李宗陽 原甜甜 張黨權(quán) 李明婉 賴 勇 丁 申 陳圓圓

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450046）

我國是經(jīng)濟(jì)林大國，經(jīng)濟(jì)林種類、面積、產(chǎn)量和總產(chǎn)值均居世界首位[1-2]。據(jù)國家林草局發(fā)布數(shù)據(jù)，截至2021 年，全國經(jīng)濟(jì)林種植面積超過4 000 萬hm2，年產(chǎn)量超過2 億t，產(chǎn)值超過2.2 萬億元，經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)發(fā)展已涉及食品、糧油、化工、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域[3-5]。近年來經(jīng)濟(jì)林病害逐年加劇，嚴(yán)重影響和制約著我國經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)健康與快速發(fā)展，生物防治因其對環(huán)境和人類健康友好而備受關(guān)注，目前采用的主要手段是生防菌劑，而植物精油是未來極具潛力的新型天然殺菌劑。本文對經(jīng)濟(jì)林病害中生防菌控制病原菌的拮抗機(jī)理及精油抑菌機(jī)理進(jìn)行綜述，為經(jīng)濟(jì)林病害生物防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 經(jīng)濟(jì)林主要病害

我國核桃、油茶、板栗、棗、蘋果、柑橘等主要經(jīng)濟(jì)林的種植面積和產(chǎn)量均居世界首位。但高密度種植單一樹種和集約化經(jīng)營導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)林病害日益嚴(yán)重，影響和制約了經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。主要病害有病原真菌膠孢炭疽菌[Colletotrichum gloeosporioides(Penz.) Penz.& Sacc.]引起的核桃炭疽病、油茶炭疽病、棗炭疽病、蘋果炭疽病等[6-9]；病原細(xì)菌黃單胞桿菌[Xanthomonas campestris pv.juglandis(Pierce) Dye]引起的核桃黑斑病[10]；病原真菌寄生隱叢赤殼[Cryphonectria parasitica(Murr.) Barr.]引起的板栗疫病[11]；病原真菌鏈格孢菌[Alternaria alternate(Fr.) Keissl.]引起的冬棗縮果病[12]；病原細(xì)菌亞洲柑橘黃龍病菌[Candidatus liberobacter asiaticumJagoueix et al ]引起的柑橘黃龍病[13]；病原細(xì)菌土壤桿菌 [Agrobacterium tumefaciens(Smith et Townsend)Conn]引起的果樹根癌病（也稱冠癭?。┑萚14-15]。

傳統(tǒng)的病害防治方法包括培育抗病品種、保持田間衛(wèi)生，以及使用化學(xué)殺菌劑。然而，殺菌劑對環(huán)境和人類健康具有不良影響，因此生物防治方法日益受到人們的關(guān)注。目前，植物病害的生物防治方法主要是使用生防菌劑，已經(jīng)有許多有效的生防菌劑被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用[16]。近年來，對低毒殺菌劑的探索開始轉(zhuǎn)向天然產(chǎn)品，植物精油被推薦為最有希望抑制病原菌的天然產(chǎn)品之一，且大多數(shù)植物精油顯示出較高的生物安全性[17]。隨著品種改良、種植面積擴(kuò)大、提取工藝優(yōu)化和多級化加工利用，一些植物精油的成本也有所下降，因此植物精油以其強(qiáng)抑菌性和生物安全性，在植物病害及采后病害的防治中展示出巨大潛力。

2 經(jīng)濟(jì)林病害的生防菌拮抗機(jī)理

2.1 生防菌概述

生防菌是用來防治植物病害的有益微生物，主要從健康植物根、莖、葉或病害等級較低的植株根際土壤中分離，可對靶標(biāo)病原體產(chǎn)生抑制作用[18]。

目前，細(xì)菌、放線菌、真菌等被廣泛應(yīng)用于植物病害的生物防治。細(xì)菌主要包括芽孢桿菌（Baccillus）、熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）以及土壤桿菌（Agrobacterium）等。王捷[19]從土壤和蘋果樹葉中分離篩選出2株生物安全性高、定殖能力強(qiáng)、對蘋果腐爛病有一定的抑制效果的芽孢桿菌生防菌株。婁海博[20]在土壤中分離到一株熒光假單胞菌株SN15-2，對青枯勞爾氏菌有很強(qiáng)抑制作用，可有效防治植物青枯病的發(fā)生。魏艷麗[21]分離到的土壤桿菌K1026可通過產(chǎn)生土壤桿菌素和競爭附著位點(diǎn)防治櫻桃冠癭病，田間試驗(yàn)表明，土壤桿菌K1026的防治效果高達(dá)81.61%。

鏈霉菌（Streptomycessp.）是最具生防價值的放線菌之一[22]。張恒等[23]從棗樹枝條中分離得到的鏈霉菌ZH-356，在盆栽和離體枝條上，不僅能預(yù)防蘋果樹離體枝條感染腐爛病，同時對患病幼苗也具有良好的防治效果。

目前，已發(fā)現(xiàn)的生防真菌有木霉（Trichodermasp.）、毛殼菌（Chaetoniumsp.）、小盾殼霉（Conithyrium minitans）、粘帚霉（Gliodadiumsp.）、無致病力尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）等。趙興麗等[24]通過對峙培養(yǎng)法發(fā)現(xiàn)，鉤狀木霉菌對辣椒疫霉菌的生長抑制率高達(dá)49.8%，盆栽試驗(yàn)表明，其對辣椒疫病的防治效果高達(dá)53.33%。馮镥童等[25]發(fā)現(xiàn)球毛殼菌（Chaetomium globosum）發(fā)酵液對尖孢鐮刀菌孢子萌發(fā)的抑制率高達(dá)100%，對馬鈴薯干腐病的病斑抑制率可達(dá)53.6%。盛桂林等[26]通過室內(nèi)生物活性試驗(yàn)和田間試驗(yàn)探究得到小盾殼霉對稻麥紋枯病在室內(nèi)和田間的防治效果均大于90%。楊蕊等[27]通過平板對峙法、含毒介質(zhì)法以及室內(nèi)盆栽試驗(yàn)法探究表明，粉紅粘帚霉對玉米莖基腐病具有良好的防治效果。肖姬玲等[28]的離體試驗(yàn)和田間防效測定試驗(yàn)均表明，非致病性尖孢鐮刀菌菌株F-1對草莓灰霉病具有良好的防治效果。

2.2 生防菌防治機(jī)理

2.2.1 競爭作用

競爭作用主要表現(xiàn)在生防菌與病原菌對營養(yǎng)物質(zhì)和生存空間的競爭。生防菌主要依靠其強(qiáng)大的繁殖能力、腐生能力和適應(yīng)能力，迅速占領(lǐng)有限的生存空間，如植物表面、根系或體內(nèi)空間及土壤中主要生態(tài)位，并快速吸收大量營養(yǎng)物質(zhì)，病原菌由于生存空間匱乏或營養(yǎng)物質(zhì)缺少，生長受到抑制，甚至死亡[29-31]。范先敏[32]發(fā)現(xiàn)，菌株bd-5-1費(fèi)比恩賽伯林德納氏酵母（Cyberlindnera fabianii）可通過和軟腐菌競爭葡萄糖、甘氨酸等營養(yǎng)成分來抑制獼猴桃軟腐病菌的生長。

2.2.2 重寄生作用

重寄生作用的過程包括對病原菌位點(diǎn)的識別、接觸、纏繞、穿透和寄生等連續(xù)步驟。在此過程中，生防菌主要依靠對病原菌的攻擊和寄生來控制病害的發(fā)生和傳播，生防菌可進(jìn)入病原菌菌絲內(nèi)部將其殺死[33]。柳婷婷[34]發(fā)現(xiàn)長枝木霉菌株SMF2和哈茨木霉菌株T39對引起國槐根莖腐爛病的5種主要鐮刀菌的抑菌作用均表現(xiàn)為重寄生作用，二者對鐮刀菌的重寄生方式主要表現(xiàn)為侵入鐮刀菌的菌絲內(nèi)爭奪營養(yǎng)，進(jìn)而抑制鐮刀菌的生長。

2.2.3 拮抗作用

兩種或多種微生物共同生長時，生防微生物通過同化作用產(chǎn)生一種或多種抗菌物質(zhì)，如抗生素和抗菌蛋白等，通過這些物質(zhì)作用于有害微生物的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜，導(dǎo)致有害微生物的細(xì)胞分解，也可通過改變有害微生物的生活環(huán)境，達(dá)到抑制或殺死有害微生物的目的[35]。章樂樂等[36]通過稀釋法和平板對峙法研究發(fā)現(xiàn)，菌株RL-LL04對多種病原菌具有抑制效果，其中對膠孢炭疽菌的拮抗作用是通過產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物、胞外酶等多種方式實(shí)現(xiàn)。路兆軍等[37]從蘋果植株根際土壤中分離到的短短芽孢桿菌（Brevibacillus brevis）HY-19的無菌濾液對蘋果斑點(diǎn)落葉病原菌有拮抗活性，其發(fā)酵產(chǎn)生的脂肽類抗生素是菌株具有拮抗活性的主要原因。

2.2.4 促生作用

生防微生物通過促進(jìn)植株的根系和整體生長發(fā)育，提高植株的抗病能力，間接減輕或防止病害的發(fā)生。Gaiero等[38]的研究表明，植物新陳代謝受植株內(nèi)部微生物的影響，微生物可通過溶解磷、固定氮和分泌生長素（IAA）等方式促進(jìn)植物生長，進(jìn)而影響植株生長發(fā)育。狄佳麟等[39]篩選出4株對杉苗立枯病原真菌具有強(qiáng)拮抗作用的沙地云杉內(nèi)生真菌，通過發(fā)酵液浸種和灌根處理發(fā)現(xiàn)，這些內(nèi)生拮抗菌對沙地云杉的種子和幼苗均表現(xiàn)出不同程度的促生作用。

2.2.5 誘導(dǎo)抗性作用

植物誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性（Induced systemic resistance,ISR）是植物在誘導(dǎo)因子刺激下，產(chǎn)生使植物免受或減輕病原物再侵染的一種后天免疫功能。這是由于生防菌釋放誘導(dǎo)因子（蛋白質(zhì)、抗生素和揮發(fā)物），誘導(dǎo)水楊酸途徑或茉莉酸/乙烯途徑基因的表達(dá)[40-41]。誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性是對各種類型的病原菌及非生物脅迫的廣譜抗性[42]。呂前前等[43]從蘋果韌皮組織分離獲得的解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）菌株Ba A-007，對蘋果腐爛病菌有抑制作用，該菌株可以通過激活蘋果茉莉酸、水楊酸、乙烯相關(guān)的抗病基因和細(xì)胞壁相關(guān)抗病反應(yīng)增強(qiáng)蘋果抗病性。

3 經(jīng)濟(jì)林病害的精油抑菌機(jī)理

3.1 主要植物精油

精油是由植物合成的低分子量化合物的復(fù)雜混合物，主要由萜類、苯丙類、醛類、酯類、醇類和酮類組成，具有生物活性[44]。通過對精油成分分析發(fā)現(xiàn)，萜類化合物最為豐富，這些成分及其衍生物對多種微生物具有抑制活性[45]。

目前植物精油廣泛應(yīng)用于制藥、化妝品、農(nóng)林業(yè)、清潔、芳香療法和食品等領(lǐng)域[46-47]。精油作為抗菌劑、抗病毒藥物和抗氧化劑在保護(hù)食品安全方面發(fā)揮著重要作用。精油由于其較強(qiáng)的抑菌活性，在食品工業(yè)中被用作天然防腐劑，以減少或替代化學(xué)食品防腐劑[17]，極低濃度的精油即使長期使用也不會激活病原菌的耐藥機(jī)制[17]。

粗壯女貞苦丁茶精油含有的大量萜烯類化合物，對大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌枯草芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌、黃曲霉、黑曲霉、青霉、啤酒酵母表現(xiàn)出很好的抑菌效果[48]。山蒼子精油、姜黃精油、柏木精油和八角茴香精油等均含有不同的抑菌成分[49]。精油對一些植物病原菌也具有較強(qiáng)的抑制作用。迷迭香精油對甜瓜蔓枯病菌、西瓜炭疽病菌、甜瓜灰霉病菌、甜瓜枯萎病菌、梨樹腐爛病菌、柑橘黑腐病菌、油菜菌核病菌、蠶豆輪紋病菌和桃細(xì)菌性穿孔病菌具有抑制作用[50]。陳皮精油、松樹油、薄荷精油、檸檬精油對蘋果腐爛病病原菌黑腐皮殼菌和蘋果斑點(diǎn)落葉病病原菌鏈格孢蘋果?；途哂幸种谱饔肹51]。椒蒿、黃花蒿、啤酒花、茵陳蒿、香青蘭、蔞蒿和一枝蒿7種植物精油對尖孢鐮刀菌、黃色鐮孢菌、立枯絲核菌和串珠鐮刀菌4種病原菌均有一定的抑菌活性[52]。

3.2 植物精油抑菌機(jī)理

3.2.1 影響細(xì)胞壁的合成及功能

植物精油可以通過影響細(xì)胞壁成分的合成和與細(xì)胞壁緊密相關(guān)的酶類，攻破微生物細(xì)胞壁的保護(hù)屏障[53]。精油可以穿透革蘭氏陽性細(xì)菌特有的厚層肽聚糖，此類抗菌物質(zhì)可利用蛋白質(zhì)作為細(xì)菌細(xì)胞膜中的通道，抑制交聯(lián)的形成，切斷細(xì)胞壁的合成并產(chǎn)生孔隙，從而打開交流通道，使細(xì)菌出現(xiàn)裂解或死亡[54]。牛至精油主要成分香芹酚處理番木瓜采后病害病原菌沖繩炭疽菌后，病原菌細(xì)胞壁薄厚不均、壁膜間界線不清晰，菌絲體幾丁質(zhì)酶活性增強(qiáng)，細(xì)胞壁消解[55]。肉桂精油中的抗菌物質(zhì)肉桂醛可穿透霉菌的細(xì)胞壁，從而有效破壞細(xì)胞壁中葡聚糖和幾丁質(zhì)的合成，使細(xì)胞壁功能受損，最終細(xì)胞因缺少保護(hù)性組織而衰亡[56]。

3.2.2 影響細(xì)胞膜的合成及功能

精油可以使微生物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受到破壞，進(jìn)而影響細(xì)胞膜的通透性，造成細(xì)胞質(zhì)里的一些離子和化合物從細(xì)胞中溢出[57]。精油通過以下方式攻破微生物細(xì)胞膜：1）攻擊細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，影響其通透性，使細(xì)胞膜受損。研究發(fā)現(xiàn)肉桂醛具有親水性，易溶解在細(xì)胞膜的脂酰鏈中，破壞細(xì)胞膜外膜，增強(qiáng)細(xì)胞膜的通透性，使三磷酸腺苷流出，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[53]。2）與磷脂分子相互作用，改變膜中脂肪酸的比例和結(jié)構(gòu)。Di等[58]發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌細(xì)胞膜中脂肪酸的比例和結(jié)構(gòu)在精油處理后發(fā)生變化，降低了細(xì)胞膜的流動性。3）影響細(xì)胞膜成分的合成，例如麥角固醇。在香茅精油處理的青霉菌細(xì)胞中，膜完整性和麥角固醇含量顯著降低，而羊毛甾醇作為麥角固醇生物合成的前體大量積累，添加外源麥角固醇降低了香茅醛的抑制率，使麥角固醇含量和膜結(jié)構(gòu)恢復(fù)到正常水平[59]。4）通過下調(diào)膜孔蛋白相關(guān)基因的表達(dá)破壞細(xì)胞膜上的膜孔蛋白和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[53]。馬提尼精油處理可嚴(yán)重破壞黃曲霉細(xì)胞膜的完整性，通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析，鑒定出黃曲霉1 604個膜蛋白，馬提尼精油處理破壞了58種細(xì)胞膜蛋白，釋放了157種膜蛋白[60]。5）精油還可以通過破壞β微管蛋白分布引發(fā)細(xì)胞周期停滯，導(dǎo)致有絲分裂紡錘體受損，最終損傷細(xì)胞膜并導(dǎo)致細(xì)胞成分泄漏[61]。

3.2.3 影響呼吸與能量代謝

抗菌劑可以抑制甚至阻止致病菌呼吸代謝產(chǎn)生能量。通過干擾營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝，導(dǎo)致致病菌的生長和繁殖受到影響[62]。當(dāng)三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶活性受到抑制時，可破壞細(xì)胞正常的代謝周期，從而抑制微生物的正常生長。Hu等[63]研究發(fā)現(xiàn)，紫蘇精油處理后黃曲霉能量代謝紊亂，防御功能受損。蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明，紫蘇精油通過阻斷抗氧化防御過程和糖酵解途徑抑制黃曲霉生長，紫蘇精油處理后黃曲霉額外的能量產(chǎn)生途徑被激活，以補(bǔ)償不平衡的糖酵解。Zhao等[64]發(fā)現(xiàn)，八角茴香精油能夠降低黑曲霉的ATP含量和細(xì)胞活力，通過阻斷NAD的合成途徑抑制黑曲霉的生長，黑曲霉還激活了額外的能量產(chǎn)生途徑，如聚糖代謝，以彌補(bǔ)八角茴香精油處理后能量的不足。

3.2.4 影響遺傳物質(zhì)的合成與相關(guān)功能

微生物遺傳物質(zhì)（DNA或RNA）的破壞會影響微生物的正常繁殖和自我復(fù)制[53]。Chung等[65]發(fā)現(xiàn)，艾蒿精油可與微生物DNA相互作用，導(dǎo)致DNA斷裂。芥末精油包合物對紅毛丹病原菌棘孢曲霉的抑菌機(jī)制涉及細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷、影響DNA和RNA合成和代謝、抑制酶活性、影響跨膜運(yùn)輸能力、抑制有絲分裂、下調(diào)能量代謝水平等[66]。

3.2.5 影響生物膜功能

生物膜具有多種細(xì)胞功能[67]，生物膜基質(zhì)可以作為物理屏障，阻止藥物滲透到細(xì)菌群落中，并幫助微生物抵抗傳統(tǒng)抗生素并將其效果降至最低[68]。精油具有抗生物膜活性，其中的疏水成分滲透到細(xì)胞膜的脂質(zhì)中，減少生物膜的形成，親水成分則通過生物膜的胞外多糖基質(zhì)擴(kuò)散[68]。迷迭香精油能夠顯著抑制紫色桿菌的群集運(yùn)動，濃度為10‰的精油對紫色桿菌生物膜含量的抑制率為44%，并且能夠降解已形成的生物膜，10‰濃度的精油對已形成生物膜降解率達(dá)到64%[69-70]。

3.2.6 影響群體感應(yīng)系統(tǒng)

群體感應(yīng)（Quorum sensing, QS）系統(tǒng)是細(xì)菌之間的一種通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在信號分子幫助下工作，參與各種生理過程，如生物膜的形成、毒力因子的表達(dá)、次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生、應(yīng)激管理等[71]。目前已經(jīng)報(bào)道了幾種抑制QS的機(jī)制，包括：1）抑制信號分子合成；2）信號分子失活或降解；3）防止信號分子與其受體類似物結(jié)合；4）阻斷信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)[72]。黑胡椒精油及其主要化合物檸檬烯和石竹烯對嗜冷假單胞菌KM02的群體感應(yīng)和外排泵（EP）系統(tǒng)的影響，主要為使QS自誘導(dǎo)物合成降低，并使蛋白水解活性和胞外多糖合成分別降低[73]。精油對微生物的作用機(jī)制主要是其疏水成分與細(xì)胞膜的磷脂雙分子層相互作用[17]，使膜的完整性喪失，導(dǎo)致電子傳遞鏈功能發(fā)生變化，營養(yǎng)物質(zhì)吸收、蛋白質(zhì)和核酸合成、細(xì)胞內(nèi)容物凝固、能量代謝所必需的酶受到抑制[44]，從而減少ATP的合成，改變細(xì)胞質(zhì)膜的pH梯度，抑制群體感應(yīng)作用，以及破壞或失活遺傳物質(zhì)，降低細(xì)胞的代謝活性[17]。

4 結(jié)語

我國經(jīng)濟(jì)林多為純林，生態(tài)穩(wěn)定性不強(qiáng)，抗逆性較弱，病害容易多發(fā)頻發(fā)，不僅直接影響經(jīng)濟(jì)林的產(chǎn)量與品質(zhì)，病原菌檢疫及農(nóng)藥殘留還會極大影響我國經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品及衍生品的出口貿(mào)易。生物防治以其對生態(tài)環(huán)境及人類健康的安全性，在經(jīng)濟(jì)林病害防治中發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

生防菌與植物、病原菌通常有著復(fù)雜的關(guān)系，與植物相互作用的同時，也對病原菌產(chǎn)生多種抑制作用，且生防菌的防治效果受環(huán)境影響較大，這也增加了研究和生產(chǎn)應(yīng)用的難度。今后，更多內(nèi)生菌資源的挖掘與篩選仍有待加強(qiáng)；生防菌的抑菌代謝產(chǎn)物有待進(jìn)一步研究和利用；可將分子生物學(xué)及組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于生防菌抗病機(jī)制的研究，多組學(xué)分析生防菌誘導(dǎo)植物抗病性的機(jī)制；生防菌對病原菌的抑制效果與環(huán)境的關(guān)系仍有待挖掘。

大多數(shù)植物精油對微生物都表現(xiàn)出一定的抑制作用，生物安全性使其成為理想的生物殺菌劑，但由于以往精油價格昂貴，在病害防治方面的研究并不多。近年來，隨著迷迭香品種改良、種植面積擴(kuò)大和提取工藝優(yōu)化，迷迭香精油的成本迅速大幅下降。另外，通過迷迭香的多級化加工利用，實(shí)現(xiàn)了精油、純露、鼠尾草酸提取物、迷迭香酸提取物的多產(chǎn)品開發(fā)利用，進(jìn)一步降低了迷迭香精油的成本。

經(jīng)筆者團(tuán)隊(duì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前實(shí)現(xiàn)迷迭香多級加工的部分企業(yè)，其迷迭香精油出廠價大幅降低，是其他植物精油成本的約1%，使迷迭香精油成為一種物美價廉的大宗精油商品。因此，迷迭香精油因其強(qiáng)抑菌性、強(qiáng)抗氧化、低成本在植物病害的生物防治及采后防病防腐方面具有巨大的發(fā)展前景。然而目前對精油中天然抑菌組分的化學(xué)成分分析還不夠深入，抑菌機(jī)理多集中在食品與醫(yī)藥方面，對于病害防治方面的應(yīng)用有待進(jìn)一步探索研究。