枯草芽孢桿菌在農(nóng)作物種植上的應用研究進展

柴鳳蘭，鄭 晨，張 帆

（開封市秸稈生物質(zhì)綠色綜合利用重點實驗室/河南應用技術(shù)職業(yè)學院，河南開封 475000）

枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis,BS）是芽孢桿菌屬的一種，廣泛分布在土壤及腐敗的有機質(zhì)中，具有定殖、繁殖速度快的特點，能迅速抑制其他病原微生物的繁殖，具有很強的競爭力。BS已被廣泛應用于土壤修復、養(yǎng)殖業(yè)和植物病蟲害防治等方面。BS在土壤中可以起到溶磷、固氮等作用，能改善土壤微環(huán)境[1]。在黃河鯉魚的飼料中添加大約2‰的BS，可以顯著提高黃河鯉魚消化酶活性，大大提高魚的生長性能[2]；枯草芽孢桿菌可以有效阻隔水稻對鎘的吸收，增加土壤的酶活性，降低土壤中有效態(tài)的鎘含量，提高水稻的生物量[3]；枯草芽孢桿菌可以用于水果的保鮮和防腐，而不影響水果的品質(zhì)和口感[4]；使用枯草芽孢桿菌處理養(yǎng)殖廢水，調(diào)節(jié)養(yǎng)殖廢水中的氮、磷及有機物含量，用于農(nóng)業(yè)灌溉可以很好地預防植物病蟲害，且增加土壤的微生物平衡[5]。因此，枯草芽孢桿菌是一種環(huán)保、經(jīng)濟的微生物菌種，具有優(yōu)良的定殖能力、較快的繁殖速度，能夠分泌多種抗菌和促進生長發(fā)育的生物活性物質(zhì)，具有很強的防病、促生功能，被廣泛應用于養(yǎng)殖業(yè)、水處理和種植業(yè)等領(lǐng)域，尤其是在農(nóng)作物種植領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。

1 主要性能與作用機制

1.1 主要性能

枯草芽胞桿菌是一種革蘭氏陽性好氧（或兼性厭氧）型細菌，繁殖迅速，能自主產(chǎn)生抗逆性孢子，自身不含內(nèi)毒素，是一種安全的微生物?？莶菅堪麠U菌具有極強的穩(wěn)定性和抗逆性，可以耐高溫、耐酸堿、耐鹽?？莶菅挎邨U菌廣泛分布于土壤、植物體表、根莖、體內(nèi)，具有較強的抗菌活性，可與病原菌相互競爭，較好地阻礙病原菌在植物上的定殖和對植物的侵染，達到抵抗病原菌的效果[6]?？莶菅挎邨U菌因其綠色無污染，對人和動植物體均無傷害，因此它既可以作為生防細菌用于減少農(nóng)作物病蟲害，促進農(nóng)作物生長，又可作為微生物飼料添加劑用于提高動物的免疫功能和飼料的轉(zhuǎn)化率，改善動物腸道微生態(tài)平衡，是我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部批準應用的一種益生菌。

1.2 主要作用機制

1.2.1 通過分泌抗菌物質(zhì)抑菌抗菌

枯草芽孢桿菌自身能夠合成兩類主要抑菌抗菌物質(zhì)：一類是脂肽類抗菌肽，如泛革素、伊枯草菌素和表面活性素等，這類物質(zhì)通過非核糖體途徑合成；另一類則是蛋白類抗菌物質(zhì)，主要是小分子質(zhì)量的細菌素、酶類及一些未被鑒定的抑菌蛋白，蛋白類抗菌物質(zhì)通過核糖體途徑合成[7]。枯草芽孢桿菌通過合成的這兩大類抑菌物質(zhì)，抑制植物病原真菌孢子萌發(fā)、芽管生長及斷裂菌絲的方式發(fā)揮抑菌抗菌作用。

1.2.2 通過激活免疫細胞或免疫因子發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)功能

枯草芽孢桿菌有一定的免疫調(diào)節(jié)作用，主要歸因于三方面：1）枯草芽孢桿菌能激活機體的免疫細胞，提高機體免疫球蛋白的含量，提升機體的免疫力；2）枯草芽孢桿菌作為非特異性免疫因子，可以刺激相關(guān)淋巴組織引起局部體液免疫反應；3）枯草芽孢桿菌可以增強相關(guān)抗炎基因的表達，刺激機體免疫器官的生長發(fā)育，從而改善機體的免疫功能，因此廣泛用于養(yǎng)殖業(yè)。試驗發(fā)現(xiàn)，每日在動物飼料中添加2‰的枯草芽孢桿菌能夠明顯提高動物血液中超氧化物歧化酶（SOD）活性[8]。當枯草芽孢桿菌作用于動物腸道內(nèi)的淋巴結(jié)時，可促進腸道內(nèi)相關(guān)淋巴組織的生長，增加機體淋巴細胞的數(shù)量，從而提高機體免疫力[9]。

1.2.3 通過代謝活性產(chǎn)物提高定殖植物抗菌性或誘導抗性

枯草芽孢桿菌具有較強的定殖作用，定殖后通過代謝活性產(chǎn)物如植物激素、細胞分裂素等，發(fā)揮較高的抑菌活性，能有效抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌和沙門氏菌等致病菌，具有較廣的抑菌譜[10]。但是，不同的枯草芽孢桿菌菌株產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)及其抗菌效果有一定的差異；發(fā)酵條件對枯草芽孢桿菌菌株產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)也有明顯的影響，發(fā)酵條件不同，相同的菌株產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)和抑菌效果也不同[11]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤中存在一類定殖于植物根際的有益微生物，通常被我們稱為植物根際促生菌（PGPR），它們可以在減少植物病害發(fā)生的同時促進植物的生長。枯草芽孢桿菌是PGPR 的主要菌類之一，可產(chǎn)生一些類似于植物生長激素和細胞分裂素的代謝物質(zhì)，促進植物迅速發(fā)育，增強植株抗逆性從而提高抗病力，有效抵抗病原物的侵害[8]。

2 對農(nóng)作物生長的影響

2.1 提高作物抗性

枯草芽孢桿菌可以通過減少作物病害、克服作物相互連接的障礙、提高作物的抗逆境能力三個方面來有效提升作物的耐受性和抗逆性?？莶菅挎邨U菌具有優(yōu)異的定殖性能，能夠在農(nóng)作物的根、莖、葉內(nèi)定殖成功并搶奪土壤中的營養(yǎng)和空間，從而達到阻擋病原菌感染傷害作物[12]?？莶菅挎邨U菌在定殖成功以后可以產(chǎn)生能夠抑制細菌、病毒、真菌和病原體生長的抗生素、抗菌蛋白等活性強的物質(zhì)，這些活性物質(zhì)直接使植株上有毒菌絲內(nèi)膜出現(xiàn)的腫脹、扭曲和惡性變形，從而遏制病原菌微生物的繁殖，達成對病害的防患。鄭小亮通過分步沉淀，得到了一種新型的枯草芽孢桿菌Z1-2抗菌細胞粗蛋白，研究了該抗菌蛋白對禾谷赤霉病菌的抑制性能。試驗結(jié)果表明，它可以促使禾谷赤霉病菌的菌絲形態(tài)變異、底部膨大，能有效地抑制有病菌孢子的萌發(fā)，實現(xiàn)對禾谷鐮刀菌的抑制[13]?？莶菅挎邨U菌可以通過菌液誘導單株植物，使其在惡劣氣候條件下自然地產(chǎn)生抗逆性。

2.2 促進作物生長

枯草芽孢桿菌定殖在土壤中可以分泌出促進農(nóng)作物健康生長的化學物質(zhì)，有助于繁殖增產(chǎn)和吸收利用。蔡學清等在辣椒種子上接種枯草芽孢桿菌BS-2菌株后，辣椒嫩苗的鮮重和干重明顯增加，這歸因于該菌株可以有效促進辣椒等宿主植物體內(nèi)生長激素如生長素、赤霉素等的形成，同時抑制植物體內(nèi)脫落酸等物質(zhì)的含量促進作物生長[14]。王進等試驗了枯草芽孢桿菌菌株WJ47 對辣椒種植的影響，結(jié)果表明，該菌株可顯著增加辣椒根頸部到頂部間距、莖粗、掛果數(shù)和產(chǎn)量[15]。一些枯草芽孢桿菌在水中繁殖可以有效分解水中無機銨態(tài)氮或硝態(tài)氮[16]，能夠?qū)⑼寥阑蛩须y溶性無機磷或者其他有機磷全部溶解，轉(zhuǎn)化為可溶性，提高土壤中可溶性磷含量，為其他植物生長發(fā)育提供更多安全可用的植物養(yǎng)分。

游偲等研究發(fā)現(xiàn)，接種枯草芽孢桿菌會導致土壤中促進植物生長的細菌相對豐度發(fā)生變化，土壤細菌群落通過影響土壤中碳和磷循環(huán)的微生物酶活性間接地介導了植物的生長，極大地促進了水稻等農(nóng)作物的產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀，通過介導土壤直接和間接地接種微生物孕育劑可以提高水稻產(chǎn)量[17]。目前，從植物中分離的枯草芽孢桿菌菌株R31和TR21，具有很好的芽孢形成、根際適應和群體感應能力，R31和TR21通過植物遺傳工程被應用于促進植物生長和生物防治[18]。

2.3 改良作物品質(zhì)

枯草芽孢桿菌在土壤中繁殖快、定殖能力強，在土壤中定殖會形成許多的有機酸如吲哚乙酸和植物激素如細胞分裂素等物質(zhì)，不僅改善土壤品質(zhì)，還刺激農(nóng)作物根系生長，促進農(nóng)作物快速發(fā)育，有效改良農(nóng)作物的品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，施用枯草芽孢桿菌有機肥，可以改善煙葉中的化學成分，提高煙葉質(zhì)量；提升蘋果中心糖、可滴定酸、可溶性糖、維生素C等的含量，極大地改善蘋果品質(zhì)、提高番茄果實抗氧化活性和類胡蘿卜素含量，改善番茄品質(zhì)等[19-21]。

3 用于農(nóng)作物病蟲害的防治

枯草芽孢桿菌是一種屬于革蘭氏陽性菌的生物安全菌株，廣泛存在于自然界中，有著強大的分泌表達系統(tǒng)，對多種細菌和真菌具有良好的拮抗作用。枯草芽孢桿菌在植物病害綜合治理中具有非常重要的作用，在農(nóng)業(yè)生物防治方面具有很好的應用前景。

3.1 對病蟲害的預防作用

枯草芽孢桿菌具有廣泛的抗菌、抗腫瘤、表面活性，通過影響植物病原菌孢子萌發(fā)和菌絲形態(tài)，使病原菌絲細胞壁解體、原生質(zhì)外泄、菌絲體破裂，從而抑制病原菌蔓延。枯草芽孢桿菌的菌絲還可以通過識別、吸附和纏繞完成對病原菌的重寄生作用，加大對病原菌的消滅程度。蘋果樹腐爛病是危害蘋果樹生長的毀滅性病害之一，一般采用刮治并涂抹化學藥劑防治，但傷口愈合差，易復發(fā)。翟世玉等利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵液治理蘋果樹腐爛病的防治，研究表明，在枯草芽孢桿菌發(fā)酵液中含有能促進蘋果樹樹皮生長的物質(zhì)，在蘋果樹樹皮上涂抹枯草芽孢桿菌發(fā)酵液，可以促進傷口愈合，進而降低腐爛病的復發(fā)[22]。胡小加等將枯草芽孢桿菌定殖在油菜的根冠部位，可有效預防油菜菌核病的發(fā)生，大幅提高油菜的產(chǎn)量[23]；顧真榮等從土壤中分離出產(chǎn)幾丁質(zhì)酶的枯草芽孢桿菌G3菌株，該菌株對水稻紋枯病菌(Rhizoctonia solani)顯出強烈的抑菌活性[24]。

枯草芽孢桿菌在代謝過程中產(chǎn)生的幾丁質(zhì)酶、蛋白、脂肽等代謝物質(zhì)，具有拮抗灰霉病菌、黑條葉斑病菌等植物病原物生長的潛力[25-28]，對橡膠樹紅根?。℅anoderma pseudoferreum）、褐 根 ?。≒hellinus noxius）、紫根?。℉elicobasidium compactum）、臭根?。⊿phaerostilbe repens）、白根病（Rigidoporus lignosus）、炭疽?。–olletortrichum gloeosporioides）等病害具有顯著的防治能力[29-31]?；颐共∈怯善咸焰邔僬婢鸬某Ｒ娗芽剖卟思包S瓜、菜豆、芹菜、大蒜等蔬菜霉病，灰霉病孢子傳播力很強，尤以番茄灰霉病最為常見，嚴重影響番茄的產(chǎn)量和運輸貯藏，研究發(fā)現(xiàn)，利用枯草芽孢桿菌L1-21 對番茄進行灰霉病防治，枯草芽孢桿菌直接作用于標靶病原菌，通過調(diào)節(jié)植物自身的防衛(wèi)和代謝系統(tǒng)產(chǎn)生免疫反應，引發(fā)番茄植株系統(tǒng)性的抗病性，番茄植株體內(nèi)的防御酶活性得到顯著提高，增強了植株的免疫能力，可以很好地預防灰霉病[32]。

3.2 對植物病害的抑制作用

枯草芽孢桿菌的抗生溶菌作用可用于防控絲狀真菌的植物病害，通過營養(yǎng)和空間位點的競爭強烈抑制病原菌的生長，次生代謝的產(chǎn)物幾丁質(zhì)酶、蛋白酶等多種酶及抗菌多肽、脂肽類物質(zhì)[33]消解病原菌的菌絲體，使病原菌絲發(fā)生斷裂、畸形等現(xiàn)象，具有抑菌譜廣、環(huán)境安全等優(yōu)勢?？莶菅挎邨U菌不僅能夠抑制病原菌絲生長，抑制病原孢子的萌發(fā)和立枯絲核菌菌落表面微菌核的形成，減少色素等代謝物質(zhì)的分泌，而且能夠在柑橘葉片上定殖和增殖，改善葉際細菌群落結(jié)構(gòu)，提升有益菌的比例，使病情指數(shù)降低，有效防治柑橘砂皮病[34]，因此，枯草芽孢桿菌在柑橘種植上具有很大的應用價值。

枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶和β-1,3-葡聚糖酶等具有廣譜抗菌活性，He等研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌菌株BJ-1通過抑制致病疫霉孢子萌發(fā)和附著孢子形成，使稻瘟病菌菌絲和孢子生長異常，或者引起致病菌絲解體，抑制稻瘟病發(fā)生，促進植株生長[35]。研究表明，枯草芽孢桿菌對多種病原真菌具有良好的抑制作用，如它可以很好地抑制棉田土壤中的病原真菌鐮孢霉屬(Fusarmm)、輪枝孢屬(Verticillium)，可以有效防治棉花黃萎病和立枯病，很好地抑制引起草莓紅葉病、枯萎病及紫斑病的病原真菌[36-38]；枯草芽孢桿菌可以通過調(diào)節(jié)生物生長必需的鐵離子抑制植物病害菌和調(diào)節(jié)植物的生長[39-40]。隨著研究的不斷深入，枯草芽孢桿菌在植物病蟲害防治方面的應用展現(xiàn)出了良好的前景。

4 小結(jié)

2021 年8 月25 日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家發(fā)展改革委等六部委印發(fā)的《“十四五”全國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》指出：“到2025年，化肥、農(nóng)藥使用量持續(xù)減少，農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用水平明顯提高，農(nóng)業(yè)面源污染得到有效遏制”[41]，農(nóng)業(yè)面污染問題和農(nóng)業(yè)病蟲害防治已經(jīng)得到了國家的高度重視?？莶菅挎邨U菌因其代謝產(chǎn)物的多樣性、綠色、無毒、穩(wěn)定等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖及環(huán)境保護等方面展現(xiàn)出廣闊的應用前景。目前，我國已有“亞寶”“麥豐寧”“百抗”等幾種枯草芽孢桿菌商品制劑在推廣使用，其應用研究處于世界前沿?？莶菅挎邨U菌在被廣泛推廣使用的同時，也暴露出本身的不足，相較于化學農(nóng)藥，枯草芽孢桿菌防治效果緩慢、作用對象單一、有效活性成分復雜、受環(huán)境影響較大等。

因此，今后對枯草芽孢桿菌的應用研究應注意以下三個方面：1）在枯草芽孢桿菌作用機制方面，借助先進的生物技術(shù)和基因組學、蛋白質(zhì)組學等分子生物學及其交叉學科，深入探索枯草芽孢桿菌的作用機制及其對宿主等的安全性。2）在枯草芽孢桿菌有機肥的生產(chǎn)方面，采用菌類生物制劑與合適的化學肥料進行科學復配，既改良土壤，又使農(nóng)作物增產(chǎn)，達到優(yōu)勢互補的效果。3）在病蟲害防治方面，采用與其他有益菌種混合使用，以達到多菌種功能互補、協(xié)同防治多種農(nóng)作物病蟲害的目的。此外，由于枯草芽孢桿菌種類繁多，發(fā)酵、分離程序繁瑣，導致生產(chǎn)成本高，這是生產(chǎn)中亟需解決的問題；枯草芽孢桿菌菌株的快速分離和功能化是另一個應該關(guān)注的研究熱點。