木霉菌生物防治作用機制與應(yīng)用研究進(jìn)展

阮盈盈，劉峰

(1.寧波大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 寧波 315502；2.寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 景觀生態(tài)學(xué)院，浙江 寧波 315502)

在傳統(tǒng)的農(nóng)作物栽培過程中，化肥農(nóng)藥的不合理施用，以及長期單一農(nóng)作物大面積種植導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)環(huán)境破壞、植物病蟲害問題日益頻繁，同時還造成農(nóng)作物農(nóng)藥殘留，以及土壤、水體環(huán)境污染等問題[1]。隨著農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展新思想的提出，人們更加迫切地尋求安全有效、環(huán)境友好型植物病害防治措施[2]。生物防治主要是通過有益生物及其產(chǎn)物對植物中有害生物進(jìn)行牽制，從而達(dá)到防治植物病蟲害的目的，能夠有效減少化肥農(nóng)藥的施用[3]。木霉菌作為一類廣泛用于植物病蟲害防治的生物真菌，主要存在于土壤、空氣和植物表面等生態(tài)環(huán)境，可以有效防治多種植物病蟲害。本文圍繞木霉菌生物學(xué)特性、生防機制和木霉菌在生物防治中的應(yīng)用等多個方面，系統(tǒng)全面地闡述了木霉菌在植物病蟲害防治的研究進(jìn)展，并且對木霉菌在生物防治中存在的問題與前景進(jìn)行了初步探討，為今后木霉菌在生物防治中的研究與應(yīng)用提供參考。

1 木霉菌概述

木霉菌(Trichoderma)屬于真菌門、知菌亞門、絲孢綱、絲孢目、叢梗孢科，其有性階段為子囊菌亞門、肉座目、肉座科的肉座菌屬[4]，木霉屬是Persoon于1794年建立的。根據(jù) Gams等[5]的分類系統(tǒng)，該屬分為肉座(Hypocreanum)、長枝組(Longibrachiatum)、木霉組(Trichoderma)和粗梗組(Pachybasium)4個組，包括哈茨木霉(Trichodermaharzianum)、綠色木霉(Trichodermaviride)、深綠木霉(Trichodermaatroviride)、黃綠木霉(Trichodermaaureoviride)等104個種。據(jù)報道，目前已發(fā)現(xiàn)了250多種木霉菌種[6]。隨著分子生物學(xué)研究技術(shù)的日益發(fā)展，木霉菌鑒定從原來的主要依賴顯微鏡觀察形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^分子水平上的系統(tǒng)演化分析，并建立了基于rpb2、ITS和tef1序列的DNA條形碼快速鑒定系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確、快速地鑒定木霉菌[7]。除此之外，還建立了可以比對木霉屬序列相似性的TrichoBLAST數(shù)據(jù)庫(http://www.isth.info/tools/blast/index.php)，用戶對ITS序列擴增測序后，只要在網(wǎng)站上輸入該序列，就能快速獲得關(guān)于木霉種的鑒定結(jié)果。

大量研究表明，多數(shù)木霉菌可產(chǎn)生生物活性物質(zhì)，并對植物病原真菌、植物病原線蟲等具有拮抗作用。生物活性物質(zhì)包括次級代謝產(chǎn)物和細(xì)胞壁降解酶類等物質(zhì)，可以有效提高農(nóng)作物的抗逆性，減少植物病害并促進(jìn)植物生長。經(jīng)研究該種群中的綠色木霉、哈茨木霉等對葡萄孢屬(Botrytis)、鐮刀菌屬(Fusarium)和絲核菌屬(Rhizoctonia)等18個屬[8]的29種植物病原真菌均有不同程度的抑制作用。

木霉菌是一種廣泛分布在全球的生防真菌。木霉菌主要存在森林、草地、農(nóng)田、坡溝等較為潮濕的環(huán)境中。木霉菌普遍存在于土壤中，是土壤重要的微生物群落。稻草、腐木、其他真菌的子實體等也是其常見的生長基質(zhì)，除此之外，不銹鋼、柴油、瀝青等基質(zhì)中也曾發(fā)現(xiàn)過木霉菌的蹤跡[9]。可見木霉菌的生命力之強，它能夠在各種有機、無機的營養(yǎng)源中生長繁殖。此外，木霉菌還是一些其他大型真菌的伴生菌[10]；然而在食用菌栽培中，木霉菌則是第一大病原菌，可以侵染茶樹菇、銀耳、靈芝、平菇等多種食用菌[11]。

木霉菌在培養(yǎng)基中菌落最初為致密叢束狀或棉絮狀，白色或白灰色。待分生孢子成熟后，菌落從中央至邊緣，逐漸變?yōu)榫G色或黃綠色的菌落，極少數(shù)為白色，分生孢子梗通過菌絲的側(cè)枝生長。木霉菌具有極強的環(huán)境適應(yīng)性，適宜在溫暖濕潤的環(huán)境下生長繁殖。最適合木霉菌生長的溫度一般在20～28 ℃，不過在6～32 ℃木霉菌依然可以生長；木霉菌生長適宜高濕度環(huán)境，90%以上的空氣相對濕度有利于木霉菌生長與產(chǎn)孢；盡管光照對木霉菌絲生長影響不大，但光照條件下還是利于木霉菌產(chǎn)生分生孢子；木霉菌能夠在pH 1.5～9.0生長，其中生長最適pH 為5.0～5.5；馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基(PDA)是木霉菌生長最常用的培養(yǎng)基。木霉菌可以通過利用碳源、氮源，以及銅、鎂、鐵等無機鹽離子促進(jìn)生長和產(chǎn)孢[12]。

2 木霉菌生防機制

根據(jù)已有的研究結(jié)果，木霉菌對植物病原菌具有多種生防機制。目前被廣泛認(rèn)同的有以下幾種，包括競爭作用、重寄生作用、抗生作用、誘導(dǎo)抗性作用、促生作用和協(xié)同拮抗作用[13]。

2.1 木霉菌的競爭作用

木霉菌對營養(yǎng)和空間具有很強的競爭能力，能夠有效抑制植物病原菌生長。木霉菌對環(huán)境有著很強的適應(yīng)性，通過自身的快速生長、繁殖來奪取植物根際附近的養(yǎng)分和空間，消耗空氣中的氧氣，從而削弱植物病原菌的生長[14]。木霉菌的生長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植物病原菌的生長速度，因此，能夠有效抑制植物病原菌生長?？灯贾サ萚15]在哈茨木霉競爭作用測定中發(fā)現(xiàn)，霉菌的生長速度比葡萄灰霉病菌平均快2.0～4.2倍。此外，部分木霉菌對除草劑、殺蟲劑、殺菌劑等多種化合物有天然抗性，并且能夠抑制部分化學(xué)農(nóng)藥和其他生物有毒代謝產(chǎn)物[16]，這利于木霉菌在農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境中的應(yīng)用。

2.2 木霉菌的重寄生作用

重寄生作用是木霉菌生物防治中重要機制之一。Elady等[17]研究發(fā)現(xiàn)，木霉菌與寄主真菌間的?；P(guān)系主要由寄主細(xì)胞表面外源凝集素決定；韓勇軍[18]觀察到木霉菌絲在禾谷鐮孢菌上通過緊貼、纏繞、穿插等方式寄生，使禾谷鐮孢菌菌絲變形，最終消亡；康彥平等[19]在光學(xué)顯微鏡下觀察到木霉菌株TM能夠侵入核盤菌菌絲內(nèi)部，依附、纏繞在病原菌菌絲上，最終使核盤菌菌絲體斷裂，直至解體。

2.3 木霉菌的抗生作用

抗生作用主要是指木霉菌通過分泌拮抗性物質(zhì)來抑制植物病原菌的生長。木霉菌可產(chǎn)生上百種抗菌次生代謝產(chǎn)物，包括木霉素、膠霉素、綠木霉素、抗菌肽等[20]。這些次生代謝產(chǎn)物能夠起到抗菌、促進(jìn)植物生長的作用，可為農(nóng)用抗生素的開發(fā)提供豐富的材料。陳凱等[21]研究發(fā)現(xiàn)，綠色木霉LTR-2的代謝產(chǎn)物對尖孢鐮刀菌萎蔫?；途哂忻黠@的抑制作用，抑制率可達(dá)54.81%；陳志敏等[22]研究發(fā)現(xiàn)，綠色木霉菌TG050 609分泌的具有揮發(fā)性的次生代謝物質(zhì)可以使煙草疫霉的菌絲不規(guī)則生長、破碎甚至溶解，證明了木霉菌對煙草疫霉具有抗生作用。此外，多數(shù)木霉菌株能產(chǎn)生具有抑菌活性物質(zhì)——抗菌肽(peptaibols)，它能抑制多種植物病原菌，還可與細(xì)胞壁降解酶協(xié)同作用于病原真菌，有效抑制其生長。有研究表明，部分木霉菌能夠產(chǎn)生揮發(fā)性代謝物質(zhì)，不同程度抑制了病菌菌落生長，有的抑菌率可以達(dá)到80%以上[23]。

2.4 木霉菌的誘導(dǎo)抗性作用

木霉菌誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性主要體現(xiàn)為2方面：一是通過調(diào)節(jié)激發(fā)子或效應(yīng)因子達(dá)到調(diào)節(jié)植物抗病反應(yīng)的作用；二是通過木霉菌產(chǎn)生的細(xì)胞壁降解酶，讓細(xì)胞壁釋放具有誘導(dǎo)植物抗性作用的寡糖類物質(zhì)[24]。目前，木霉菌已有10余種誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性的激發(fā)子，包括Sm1、QID74疏水蛋白、幾丁質(zhì)降解酶、MRSP1、木聚糖酶、纖維素酶、內(nèi)切多聚半乳糖醛酸酶、蔗糖酶、抗菌肽等[25]，這些物質(zhì)主要是來自5個木霉菌種：棘孢木霉、綠木霉、綠色木霉、深綠木霉和哈茨木霉[26]。張婷[27]研究發(fā)現(xiàn)，用木霉菌包衣處理后的玉米種子的POD、PAL活性顯著增加，并且植株對玉米彎孢菌葉斑病具有抗性。

2.5 木霉菌的協(xié)同拮抗作用

木霉菌的拮抗作用常被認(rèn)為是2種以上的機制同時或順序作用的結(jié)果?；诙鄼C制性，木霉菌具有協(xié)同增效能力。牛芳勝[28]研究發(fā)現(xiàn)，哈茨木霉菌與殺菌劑協(xié)同使用能夠有效抑制番茄灰霉病，且抑制率大于兩者單獨使用；張婧迪等[29]研究發(fā)現(xiàn)，深綠木霉菌CCTCC-SWB0 199發(fā)酵代謝物與蕓苔素內(nèi)酯根據(jù)一定比例復(fù)配，在防治番茄灰霉病的效果上高于二者單獨施用；谷祖敏等[30]研究發(fā)現(xiàn)，木霉菌對植物病原菌的生物防治作用往往是多種機制共同作用的結(jié)果，不同菌株的生防機制側(cè)重不同。

2.6 木霉菌的促生作用

木霉菌對植物有促生作用，能夠產(chǎn)生促進(jìn)植物生長的物質(zhì)、提高土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的溶解性、改善植物根際微生態(tài)，從而促進(jìn)植物吸收與生長。趙玳琳等[31]研究發(fā)現(xiàn)，通過盆栽促生試驗，生防木霉菌GYXM-1p1菌株對甘藍(lán)具有較強的促生作用；經(jīng)該菌株處理后，甘藍(lán)植株的根長、株高、根鮮重與干重、植株總鮮重與總干重較清水對照相比，均有顯著提高(P<0.05)，植株總鮮重和總干重分別較清水對照增加417.60%和762.69%。陳業(yè)雯[32]研究發(fā)現(xiàn)，氮肥配施木霉菌對甜瓜品質(zhì)建成有促進(jìn)作用，配施木霉菌后，甜瓜果實可溶性糖增加顯著，提高了甜瓜的品質(zhì)。

3 木霉菌在植物病害生物防治中的應(yīng)用

早在1932年，Weindling[33]首次觀察到木素木霉(Trichodermalignorum)的菌絲纏繞著立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)的菌絲，使立枯絲核菌菌絲原生質(zhì)凝結(jié)，細(xì)胞液泡消失，最終導(dǎo)致立枯絲核菌解體，證明木霉產(chǎn)生了胞外干擾物質(zhì)，有效抑制了立枯絲核菌的生長。接著便出現(xiàn)了大量利用木霉菌防治植物病害的研究成果。根據(jù)現(xiàn)有資料顯示，木霉菌至少對18個屬 29 種植物病原真菌具有拮抗作用[34]。木霉菌對多種植物病原真菌均有防治效果，如立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)[32]、尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)[35]、核盤菌(Sclerotiniasclerotiorum)[36]、葡萄孢屬真菌(Botrytis spp.)[37]等。此外，木霉菌對植物病原線蟲與植物病原細(xì)菌都具有防治作用。目前，木霉菌已普遍用于棉花黃萎病、作物灰霉病、番茄灰霉病、瓜類枯萎病、馬鈴薯干腐病、煙草根腐病等植物病害的生物防治[38]。在園林植物中，木霉菌對櫻花白粉病、楊樹爛皮病、楊樹葉枯病等多種病菌有明顯的抑制作用[39]。此外，在藥用植物方面，木霉菌對川穹、人參等的病害也具有良好的防治效果[40]。

目前，木霉菌在植物病害生物防治領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的應(yīng)用價值與潛力，世界各地都有利用木霉菌防治植物病害的研究報道。景芳等[41]研究發(fā)現(xiàn)，長枝木霉T6生防菌劑對辣椒立枯病有良好的防治作用，能夠有效控制辣椒病害的蔓延，防效高達(dá)54.8%，比化學(xué)農(nóng)藥多菌靈的防效提高了12.5%；姚彥坡[42]研究表明，哈茨木霉菌對辣椒和馬鈴薯疫病具有良好的防治效果，不僅可以抑制土壤中疫病的生長,減少病原菌的種群數(shù)量，還能有效降低植物死苗率和病情指數(shù)；楊榕等[43]研究發(fā)現(xiàn)，接種木霉菌MF-2的黃瓜幼苗植株地上部生物量提高了39.07%，促生作用顯著，并提高了土壤有益微生物的數(shù)量；孟慶果等[44]使用50倍棘孢木霉菌制劑液來防治蘋果腐爛病，防治效果達(dá)到88.24%，明顯高于噻霉酮對蘋果的防治效果；葉乃瑋等[45]研究發(fā)現(xiàn)，不同木霉菌株對香蕉枯萎病菌具有不同程度拮抗作用，組合木霉菌可濕性粉劑處理顯著提高了香蕉產(chǎn)量；李琳[46]研究表明，棘孢木霉菌對不同病原菌具有不同的作用效果，其中對玉米大斑病病菌的抑制效果較佳，高達(dá)77.91%，其次是腐霉菌和鐮刀菌，抑制效果最差的是玉米紋枯病病菌。將木霉菌用于植物病蟲害的防治，既能抑制病原菌的生長，有利于植物生長，又能減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

4 木霉菌商業(yè)化制劑及開發(fā)應(yīng)用

迄今為止，以木霉菌為基礎(chǔ)的制劑已呈現(xiàn)全球商業(yè)化趨勢。據(jù)統(tǒng)計，木霉生防制劑在防治植物病害的真菌生防制劑中占60%以上[47]，并廣泛應(yīng)用于種子處理、土壤處理、葉片噴施等方面[48]。據(jù)調(diào)查顯示，含木霉菌的生物防治產(chǎn)品近年來在全球呈指數(shù)增長，目前全球已有超過250多種木霉菌商業(yè)化制劑登記上市。木霉菌劑主要分布的區(qū)域包括亞洲、非洲、歐洲、美洲、大洋洲[49]。印度作為木霉菌劑分布最多的國家，占有90%的亞洲市場份額。目前，木霉生物菌劑在我國應(yīng)用日益廣泛，主要為木霉菌D9、綠色木霉LTR-2、哈茨木霉SH2303、哈茨木霉SQR-T-037等用于土壤改良與植物病害防治。

隨著生防技術(shù)日益成熟，木霉菌商品化制劑種類也趨于多樣。主要可分為四類：(1)可濕性粉劑，由分生孢子粉、粉狀載體與濕潤劑混合而成。(2)顆粒劑，由分生孢子與載體混合攪拌而成。(3)混配劑，由孢子粉與化學(xué)殺菌劑在適宜載體上按比例混合而成。(4)懸乳劑，由分生孢子懸浮在植物油、礦物油、乳化劑等組成的乳液中配制而成。目前市場上的木霉菌生物制劑中，哈茨木霉(T.harzianum)最多，其次是綠色木霉(T.viride)和康寧木霉(T.koningii)。在植物病害防治上應(yīng)用較廣泛的木霉菌劑主要包括哈茨木霉T-39的商品化制劑Trichodex?(Makhteshim Chemical Works Ltd，以色列)、哈茨木霉T-22的商品制劑RootShield?(Bioworks，美國)、哈茨木霉和多孢木霉(T.polysporum)混合菌劑Binab TF(Binab Bio Innovation AB，瑞典)、深綠木霉T.atroviride菌劑Sentinel?(Novozymes，丹麥)，以及哈茨木霉菌劑Supresivit(Borregaard Bioplant，丹麥)等。這些木霉菌劑在植物病害防治中取得了良好的防治效果和增產(chǎn)作用。

5 生物防治的前景與展望

我國作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要作用。隨著農(nóng)耕模式的變革及全球溫室化的影響，植物病害日益嚴(yán)重。目前植物病害防治以化學(xué)防治為主，通過噴灑殺蟲劑、殺菌劑等方式進(jìn)行防治。盡管化學(xué)防治效果良好，有助于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，但是人們不科學(xué)使用化學(xué)農(nóng)藥造成人類生存的環(huán)境嚴(yán)重污染，并且引起病原物抗藥性增強。大量的實驗證明，木霉菌具有良好的生物防治作用，能夠減少化學(xué)農(nóng)藥的使用。市面上的木霉菌生物防治劑依舊不多，需尋求更多、更有效適合生產(chǎn)的菌株加入生物防治的隊伍中。盡管木霉菌在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中有著巨大的發(fā)展前景，但在木霉菌的開發(fā)利用過程中依舊存在一些問題。由于木霉菌的孢子制劑一般為活菌制劑，在田間應(yīng)用時經(jīng)常受到濕度、溫度、土壤酸堿、土壤中微生物群落等各種自然因素影響，因此，田間試驗性狀表現(xiàn)不穩(wěn)定，生物防治效果會減弱。此外，生物防治制劑的貨架期較短，有些菌劑需在低溫保存條件下才能保證其施用時的活菌濃度。

木霉在植物病害生物防治的應(yīng)用中依舊有很多問題有待解決。首先是發(fā)掘生產(chǎn)高效菌株，可以通過基因工程技術(shù)篩選出耐化學(xué)農(nóng)藥、耐低溫的生防工程菌株；同時要研制開發(fā)適合于多種施用方法的高效木霉菌劑，增強防治效果，并且要提高木霉菌劑加工技術(shù)，延長生物防治菌劑的貨架期。其次，還需探究木霉菌與其他微生物的聯(lián)合作用。另外，我國許多農(nóng)民對過量使用化肥農(nóng)藥的危害了解甚少，對生物防治菌劑的認(rèn)可度普遍不高，因此，提高農(nóng)民環(huán)保意識，有利于促進(jìn)生物防治應(yīng)用的示范推廣。