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內(nèi)生菌防治香蕉枯萎病研究進(jìn)展

2018-05-14 11:32張建春岳建偉柳青李春李芹
南方農(nóng)業(yè)·上旬 2018年9期
關(guān)鍵詞:生物防治

張建春 岳建偉 柳青 李春 李芹

摘 要 由尖孢鐮刀菌古巴?;?號生理小種(Fusarium oxysporum f. sp. cubense)(Foc4)引起的香蕉枯萎病是影響世界范圍香蕉種植產(chǎn)量的最具破壞性的病害。該病采用化學(xué)防治方法效果極差。通過在植物根際系統(tǒng)中定殖拮抗枯萎病菌的內(nèi)生菌(木霉菌、假單胞菌等),以保護(hù)和促進(jìn)植物生長,這可能是防治香蕉枯萎病潛在的效果較好的方法。綜述內(nèi)生菌在香蕉生物防治中的應(yīng)用方面的研究進(jìn)展;從內(nèi)生菌的篩選、內(nèi)生菌的交互作用、內(nèi)生菌的基因工程改造幾個方面做了展望,提出今后應(yīng)全面分析內(nèi)生菌在宿主所處生態(tài)系統(tǒng)中的作用。

關(guān)鍵詞 香蕉枯萎??;內(nèi)生菌;生物防治

中圖分類號:S436.67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.25.003

目前全球種植香蕉的國家有130多個[1-2]。香蕉種植過程中,由尖孢鐮刀菌古巴?;?號生理小種(Fusarium oxysporum f. sp. Cubense,簡稱Foc4)引起的枯萎病是最具破壞性的病害,該病可通過攜帶病原菌的土壤、水流、染病的種苗及農(nóng)事活動工具進(jìn)行傳播[3]。香蕉種苗受侵染后,幼齡期無明顯癥狀,后期下部的葉片葉鞘開始從邊緣向中脈擴展逐漸由橙黃色變?yōu)楹稚?,隨后葉柄凋萎彎折,直至整株枯死[4]。目前,除南太平洋、地中海、美拉尼西亞和索馬里的一些島嶼外,世界上所有香蕉種植區(qū)域均有香蕉枯萎病的發(fā)生[5-7]。該病害在我國臺灣省于1967年首次報道,隨后廣東、廣西也相繼發(fā)生,又迅速向其他產(chǎn)區(qū)擴散,造成了種植區(qū)的巨大經(jīng)濟(jì)損失[8-9]。目前,香蕉枯萎病被認(rèn)為是分布最廣、危害性最強的植物病害之一。

1 香蕉枯萎病的防治

自發(fā)現(xiàn)香蕉枯萎病以來,國內(nèi)外已經(jīng)嘗試過多種防治方法,包括土壤熏蒸、殺菌劑噴布、作物輪作、水淹、土壤有機改良等[10]。結(jié)果發(fā)現(xiàn),除了種植抗性栽培種外,該病害仍然無法得到有效控制[11]。目前,香蕉枯萎病的防治工作主要集中于抗病品種選育、化學(xué)防治和生物防治。由于變異率高、抗病性不穩(wěn)定等缺陷,導(dǎo)致選育抗病品種在突破上非常困難[12]?;瘜W(xué)防治對香蕉枯萎病防治效果不理想,且存在農(nóng)殘問題。隨著人們對食品安全和環(huán)護(hù)意識的增強,部分研究人員開始研究采用生物防治來代替化學(xué)防治,現(xiàn)已報道許多微生物拮抗劑對植物病原真菌具有拮抗活性。

2 內(nèi)生菌在香蕉生物防治中的應(yīng)用

目前,枯萎病的生物防治已經(jīng)成為研究熱點,其中內(nèi)生菌生物防治已經(jīng)成為香蕉病蟲害防治研究中越來越受歡迎的一種選擇。

內(nèi)生真菌是一類生活于健康植物組織內(nèi),不引起明顯病害癥狀的微生物[13];植物的各種器官中均能分離到內(nèi)生菌[14]。現(xiàn)發(fā)現(xiàn)內(nèi)生菌與宿主之間主要有以下相互作用:1)增強宿主植物對病蟲害的抗性;2)增強宿主植物對環(huán)境脅迫的抗性;3)內(nèi)生菌能夠產(chǎn)生新的生物活性物質(zhì)[15]。

2.1 木霉菌Trichoderma spp.

木霉菌是土壤和植物根系生態(tài)系統(tǒng)常見的一種真菌,他們與植物根、葉面和土壤環(huán)境產(chǎn)生緊密的相互作用;木霉菌長期以來被公認(rèn)為一種生物制劑,用于防治植物病害,增強根系生長,以應(yīng)對非生物脅迫[16]。研究表明,木霉菌可以有效抑制香蕉枯萎病病原體[17]。Thangavelu等[18]報道,在定植后2, 4和6個月時,施用哈茨木霉Th-10后,香蕉葉片致病菌的含量降低51.16%。土壤中施用綠色木霉株NRCB1后,香蕉枯萎病的發(fā)病率顯著降低[19]。覃柳燕等發(fā)現(xiàn)棘孢木霉菌株P(guān)Z6能夠有效拮抗Foc4,促進(jìn)香蕉生長[20-21]。Nurbailis等發(fā)現(xiàn)施用綠色木霉菌T1SK,能夠降低枯萎病發(fā)病率,增加作物的生長[22]。

木霉菌減少枯萎病的機制可能與病原菌的空間和營養(yǎng)競爭作用、酶和次生代謝產(chǎn)物的抗菌作用,以及誘導(dǎo)植物防御系統(tǒng)相關(guān)。木霉菌菌絲能夠產(chǎn)生胞外酶,引起病原菌溶解[23],也能釋放鐵載體的化合物,阻斷植物病原菌發(fā)展[24];此外,還能夠通過調(diào)控生物活性分子誘導(dǎo)植物整體或局部抗性,進(jìn)而有效控制植物病原菌的發(fā)展[25]。Thangavelu等報道,施用綠木霉菌NRCB1能夠誘導(dǎo)防御相關(guān)酶,如激活過氧化物酶和苯丙氨酸解氨酶(PAL),并且顯著增加總酚含量(>50%),而再用Foc4單獨接種香蕉植株,處理后4~6 d這些酶的誘導(dǎo)水平達(dá)到峰值,這些裂解酶的活性增加,提高了施用綠色木霉菌植物中的酚含量,進(jìn)而引起了植株對于Foc4的耐受[19]。Sarrocco等發(fā)現(xiàn)綠木霉菌中TvPG2調(diào)控的內(nèi)多聚半乳糖醛酸酶在誘導(dǎo)植株的系統(tǒng)抗性方面發(fā)揮著重要作用[26]。Chen等發(fā)現(xiàn)哈茨木霉植株TH58能夠改變核DNA含量,上調(diào)細(xì)胞周期相關(guān)基因的表達(dá),改善植株對枯萎病的抗性[27]。

2.2 假單胞菌Pseudomonas spp.

假單胞菌屬具有如下優(yōu)勢:1)自身生長率高,大量天然存在于土壤中,并充分利用作物滲出的化合物作為營養(yǎng)源進(jìn)行繁殖[28];2)對植物病原菌具有不同的作用機制[29];3)在體外繁殖后易于被重新引入作物根系[30]。研究表明,多種假單胞菌均能夠抑制香蕉枯萎病病菌。Selvaraj等在三個香蕉種植園的研究顯示,高劑量的熒光假單胞菌能夠使枯萎病發(fā)病率降低60%[31]。熒光假單胞菌菌株pf1[32]、pf10[33]、WCS417[34]、AF11[35],先后被證實能夠顯著抑制枯萎病的發(fā)病率。Fishal等分離的兩種內(nèi)生細(xì)菌(Pseudomonas sp. UPMP3和Burkholderia sp. UPMB3),二者能夠誘導(dǎo)易感的香蕉中產(chǎn)生對FocR4的耐受性[36];該研究表明,用假單孢菌UPMP3預(yù)先接種的香蕉植株,其鐮刀菌枯萎病嚴(yán)重程度減少了51%,而UPMP3+UPMB3聯(lián)合使用和單獨使用UPMB3僅能分別減少39%和38%的枯萎病嚴(yán)重程度。這證實了熒光假單胞菌菌株對香蕉枯萎病具有較強的抑制能力。除熒光假單胞菌外,銅綠假單胞菌(菌株346[37-38]、H4-3[39])、惡臭假單胞菌(菌株WCS358[40])、綠針假單胞菌均顯示出了不同程度的抑制香蕉枯萎病能力[41]。

目前認(rèn)為,假單胞菌能夠合成各種不同結(jié)構(gòu)的化合物有效拮抗Foc4,促進(jìn)植株的生長[29],Ayyadurai等發(fā)現(xiàn)該菌株能夠促進(jìn)植物生長[42]。Saravanan和Muthusamy發(fā)現(xiàn)熒光假單胞菌抑制枯萎病病原體的能力取決于它們產(chǎn)生抗生素代謝物,特別是2,4-二乙酰基花青霉素(DAPG)的能力[43]。鐘小燕等從已感染香蕉枯萎病的果園中分離到的假單胞菌G1,并通過鏡檢發(fā)現(xiàn)其能夠抑制病原菌菌絲正常生長以至不能產(chǎn)孢,從而導(dǎo)致菌絲消融致使孢子死亡[44]。此外,電鏡下發(fā)現(xiàn)預(yù)接種熒光假單胞菌能夠激活宿主根系發(fā)生結(jié)構(gòu)改變,形成致密的防御層,抵抗病原體的攻擊[45]。

2.3 其他內(nèi)生菌

除了木霉菌和假單胞菌,還有其他一些內(nèi)生菌也被應(yīng)用于香蕉枯萎病的生物防治工作中。

Zhang Nan等發(fā)現(xiàn),含有芽孢桿菌Bacillus spp. N11的有機肥料能夠顯著降低枯萎病的發(fā)病率[46]。國內(nèi)的研究發(fā)現(xiàn)了枯草芽孢桿菌T122F[47]、HZY-11和HZY-23[48]、TR21[49]、B215[50]、R31和TR21[51]、EBT1[52]、B43[53]、CS16[54]等均能夠有效防治香蕉枯萎病。其主要的防治機制包括競爭、拮抗和誘導(dǎo)三個方面。

Wang BB等分離出57種抗性菌株,選擇其中6種生存能力較強的菌株進(jìn)行研究后,發(fā)現(xiàn)解淀粉芽孢桿菌W19與有機肥料結(jié)合時能顯著降低枯萎病的發(fā)生率[55];后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)了香蕉根部分泌物能夠促進(jìn)W19菌株的定殖,促進(jìn)W19產(chǎn)生IAA,改善作物的生長[56]。朱森林等分離的解淀粉芽孢桿菌BEB33顯示出對香蕉枯萎病良好的生防作用,且拮抗活性對溫度、pH不敏感;此外該菌株能夠產(chǎn)生IAA和鐵載體,能夠促進(jìn)香蕉植株的生長,具有較高的生防潛力[57]。盧娟等分離到一株具有較強抑制香蕉枯萎病菌的解淀粉芽孢桿菌LX1,通過質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)了其中抑菌作用最強的抗菌蛋白[58]。

周登博等和田丹丹等皆發(fā)現(xiàn)了甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌能夠明顯抑制Foc4菌落的生長,其機制可能與內(nèi)切葡聚糖酶家族相關(guān)[59-60]。楊李玲等從藥用植物密毛山梗菜植株中分離的放線菌菌株DJ15和纖黃鏈霉菌(Streptomyces celluloflavus),對香蕉枯萎病病原菌具有明顯的抑制作用[61]。楊佩文發(fā)現(xiàn)了暗雙孢菌AGR0073產(chǎn)生的單端飽菌素FM9-1能夠拮抗香蕉病原菌的活性[62]。Luna等從香蕉作物相關(guān)的微生物群中分離到了粘質(zhì)沙雷菌(Serratia marcescens)[63];隨后,Ting等用粘質(zhì)沙雷菌(UPM39B3菌株)接種香蕉植株后,發(fā)現(xiàn)宿主防御酶明顯升高,并促進(jìn)了總可溶性酚和硫代乙醇酸的產(chǎn)生。這些酶在抑制香蕉幼苗的枯萎病中發(fā)揮著重要作用。試驗研究顯示,使用內(nèi)生菌后,病害嚴(yán)重程度由74%降低至50%[64]。

3 內(nèi)生菌作為香蕉生防因子未來的工作

3.1 內(nèi)生菌的篩選

內(nèi)生菌與宿主的關(guān)系緊密,不僅能夠拮抗病原體,還能促進(jìn)宿主生長。今后應(yīng)對香蕉枯萎病不同抗病品種,不同發(fā)病時期植株各部位共生的內(nèi)生菌多樣性和群落組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入了解。許多研究者通過各種科學(xué)的方法篩選到了能夠拮抗香蕉枯萎病病原體的不同種類內(nèi)生菌,這是該病生防工作的基礎(chǔ)。然而,缺乏統(tǒng)一的篩選標(biāo)準(zhǔn)也為枯萎病的防治工作帶來了問題,因此,應(yīng)該尋求一套安全有效且標(biāo)準(zhǔn)的枯萎病內(nèi)生菌生防研究方法。包括:對Foc4病原體要進(jìn)行VCG水平鑒定,并要求生物制劑的篩選工作必須在植物體內(nèi)外均完成;應(yīng)該選擇對植株和病原體具有多重作用的內(nèi)生菌;不同種類的內(nèi)生菌或其他生物制劑混合物應(yīng)當(dāng)在不同環(huán)境和土壤條件下均具有抑病能力;要檢測生物制劑間的相容性。

3.2 內(nèi)生菌的交互作用

盡管內(nèi)生菌已經(jīng)在香蕉枯萎病防治中開始應(yīng)用,但仍然還需要進(jìn)行長期的跟蹤研究。單一的內(nèi)生菌無法滿足不同品種香蕉的病害防治,因此,應(yīng)對現(xiàn)有菌株進(jìn)行組合改良。Akila等采用熒光假單胞菌Pf1和古草芽孢桿菌TRC54組合應(yīng)用,顯著降低了香蕉枯萎病發(fā)病率[65]。Pushpavathi等觀察到,用生物防治劑綠木霉和熒光假單胞菌噴灑,以及用相同生物防治劑浸泡處理土壤,減小了香蕉中的枯萎病發(fā)病率,從而增加了香蕉產(chǎn)量[66]。Rajeswari等比較了綠木霉+熒光假單胞菌(1%+2%)、哈茨木霉+熒光假單胞菌(1.5%+2%)和綠木霉+哈茨木霉(1%+1.5%)三個組合對Foc的抑制效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)綠木霉+熒光假單胞菌的相容性組合顯著優(yōu)于其他兩種組合[67]。Kavino等在溫室和試驗田應(yīng)用枯草芽孢桿菌菌株EPB56和EPB10、根際菌和熒光假單胞菌Pf1成功降低了FocR1感染,并顯著改善植物生長[68]。他們的試驗顯示該方法增加了宿主防御酶的活性,同時顯示優(yōu)化組合的混配菌劑防治效果高于菌劑的單獨使用。

3.3 內(nèi)生菌的基因工程改造

植物內(nèi)生菌是良好的外源性基因載體,尋找內(nèi)生菌拮抗枯萎病的機制,通過基因重組技術(shù)對內(nèi)生菌相關(guān)基因進(jìn)行改造修飾,并將抗性基因?qū)雰?nèi)生菌內(nèi),再利用內(nèi)生作用,將抗病基因載入目標(biāo)宿主內(nèi),使轉(zhuǎn)化后的作物具備天然的抗病活性,從而實現(xiàn)應(yīng)用需求。這種方式不會改變作物本身的基因,因此較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因植物更具優(yōu)勢,也更安全,符合當(dāng)下消費者的需求。令人遺憾的是,盡管已經(jīng)從拮抗香蕉枯萎病的內(nèi)生菌中鑒定到了許多相關(guān)的基因,并且進(jìn)行了體外克隆表達(dá),驗證了生物學(xué)功能,但尚未有研究報道應(yīng)用于香蕉枯萎病的防治工作[69-70]。

4 結(jié)語

目前,有關(guān)香蕉內(nèi)生菌作為生物防治手段的理論基礎(chǔ)研究得到飛速發(fā)展,盡管已經(jīng)篩選出幾種生物防治劑對抗枯萎病,但在野外試驗中這種致死疾病仍無法得到完全控制。這可能是由于“宿主—內(nèi)生菌”共生體的多樣性及其共生機制的復(fù)雜性,給內(nèi)生菌的應(yīng)用帶來巨大挑戰(zhàn)。關(guān)于香蕉內(nèi)生菌的研究,主要集中在其對枯萎病、宿主性狀、生長等方面,但將二者作為一個生態(tài)整體,研究其相互關(guān)系和作用的報道較少。因此,在運用內(nèi)生菌進(jìn)行香蕉病蟲害生物防治的工作中,不應(yīng)單單考慮其對宿主的作用,而應(yīng)全面分析內(nèi)生菌在宿主所處生態(tài)系統(tǒng)中的作用,從而為開發(fā)出安全、高效的內(nèi)生菌生防制劑提供理論支持。

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(責(zé)任編輯:丁志祥)

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