小麥赤霉病生防機制研究進展

周晴晴，路艷琴，陸景倩，李松偉

(河南科技學院資源與環境學院/河南省生物藥肥研發與協同應用工程中心，河南新鄉 453003)

隨著社會發展變革，農業規?；蜋C械化生產趨勢無法逆轉，在發展的同時，農田生態環境遭到破壞，伴隨著全球變暖，小麥赤霉病未來將會更加流行。作為世界范圍內重要谷物類病害之一，小麥赤霉病不僅能造成嚴重的經濟損失，其病原菌產生的毒素也嚴重危害了人類和牲畜的健康。為了降低小麥赤霉病的發生和危害，全球學者都在努力尋求防治小麥赤霉病的最佳策略。在綠色農業的大背景下，通過對比分析各種小麥赤霉病的防治方法，發現利用微生物及其代謝產物進行的生物防治是綠色健康且順應時代發展趨勢的重要方法之一。因此，本文主要對小麥赤霉病的生物防治方法進行介紹和歸納，重點總結生物防治中的競爭、拮抗、誘導植物抗性以及溶菌寄生等生防機制，以期為小麥赤霉病生物防治提供參考。

1 小麥赤霉病

小麥赤霉病是小麥真菌性病害之一，由禾谷鐮刀菌、燕麥鐮刀菌、串珠鐮刀菌和黃色鐮刀菌等多種鐮刀菌引起，其中禾谷鐮刀菌為我國主要的致病鐮刀菌[1-2]。禾谷鐮刀菌在侵染小麥時，會產生玉米赤霉烯酮(ZEN)和單端孢霉烯族化合物2類毒素。單端孢霉烯族化合物包括T-2毒素[3]、蛇形毒[4]、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)[5]、雪腐鐮刀菌烯醇[6]、鐮刀菌烯酮-X、疣孢漆斑霉素和桿孢霉素[7]。ZEN可使人的免疫系統發生紊亂，毒素攝入過量時還會提高人類患癌癥的概率[8]。DON可使人和動物出現惡心、免疫系統紊亂等現象，嚴重時致畸致癌[9]。小麥赤霉病的發生導致我國各地小麥種植區都遭受了不同程度的損害。近幾年，我國小麥主產區小麥赤霉病的危害面積近20%，對我國糧食生產安全造成了嚴重威脅[10]。由于氣候變暖以及耕作制度的改變，小麥赤霉病的發生頻率和危害程度逐步增加，已經成為我國小麥生產上的主要病害之一。由于赤霉病病菌自身生長速度快且擁有多種脅迫應答機制，同時，隨著化學農藥的使用，其抗逆性也隨之增強，在這種情況下，赤霉病病菌的生存能力和競爭力逐漸增強[11]。因此，選擇綠色、健康的防治策略顯得尤為緊迫。

1.1 防治方法

防治小麥赤霉病主要有農業防治、抗病育種、化學防治和生物防治等方法[12]。農業防治可以通過輪作免耕等基礎措施改變，但在我國耕地面積緊張的整體背景下，輪作免耕等方式存在現實困難；抗病育種可以提高作物抗性，改良小麥抗性品種是國內外研究的重點，但在推進上有一定困難。一方面缺乏優質種質資源和關鍵的抗性基因，且赤霉病病菌具有多基因侵染性，抗性評價較為困難[13]。同時，部分抗性基因具有不確定的變異性，此外，作物品系中眾多的小效抗性數量性狀位點不能有效組合，這些因素都阻礙著抗小麥赤霉病品種的育種進展。另一方面，通過常規育種來培育新的品種需要約10年的時間，改良品種投放市場的緊迫性無法得到及時緩解，不能及時應對小麥赤霉病的發展和危害[14]。因此，需要不斷地更新育種技術，如基因組選擇、標記輔助選擇和標記輔助重復選擇等，來加快傳統育種進程[15-18]。而小麥赤霉病化學防治也存在一定的健康和環境問題，且過度使用化學藥劑會導致病菌對殺菌劑科生耐藥性。因此，學者們一直致力于尋找能夠代替化學防治的方法。

1.2 生物防治

生物防治廣義上是指利用活體生物來抑制其他不良生物生長和增殖的方法[19-20]。這些生物體，特別是微生物，可以通過抑制、控制或減少病原體及其代謝產物來干擾病原體的存活或活性，這些微生物稱為生防制劑[19，21]。生防制劑有很多種，包括細菌生防制劑，如芽孢桿菌、假單胞菌、放線菌等；以及真菌生物防制劑，如粉紅黏帚霉和球孢子菌等[22-28]。生防制劑能抑制小麥赤霉病病菌的生長，不僅能降低真菌毒素含量，還能夠在種子周圍形成保護膜進而保護種子免受病原菌侵染[29-30]，在保護小麥的同時，還能夠促進其生長[31-34]。生防制劑被認為比現有化學殺菌劑更自然、更環保，是化學殺菌劑理想的替代品，越來越多的生防菌株被發掘用作生防制劑來防治小麥赤霉病(表1)。

表1 生防菌種類、特征及其作用機制

2 作用機制

微生物被廣泛地應用于生物防治，人們利用微生物間的作用關系來抑制植物病害的發生和危害，這些作用關系包括直接相互作用、混合途徑相互作用和間接相互作用等。其中直接相互作用分為重寄生或過寄生；混合途徑相互作用包含分泌抗生素或裂解酶；間接相互作用有營養、空間的競爭和誘導抗性的產生等[19]。根據微生物間的相互作用關系可知，微生物生防機制包括競爭、拮抗、誘導抗性的產生、促進植株生長及溶菌、寄生等幾種形式。

2.1 競爭作用

競爭是指微生物間通過競爭營養和生存空間，利于自身生長而不利于對方生長的防治機制[35]。長久以來，競爭營養和空間被認為是生物防治中的經典機制[36]。拮抗菌在與病原菌通過生態物理爭奪，競爭位點與營養，具生防能力的微生物會優先吸收利用根系分泌物和根際營養，從而遏制病原菌在植物根系的繁殖和生存[37]。如Armando等從動物消化系統中分離得到的釀酒酵母，其可與禾谷鐮刀菌競爭營養和空間，進而抑制其生長[38]。Schisler等從小麥花藥中分離的隱球酵母可與病原菌競爭營養和空間，在溫室和田間防治赤霉病中發揮作用[39]。解淀粉芽孢桿菌通過搶占結合位點來有效地干擾赤霉病病菌在小麥上定殖和侵染，進而對小麥赤霉病具有防治作用[40]。

2.2 拮抗作用

拮抗是指一種微生物產生的代謝產物，對另一種微生物生長繁殖具有抑制作用[35]，其產生的代謝產物被稱為抗菌物質?？咕镔|通過作用于病原菌細胞上靶標來達到干擾其正常生理代謝活動，抑制或殺死病原菌的目的[41]。這些抗菌物質主要有毒素、溶菌酶或蛋白酶(如果膠酶、葡聚糖甘酶、幾丁質酶等)、缺陷型噬菌體、抗生素、細菌素或細菌類似物，以及初始代謝途徑中的副產物和其他次生代謝產物，如氨類、有機酸、過氧化氫等[42]。程超發現產酶溶桿菌產生的抗菌活性物質熱穩定性抗真菌因子(HSAF)，可通過多種方式防治小麥赤霉病，HSAF可影響菌絲、芽管的形態以及孢子萌發點來破壞病原菌的生長；小麥赤霉病病菌的能量代謝途徑也受HSAF影響，HSAF也能夠造成小麥赤霉病病菌細胞質壁分離，細胞內陷以及脂肪體增多；同時由于HSAF的存在，使小麥赤霉病病菌應對環境脅迫的能力降低，對滲透脅迫因子、細胞膜脅迫因子，細胞壁脅迫因子等更為敏感[43]。

抗生素和抗菌蛋白是生防菌代謝產生的主要抗菌物質之一。其中抗生素包括吩嗪羧酸、雙乙酰藤黃酚、吩嗪酰胺、吡咯菌素和丁酰內酯等[44-47]，抗菌蛋白主要有非核糖體小肽、伊枯草菌素、芬薺素、表面活性肽、制磷脂菌素等[48]。

2.2.1 吩嗪類化合物 Hu等在研究小麥赤霉病的生物防治對策中，篩選出假單胞菌抗菌生防制劑Pcho10，根據核磁共振鑒定出Pcho10產生的主要抗菌代謝物為吩嗪-1-甲酰胺(PCN)，吩嗪-1-甲酰胺對禾谷鐮刀菌孢子萌發、菌絲生長和DON的產生都具有明顯的抑制作用；室內和田間試驗表明，假單胞菌Pcho10制劑在小麥穗部有良好的定殖效果，能有效地防治小麥赤霉病[49]。楊楠在小麥病穗上，分離得到1株對禾谷鐮刀菌具有抑制效果的綠針假單胞菌，該生防菌能夠產生吩嗪-1-甲酰胺，PCN可降低禾谷鐮刀菌菌絲的生長速率，干擾菌絲正常形態形成，同時也可以嚴重破壞禾谷鐮刀菌的細胞結構[50]。李宇等在黑龍江漠河泥土中分離得到1株放線菌，對該菌株發酵并對發酵產物進行分離鑒定，得到對小麥赤霉病有抑制效果的新吩嗪生物堿類化合物，將其命名為izuminoside D[51]。

2.2.2 脂肽類化合物 豐原素、伊枯草菌素是芽孢桿菌產生的2種脂肽類化合物，二者對小麥赤霉病都具有抑制效果的。豐原素可通過改變病菌的理化性質，對小麥赤霉病起到抑制作用。Wang等在試驗中獲得對禾谷鐮孢菌具有抑制作用的枯草芽孢桿菌菌株IB，并從發酵液中分離純化出主要的抑菌物質。經分析確定該抑菌物質為豐原素，它對禾谷鐮刀菌菌絲具有滲透破壞作用[52]。伊枯草菌素通過改變病菌的結構，發揮對小麥赤霉病的抑制作用。Gong等從田間小麥病穗中分離得到可產生伊枯草菌素的解淀粉芽孢桿菌S76-3。伊枯草菌素對小麥赤霉病病菌有較強的抗菌活性，伊枯草菌素通過引起孢子形態變化，使質膜與細胞壁分離，最終導致細胞內容物失活，引起液泡化，從而起到對小麥赤霉病病菌的抑制作用[53]。

除豐原素和伊枯草菌素外，還有其他脂肽類化合物，在防治小麥赤霉病發生上發揮作用。多黏類芽孢桿菌產生的鄰苯二甲酸二丁酯對禾谷鐮刀菌菌絲生長和孢子萌發具有明顯的抑制作用，其可使病菌的芽管長度變短甚至不形成芽管，還可使病菌的孢子球變小變形，進而抑制赤霉病病菌孢子的萌發，進而發揮抑制作用[54]。在Roberti等的研究中，環二肽類化合物可有效抑制赤霉病的蔓延，試驗發現環-(L-苯丙氨酸-L-脯氨酸)可使禾谷鐮刀菌的孢子發生膨大、裂解等現象，將從解淀粉芽孢桿菌中提取的環-(L-苯丙氨酸-L-脯氨酸)噴灑在處于揚花期并已接種禾谷鐮刀菌的小麥穗上，與對照組相比，試驗組小麥并未呈現枯黃、腐敗等赤霉病癥狀[32]。

2.2.3 醌類化合物 醌類化合物主要包括蒽醌、菲醌、萘醌和苯醌等，具有抗菌活性，被廣泛應用于農藥領域[55-56]。田月娥等研究醌類化合物對菌絲生長速度的影響，發現茜素和菲醌對小麥赤霉病病菌表現出較好的抑菌效果[57]。吡喃醌類化合物可通過調節基因表達情況來防治小麥赤霉病。其中，吡喃萘醌類Frenolicin B會嚴重干擾禾谷鐮刀菌脂肪酸羥化酶基因的表達，破壞禾谷鐮刀菌的細胞質膜結構。同時酸性磷酸酶、堿性磷酸酶以及磷酸滲透酶相關基因的表達也受到抑制，對禾谷鐮刀菌的能量代謝和信號轉導也產生影響。Frenolicin B干擾禾谷鐮刀菌與核苷酸代謝相關基因的表達，從而抑制核苷磷酸、核苷酸、核堿基和細胞氨基酸等多種代謝途徑，且與防御作用相關的短鏈脫氫酶基因和起解毒作用的谷胱甘肽S-轉移酶基因顯著上調，表明Frenolicin B能對禾谷鐮刀菌產生應激反應[58]。

2.2.4 抗菌蛋白 由解淀粉芽孢桿菌產生的含 α-氨基酸糖蛋白可破壞禾谷鐮刀菌細胞壁；同時，其對N-乙酰葡萄糖胺的分解合成以及體內可溶性蛋白合成也具有一定的抑制作用，影響禾谷鐮刀菌能量和蛋白合成代謝途徑，造成菌體吸收還原糖的能力減弱，進而抑制菌絲生長和孢子萌發[59]。劉悅等的研究表明，由枯草芽孢桿菌產生的水溶性拮抗蛋白對小麥赤霉病病菌菌絲生長和孢子萌發都有顯著抑制作用，該拮抗蛋白可阻止孢子萌發，造成菌絲體畸形，室內實驗結果表明當其濃度達 3.23 mg/mL 時，對小麥赤霉病病菌的拮抗帶可寬達18 mm[35]。陸長嬰等分離得到對小麥赤霉病具有拮抗作用的抗菌蛋白N1235，通過馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基含藥膜片法測定可知發酵液抗菌蛋白N1235可造成小麥赤霉病病菌孢子芽管頂端膨大及菌絲體異常粗短的畸形現象[60]。裴韜等從枯草芽孢桿菌中分離出耐高溫、穩定性強的抗菌蛋白P72，發現該蛋白能夠抑制禾谷鐮刀菌生長[61]。

2.3 誘導植物產生抗性作用

誘導植物產生抗性是指用物理、化學或生物方法誘導植物系統產生抗性。一些生防菌本身或其代謝組分可誘導植物對病原菌產生抗性，激活植物體內的病害防御系統。誘導植物病程相關蛋白(PR)積累、植保素以及其他次生代謝物質合成、水解酶和氧化酶產生等，在宿主細胞上主要表現為細胞壁增厚形成乳突、細胞壁中木質素含量增加、細胞壁機械強度增強等[62-63]。

植物防御反應中的3種信號通路主要包含水楊酸通路(SA)、茉莉酸通路(JA)和乙烯通路(ET)。生防菌利用這些信號通路來誘導植物應對病原菌侵染的抗性[64]，其中，PR與SA信號途徑相關，丙二烯氧化物合酶(AOS)與JA信號途徑相關，1-氨基環丙烷羧酸(ACC)氧化酶(ACOL)、S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶(SAM)和轉錄因子(ERF)與ET信號途徑相關[65]。徐莉等從杜仲葉片組織中分離得到拮抗枯草芽孢桿菌DZSG23，通過SA、JA和ET通路相關基因PR-1、AOS、ACOL、ERF和SAM進行熒光定量試驗監測，結果表明拮抗菌DZSG23可激活PR-1和AOS基因表達，增強小麥對病原菌的抗性，可以用作防治小麥赤霉病[66]。植物免疫抗性不但由生防菌菌體誘導產生，同時生防菌組分或代謝物也能激發植物獲得免疫抗性，植物體內防御性酶類和病程相關蛋白是誘導植物抗性的主要途徑[67]。Jochum等發現小麥在產酶溶桿菌C3誘導下產生赤霉病抗性，用于防治小麥赤霉病[68]。Gong等的研究表明，熒光假單胞菌可以誘導小麥過氧化物酶表達，誘導小麥抗性來抵御禾谷鐮刀菌侵染[53]。

2.4 溶菌和寄生作用

溶菌和寄生作用也是利用微生物防治小麥赤霉病的重要機制。生防菌利用其產生且對自身無破壞性的酶或生防物質來發揮溶菌作用，具有極大的開發利用價值[69]?？莶菅挎邨U菌的溶菌作用主要體現在2個方面：一方面通過吸附在病原菌菌絲上與其共同生長，隨后產生的溶菌物質會使病原菌原生質泄露乃至菌絲體斷裂；另一方面產生抗菌物質使病原菌孢子的細胞壁或細胞膜溶解，使細胞壁穿孔、畸形，使孢子的萌發受到抑制[70]。高學文等對枯草芽孢桿菌產生的胞外物質進行分離純化，得到使小麥赤霉病病菌分生孢子發生畸形的抗菌物質，從而抑制小麥赤霉病的發生[71]。寄生作用也是利用微生物防治小麥赤霉病的重要機制。寄生是指一種微生物在另一種微生物體內生活，并從中攝取生長繁殖所需的營養物質，同時給對方造成一定危害的防治機制[35]。球形孢子菌為禾谷鐮刀菌的特異性寄生菌[27]，適用于小麥前期保護，防護小麥花和種子免受病原菌侵染，對小麥赤霉病發病初期具有防治效果[72]。Vujanovic等的研究表明，球形孢子菌還可誘導赤霉病病菌中單端孢子烯和金絲桃素基因的下調表達，降解脫氧雪腐鐮刀菌烯醇、3-乙?；撗跹└牭毒┐肌⒁阴；撗跹└牭毒┐己陀衩壮嗝瓜┩日婢舅豙73-78]。木霉也可產生水解酶破壞病原菌細胞壁，進而通過寄生作用抑制病原菌的生長。Lutz等從環境中分離得到深綠木霉通過寄生作用抑制小麥葉片原位鐮刀菌，從而抑制小麥赤霉病[79]。Mukherjee等通過篩選得到了對禾谷鐮刀菌具有抑制效果的哈茨木霉，哈茨木霉寄生到病原菌后，可分泌溶解細胞壁的幾丁質酶和纖維素酶，然后吸收利用病原菌細胞中的營養，最終導致禾谷鐮刀菌死亡[80]。

2.5 其他機制

Chen等在研究小麥穗部假單胞菌和鐮刀菌相互作用時，獲得1株對小麥赤霉病具有高拮抗活性的假單胞菌ZJU60；FgGcn5是 spt-ada-gcn5-乙?；D移酶復合物的組蛋白乙酰轉移酶，而假單胞桿菌ZJU60分泌的吩嗪-1-羧酰胺會直接影響真菌蛋白 FgGcn5活性，致使禾谷鐮刀菌組蛋白乙?；д{，抑制真菌生長和毒素合成，可知，該拮抗菌可操縱真菌組蛋白修飾來抑制病原菌的生長和毒力[81]?？傊?，生防菌不僅單個機制在發揮作用，許多生防機制間也相互協作增強生防活性。生物防治赤霉病的策略也被靈活地應用于小麥生長發育的各個時期，防治小麥赤霉病的發生和危害。

3 防治策略

小麥萌發期、揚花期和蠟熟期是感染赤霉病的高發期。不同時期造成被侵染的原因各不相同，種子萌發期，主要是殘留在土壤中的病原菌；開花期與蠟熟期，則是彌散在空氣與雨水中的孢子。所以，根據不同時期的侵染特點，應選取多種生防菌進行防治。用生防菌處理萌發期小麥以破壞病原菌的生存條件來保護植株生長。根據病原菌在作物殘茬上形成子囊孢子越冬習性，宜盡早選用營腐生拮抗菌處理作物殘茬，破壞病原菌生長所需要的營養和空間，如Microsphaeropsissp.[82]和粉紅螺旋聚孢霉[83]或鏈霉菌BRC87B等[84-85]。同時，部分拮抗菌具有促進種子萌發和植物生長的作用，通過定殖于植物組織，與病原菌競爭取得優勢地位，增強植株抗性[86-88]；揚花期利用生防菌影響禾谷鐮刀菌在小麥上定殖和毒素積累[89-90]。有試驗對比表明，經過乳桿菌SLG17和解淀粉芽孢桿菌FLN13處理后的小麥，揚花期赤霉病的發病率明顯降低至49.6%[91]；入庫期，當環境適宜時，已感染病菌的小麥仍能持續積累毒素，因此，在入庫前要用生防菌處理小麥，形成對小麥全生育期的有效保護。

4 總結與展望

赤霉病嚴重損害了小麥的產量和品質，除影響小麥生長外，其病原菌產生的毒素也對人和動物產生極大危害。為減輕并消除小麥赤霉病帶來的嚴重影響，人們積極采取化學防治和抗病育種等多種防治策略，化學防治雖見效快，效果好，但隨著用藥量和用藥次數的增多，環境問題和抗藥性問題也隨之而來；抗病育種因耗時長、培育費用高而并未得到廣泛使用。受環保理念和消費觀念影響，人們逐步認識到生物防治是防治小麥赤霉病不可缺少的途徑之一。

在小麥整個生育期，使用生防菌能夠有效地抑制赤霉病的發生。生防菌在配合化學制劑達到高效殺菌效果的同時，還能降低病原菌產生抗藥性的風險；且部分生防菌分離自小麥內部，其具有對植株本身無害且適應性強的特點，更易于定殖于小麥特定組織中。隨著生物防治研究的深入，國內外學者總結出多種以生防菌應對小麥赤霉病的生防機制。其一，生防菌通過與病原菌競爭營養和空間來遏制病原菌的繁殖和生長；其二，一些生防菌利用自身分泌的抗菌活性物質來抑制病原菌的生長和擴繁；其三，有的生防菌還可通過分泌溶菌物質或寄生在病原菌上來殺死病原菌；其四，生防菌還可以通過激活植物自身防御系統來增強其對病原菌的抗性。

未來關于小麥赤霉病的研究仍待深入，其生防研究方法將繼續推進，雖然現在關于生防菌拮抗機制的研究已存在大量相關文獻，但對誘導植物抗性及其他潛在作用機制仍需要進一步研究。通過完善小麥赤霉病生物防治機制，以更有效全面的方式抑制小麥赤霉病發生和發展，多種防治策略協同發揮作用，才能更好利用生防菌來防治小麥赤霉病。