑造高質量的水稻群體，可以有效減少紋枯病的發(fā)生。

2.2 化學防治

自20世紀90年代以來，三環(huán)唑一直是我國用來進行田間防治水稻稻瘟病的主要藥劑之一，其對水稻稻瘟病有較好的防治效果，持效期高達40 d［16］。據張傳清等研究發(fā)現三環(huán)唑抑制稻瘟病菌菌絲黑色素化在世代測定過程中穩(wěn)定［17］。吳祥等研究發(fā)現，42%咪鮮·甲硫靈wp以1∶5配比防治水稻稻瘟病，田間試驗防治效果為83.19%～99.36%，對水稻稻瘟病有較好的防治效果［18］。

由于土壤對農藥的吸附、遷移作用及土壤中的微生物對農藥的降解作用，化學農藥的防效受到了嚴重影響，若加大用量，不僅水稻的正常生長會受到影響，大米中農藥的殘留量增加，土壤中有益微生物的生長受到抑制，而且還會對環(huán)境產生污染，長期使用病原菌會產生抗藥性，導致防治效果下降甚至防治失敗。

2.3 抗性育種

目前選育和種植抗病品種是防治水稻真菌病害最經濟、有效的根本措施。20世紀80年代以來，科研工作者在基因工程研究技術方面取得了突出成果，將其推廣應用在作物抗性的改良上面，大大縮短了抗性品種培育時間，從而使水稻抗性育種的培育進入了一個新紀元。Tetep是國際公認的廣譜抗稻瘟病品種，列為國際水稻研究所的育種計劃中，廣泛應用于高產高抗稻瘟病水稻品種的培育［19，20］。在短短的幾十年里，轉基因抗性水稻的研究已經取得了重大的成果，有部分抗性品種已經從起初生物安全評價階段轉為田間釋放及大田試驗階段，并逐步向實用化發(fā)展。目前，中國大部分推廣種植的粕型雜交水稻組合是利用三系不育系珍汕97A、II-32A、岡46A、協青早A和龍?zhí)仄諥等配制而成［21］。雖然轉基因水稻對植物病蟲害有較強的抗性，但還是存在諸多問題，例如，抗性的持久有效性、轉基因水稻的安全性及轉化技術的不成熟性等。

2.4 生物防治

由于化學防治容易造成環(huán)境污染、誘導病菌產生抗性，新抗性品種的使用過程中頻頻喪失抗性，給病害防治帶來極大困難，因此有必要開拓新的防治途徑提高綜合防治效益。近年來，利用生物方法防治水稻病害受到廣大研究者的重視，已成為水稻病害防治的研究熱點。

生物防治是指利用有益微生物及其代謝產物對農作物病害進行有效防治的技術與方法［22］。目前，用于植物病害生物防治的生防因子很多，包括拮抗微生物、抗生素和植物誘導子等。微生物種類繁多，主要包含了細菌、真菌、放線菌和部分病毒。用于生物防治的細菌主要有芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)等。隨著對植物病害生物防治研究的深入，越來越多的生防真菌被發(fā)現和應用，如盾殼霉(Coniothyrium minitans)、酵母(Saccharomyces)、菌根真菌等［23］。眾所周知，多數抗生素是通過放線菌產生的，這些抗生素具有較高的抑菌活性，因此，放線菌被廣泛用于植物病害的生物防治，而噬菌體作為一種病毒，在特定條件下能降低細菌的數量，具有一定的生防潛力［24］，另外，病原菌的無致病力的突變菌株也可應用于植物病害防治。近年來利用植物免疫誘導藥物如殼聚糖和微生物蛋白激發(fā)子控制植物病害也取得了一定的進展。

3 植物病害的微生物防治

用于防治病害的微生物主要有真菌、細菌和放線菌等。

3.1 生物防治真菌

木霉菌是土壤中資源較為豐富的一種生防真菌，至少可對18個屬29種植物病原菌表現拮抗活性［25］，具有重要的生防價值，有廣闊的發(fā)展前途，是目前研究利用較多的一種生防真菌。防治植物病害的木霉菌主要有哈茨木霉(T.harzianum)、綠色木霉(T.viride)、鉤狀木霉(T.hama-tum)、長枝木霉(T.longibrachiatum)、康氏木霉(T.koningii)、綠粘帚霉(Gliocladium virens)、多孢木霉(T.polysporum)和棘孢木霉(T.asperellum)［26］。木霉菌可以防治土傳病害，地上部真菌(主要是葉部)病害［27］。王勇等對篩選獲得的綠色木霉菌株 Tr9701進行抑菌活性測定表明，Tr9701對立枯病菌和灰霉病菌等多種病原菌具有較強抑菌活性。經誘導處理酶產量明顯提高，其酶粗提液對立枯病菌、灰霉病菌有顯著抑制作用［28］。

3.2 生物防治細菌

用于生物防治的細菌有芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)等。主要防治對象大部分是絲狀真菌所引起的植物病害，如水稻紋枯病、稻瘟病等。由于細菌結構簡單、繁殖快、定殖能力強等特征，因此研究報道比較多，也是最具生防潛力和應用價值的生防菌［29］。目前研究較多的芽孢桿菌有枯草芽孢桿菌(B.subtilies)、多粘芽孢桿菌(B.polymyxa)、蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)、蕈狀菌變種等［30］，假單胞菌有熒光假單胞桿菌(P.fluorescence)、丁香假單胞菌(P.syringe)、洋蔥假單胞桿菌(P.cepacia)和惡臭假單胞菌(P.putida)等。

3.3 生物防治放線菌

放線菌是土壤中的優(yōu)勢微生物類群之一，種類十分豐富，1872年Cohn首次發(fā)現放線菌至今，已經報道放線菌有69屬1 687種［31］。用在植物病害生物防治中的主要是鏈霉菌屬(Streptomyces)、小單胞菌屬(Micromonospora)和游動放線菌［32］，尤其是鏈霉菌屬，從該屬中分離到大量抗生素等生物活性物質。如國內廣泛使用的井岡霉素、農抗120等。生產實踐中發(fā)現，這些放線菌事實上并不僅僅產生抗生素一類生物活性物質。

放線菌菌劑可以用于拌種，或者施于植物根系土壤中直接與病原菌作用。如Kemiraoy公司生產的，由灰綠鏈霉菌(Streptomyces griseoridis)的孢子和菌絲制成的放線菌產品Mycostop，主要用于防治觀賞植物和溫室蔬菜上的鐮刀菌引起的枯萎病［33］，我國在 20世紀 70年代推廣使用的“5406”菌劑由涇陽縣的土壤中分離出的細黃鏈霉菌(Streptomyces microflavus)制成，對多種植物病原真菌和細菌都有防治作用，同時具有保苗和增產的效應［34］，研究發(fā)現，該菌除了能產生多種抗生素外，還能產生激素促進植物細胞的分裂和伸長［35］。近年來，從土壤中分離出的一些拮抗放線菌也顯示出了很大的生防潛力，已經用于生防菌劑開發(fā)，例如Yuan［36］等分離出的一株利迪鏈霉菌WYEC108，作為菌劑拌種或施于土壤中，有效地防治了真菌病害和種子腐爛，已經申請專利。Magaronifdo［37］等分離的內生鏈霉菌R18(6)，具有廣譜抗菌能力，可產生吲哚-3-乙酸(IAA)和鐵載體，且顯示出了良好的磷酸溶解性。1992年，Fukuchi naoyuke報道，從一種鏈霉菌中分離到一種對植物生長有調節(jié)作用的化合物［38］;1994年和1997年，Kobayashi S，Tsuchiya K等人報道從一株鏈霉菌中分離到了pironetin、NK10958P等2種植物生長調節(jié)劑［39，40］。

眾所周知，放線菌，尤其是鏈霉菌有著非常豐富的次生代謝途徑。放線菌產生的植物生長、抗病、耐逆等調控活性物質，種類紛繁復雜，如Madhumita V Joshi等發(fā)現，Streptomyces turgidiscabies基因組中包含有功能植物細胞激動素合成基因簇［41］。Kouichi Tsuchiya等從放線菌中分離到的聚酮類化合物［39，40］;Yasuhiro Igarashi等從Streptomyces hygroscopicus TP-A0451中分離到的具有與生長素非常類似的促進植物生長作用的大環(huán)內酯類物質pteridic acid A與B［42］。

3.4 鏈霉菌對植物病原菌的作用

鏈霉菌對于由細菌、真菌等引起的病害具有十分明顯的防治作用，主要如下。

3.4.1 抗生作用 抗生作用是一種微生物的代謝產物在較低濃度下能抑制其他生物的生長或殺死的現象。這種抗生物質就是由微生物尤其是鏈霉菌在生長過程中產生的低分子量的次級代謝產物，稱為抗生素。鏈霉菌是產生抗生素的主要微生物來源，一般單株鏈霉菌可以合成多種抗生素，使某些鏈霉菌具有廣譜的抗菌能力，一些鏈霉菌甚至對十余種病原菌具有拮抗作用，其抗菌作用體現在次級代謝產物對病原菌直接的抑制和致死作用。

3.4.2 重寄生作用 重寄生是指一些寄生病原菌又被其他微生物寄生的現象，往往由水解酶介導。鏈霉菌重寄生在病原菌營養(yǎng)菌絲體中，能使菌絲發(fā)生形態(tài)上的畸變，菌絲體破裂。這種相互作用包括鏈霉菌產生附著胞纏繞在病原菌菌絲體上并侵入，菌絲在真菌內的分支使真菌菌體呈粒狀、細胞質凝固和菌絲溶解?？股饔煤椭丶纳饔孟噍o相成，有些抗生素破壞宿主細胞細胞壁的完整性，有助于鏈霉菌通過重寄生作用侵入病原菌細胞［43］。Tu在1986年就報道了白色鏈霉菌(Streptomyces albus)對Nectria inventa的重寄生作用［44］。生防菌利迪鏈霉菌也可以產生幾丁質酶，并且可以寄生腐霉屬(Pythium)的菌絲，導致菌絲潰解［45］。

3.4.3 鐵載體的競爭作用 鐵載體(Siderophore)是由微生物在低鐵條件下生成的一類小分子量(1～2 kDa)能特異螯合Fe3+的螯合因子［46］。在低鐵環(huán)境下，鏈霉菌細胞內也可以產生鐵載體，既可以與其他生物爭奪環(huán)境中的鐵離子來殺死或抑制病原菌，又可以將抗生素主動運輸到與其有競爭性的生物中。另外有些鐵載體，如去鐵胺［47，48］還可以促進鏈霉菌的生長和發(fā)育。但鐵載體的競爭作用往往協同其他作用機制，不單獨表現。

3.4.4 酶及抑制劑的酶解作用 高等真菌的細胞壁主要由幾丁質和β-1，3-葡萄糖構成，鏈霉菌可產生多種細胞壁降解酶，使病原菌發(fā)生質壁分離或細胞破裂，細胞內含物滲出，起溶菌作用。這些酶包括β-1，3-葡聚糖酶、β-1，6-葡聚糖酶、β-葡糖苷酶、纖維素酶、幾丁質酶等。有些鏈霉菌還可產生幾丁質酶抑制劑抑制真菌細胞壁合成，如從鏈霉菌 AB2570中分離出的 guanofosfocinA (I)［49］。經幾丁質酶處理后，病原真菌的芽管生長速度變慢，芽管變細，孢子萌發(fā)率也會顯著降低。但高必達［50］等發(fā)現幾丁質酶的抑菌作用具有選擇性，只有部分鏈霉菌菌株幾丁質酶活性與抑菌作用之間存在相關性。這說明抑菌作用是多種復雜的機制共同作用的結果。

3.4.5 誘導抗性 雖然有報道有很多生防細菌可以誘導植物產生抗性，但是到目前為止還沒有鏈霉菌直接誘導植物產生抗性的報道［51］。一些鏈霉菌產生的次生代謝產物，可以引起寄主產生抗性。如鏈霉菌菌株201產生的2-methylheptyl isonicotinate，類似于2，6-二氯異煙酸的功能，可以誘導植物產生系統獲得性抗性(system acquired resistanee，SAR)。Patil［52］等分離出的6種鏈霉菌還可誘導水楊酸等6種酚類物質在番茄植物中的積累，提高對立枯絲核菌(Rhizoctonia solani)的抗病能力。

3.4.6 促進植物生長 土壤中N、P元素是植物生長的必需元素，但大量的P在土壤中以不溶的金屬螯合物存在。有些生防放線菌能產生磷酸酶，增溶土壤中的P元素，更好地促進植物吸收。Hamdali H［53］等發(fā)現，將小單孢菌屬和鏈霉菌屬的2株放線菌接種在含磷酸鹽的培養(yǎng)基中，能顯著增加小麥植株N、P含量，又能有效減少腐霉菌(Pythium ultimum)對小麥種子的侵害。Benson［54］于1993年報道植物根際的鏈霉菌具有固氮作用，可與植物形成共生關系，促進植物的生長。放線菌還可通過固氮作用，產生植物激素和生長促進劑直接促進植物生長，表現在植物干重和葉綠素含量增加，根系發(fā)育增強等。Khamna［55］等從檸檬草(Cymbopogon citratus)根系土壤中分離出的鏈霉菌 CMU-H009產吲哚-3-乙酸(IAA)的活性非常高，對玉米根系的伸長和豇豆種子的萌發(fā)都有顯著的促進作用。

總之，鏈霉菌具有很多特征可以使其成為有效防治植物病害的生防菌:首先，在土壤和植物組織的根際分布大量的鏈霉菌，許多鏈霉菌在其生命史中會分泌多種細胞壁降解酶，例如幾丁質酶和一些胞外酶，可以幫助降解病原菌的細胞壁的主要成分。其次，鏈霉菌在生長過程中產生大量的分生孢子進行生長繁殖的同時，也避免不良環(huán)境對其生長的不利影響。最為關鍵的是鏈霉菌可以產生數量龐大的具有生物活性的次級代謝產物，如農用抗生素，這些次級代謝產物可以有效的抑制土壤中和植株上的病原菌的生長和繁殖，幫助鏈霉菌在土壤中或在植株中定殖，通過活性物質進一步抑制病原菌的生長或是誘導植株抗性，有效的防治植物病害的發(fā)生和發(fā)展。

4 生物防治中存在的問題

盡管我國在植物真菌病害生物防治方面取得了一批研究成果，但仍存在諸多問題，具體表現如下。

(1)我國產抗真菌抗生素的微生物資源豐富，但缺乏理想的、針對不同靶標的優(yōu)良菌株篩選模型和評價體系，少有生防資源系統篩選的研究，很多進行田間試驗甚至已登記產品的菌株是隨機或很小范圍內篩選出來的。

(2)缺乏植物病害生物防治的生態(tài)學研究。對于在土壤中利用活菌體進行生物防治取得成功的關鍵是該種生防菌能否在植物根際和植物體內定殖。但是由于技術的局限性，使得跟蹤定位和定量分析難以進行，也缺乏對土著微生物及外源生防菌生態(tài)特征的了解，嚴重阻礙了植物病害生物防治的研究。因此目前急需解決根際中植物-致病菌-生防菌三者的相互關系。

(3)許多生防產品的作用機理尚不明確，導致應用效果不穩(wěn)定。

(4)許多生防菌功能物質、定殖規(guī)律和作用機理不明確，影響充分發(fā)揮作用。

因此，水稻真菌病害的生物防治研究工作還有很長的一條路要走。

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