根际微生物防治土传病害研究进展

魏 蕾

（北京市农林科学院，北京 100097）

根际，是微生物生存的主要区域之一，也是植物根系与土壤进行能量交换的重要场所，被认为是世界上最活跃的界面之一[1]。早在20世纪初，就有德国学者首次提出了根际一词[2]，至2019年，德国哥廷根大学的学者Kuzyakov[3]将其精确定义为距根系0.5～4.0 mm宽的区域。根际土壤中的微生物种类众多，有些会对植株生长造成不利影响，甚至引发植株发生土传病害，包括病原真菌、细菌、线虫等；而也有另一些根际微生物发挥着积极的作用，可促进土壤养分循环并抑制有害病原菌的繁殖，如芽孢杆菌、假单胞菌等细菌，木霉菌、酵母菌等真菌，链霉菌等放线菌。近年来，根际土壤微生物在土传病害防治的研究中成为热点，受到众多学者的关注，其在土传病害防控中的作用也得到相关研究的证实：日本学者Lee等[4]将对青枯病不同抗性的番茄品种的根际微生物进行互换，验证了抗病植株根际存在能够帮助植物抵抗番茄青枯病病原菌的有益微生物；伊斯兰大学学者Islam等[5]证实黄瓜植株根际存在的铜绿假单胞杆菌（Pseudomonas aeruginosa）BA5，能够有效抑制尖孢镰刀菌黄瓜专化型［Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum（F O C）］病原菌菌丝的生长，抑制率可达58.33%；我国学者潘潇涵等[6]发现哈茨木霉VT9-3r通过竞争机制和寄生机制可抑制立枯丝核菌病原，对马铃薯黑痣病防治效果显著。在病原菌耐药性逐渐增强、农业“双减”及绿色农业发展理念的大背景下，研究探讨病害防治新策略已成为农业研究的重中之重。因此，对根际微生物防治土传病害研究进展进行综述，可以为深入探索根际微生物防控土传病害的研究提供参考。

1 根际有益微生物的种类

植物根际土壤中存在着大量的微生物，有些是有益菌，有些是有害菌，还有一部分是中性菌。而在这些微生物中，只有大约有2%～5%的微生物菌群对植物的生长和健康状况有直接或间接的促进作用[7]，可以作为生防菌应用，促进植物生长。

1.1 根际真菌

土壤中的真菌种群生物量是最高的，其中的有益菌主要有木霉菌、酵母菌、淡紫拟青霉、从枝菌、毛壳菌、厚壁孢子轮枝菌、小盾壳霉。这些真菌在土传病害的生物防治中发挥着不同的作用。

1.1.1 木霉菌

木霉菌在植物根际分布广泛，主要包括哈茨木霉、棘孢木霉、长枝木霉、绿色木霉、康氏木霉、多孢木霉等[7]。由于木霉菌分离和培养容易，且对多种病原菌有拮抗作用；因此，利用木霉菌防治土传病害的研究是最多的。1932年Weindling就对木霉菌对植物病原真菌的拮抗作用进行了研究，此后木霉菌的生防效果在很多试验或生产中得到验证，王天君[8]证实，拟康宁木霉78可通过空间竞争抑制马铃薯黑痣病菌的生长，使其菌丝发生断裂、溢缩，最终导致病原菌解体死亡。Yedidia等[9]证实哈茨木霉菌株可穿透到黄瓜根部外皮层，产生一种类似诱导抗性，导致系统性获得抗性。Sridharan等[10]研究发现长枝木霉菌可直接分泌挥发性有机物质VOCs，对菜豆壳球孢（Macrophomina phaseolina）病原真菌抑菌率达到58%。

1.1.2 酵母菌

酵母菌在人们的认知里，更多的是用于食品工业里发酵面包、葡萄酒等，近年来，研究者发现了其在生物防治方面的利用价值。El-Tarabily等[11]发现了酵母不仅可以作为植物生长剂，还可以作为抑制土传真菌病害的生物菌剂。泰国曼谷卡塞萨尔大学Satianpakiranakorn等[12]学者研究发现酵母菌可用于帮助植物抵抗病原菌。我国学者尹晓燕等[13]成功从根际土壤中筛选出了可杀线虫的假丝酵母YIN9菌株，菌株作用于全齿复活线虫60 h后，线虫死亡率达100%。施俊凤等[14]也发现梅奇酵母XY201菌株能显著抑制冬枣采后病原菌的孢子萌发和菌丝伸长。由于酵母菌拥有成熟的工业化生产技术，且培养周期短、残留低，未来可作为生防药剂开发的选择。

1.1.3 淡紫拟青霉

淡紫拟青霉是一种应用较广泛的生防药剂，能有效防治土壤中的寄生线虫，其可在30多种植物上应用，如小麦、玉米、棉花、高粱等大田作物以及蔬菜、花卉、药材等。高学彪等[15]发现，淡紫拟青霉对南方根结线虫卵的寄生率达60%～70%，还能产生促进植株生长的物质。张雅静等[16]从根际土壤中筛选出对黄瓜根腐病和根结线虫病均具有良好防效的淡紫拟青霉（2018-32）拮抗菌株，防效高于同类商品菌株。近年来国内外相继利用液体、固体发酵技术工业化生产淡紫拟青霉商品制剂，用于根施、拌种或喷施，成本较低，且持效性强。有研究表明，在不重复添加菌剂的情况下，淡紫拟青霉对根结线虫的防效在2～3年后仍可达30%以上，不污染农产品和环境。

1.1.4 从枝菌根真菌（AM菌）

从枝菌根真菌（AM菌）是土壤中生物量最大的一类真菌，对促进植物生长、降低植物病害有着显著的影响。不过，直到1968年，美国学者Safir[17]才首次发现AM真菌可以减轻植物病害的现象，此后，科学家们才将研究重点从AM菌提高植物营养吸收并增加植物产量的方向转向了其与土壤致病菌的互作关系的研究上来。AM菌抑制土壤致病菌的主要种类有球囊霉属（Glomus）、类球囊霉属（Paraglomus）和巨孢囊霉属（Gigaspora），它们可以抑制病原菌对根系的侵染，减轻镰刀菌属、疫霉属、丝囊霉菌属等根部真菌引发的病害。如西球囊霉可降低根系渗透势32%，显著降低番茄南方根结线虫数量，抑制线虫早期感染[18]；地表球囊霉可抑制尖孢镰刀菌引起的黄瓜枯萎病，降低幼苗病情指数26%[19]；株状巨孢囊霉对尖孢镰刀菌引起的芦笋枯萎病效果显著，可减少植株死亡率[20]。

1.1.5 其他

此外，毛壳菌、厚壁孢子轮枝菌、小盾壳霉等真菌也是生物防治的有益真菌。毛壳霉属真菌超过400种，广泛存在于土壤、空气及植物和动物体内，其次级代谢物对某些病原菌有较好的抗性。有文献报道，毛壳菌真菌可降低由镰刀菌引起的番茄枯萎病[21]，将浸泡污染了毛壳霉菌的大米水喷洒在南瓜种子上，可以减少南瓜种子腐烂[22]。厚孢轮枝菌对南方根结线虫卵囊的孵化有较强的抑制作用, 且随孢子浓度的增加, 抑制作用逐渐加强[23]，林茂松等[24]从南方根结线虫卵囊中分离出厚壁孢子轮枝菌，并证实其有寄生南方根结线虫卵的能力，卵寄生率高达90.8%。我国第一个登记的生物杀线剂产品就是用于防治烟草根结线虫的厚孢轮枝菌，由云南微态源生物科技有限公司在2007年登记成功[25]。小盾壳霉是1947年被发现并报道的，是一种菌核寄生菌，可通过寄生作用分解核盘菌的菌丝体和菌核，对防治温室蔬菜土传病害有一定的应用价值[21]。

1.2 根际细菌

根际细菌（PGPR）可以在植物根组织内、根组织上或根组织周围生长，直接或间接促进植物生长。如假单胞菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌和大青金黄杆菌等。利用PGPR进行生物防治因环境友好的特点是很好的替代传统防治技术的方法。目前应用较多的生防细菌主要有芽孢杆菌、假单胞杆菌。

芽孢杆菌兼具防病、促生作用。目前有报道的具生防作用的芽孢杆菌有解淀粉芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、多粘类芽孢杆菌、侧孢芽孢杆菌、短小芽孢杆菌等，有些已经在防治青枯病、根腐病和枯萎病等病害上有较好的效果。有文献报道解淀粉芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌对黄瓜枯萎病菌具有较强的拮抗能力，在有效防治黄瓜枯萎病的同时，对黄瓜的生长也有促进作用[26]。张婉菊等[27]用从番茄根系分离出的芽孢杆菌菌株验证了其在黄瓜根系和根际土壤中具有良好的定殖能力，对黄瓜枯萎病的菌丝生长和孢子萌发均有显著的抑制作用，防治效果达88.89%。马荣等[28]利用高通量测序技术对北京青枯病发病地区番茄植株进行调研，发现健康植株根际存在青枯菌拮抗菌群，并获得了对青枯病有显著拮抗能力的细菌14株，包括已被用于青枯病防治的芽孢杆菌属、肠杆菌属、寡养单胞菌属、假单胞杆菌属和链霉菌属[29]。

假单胞菌通常被认为是通过分泌一种或几种抗性物质来抑制病原菌生长的，主要有荧光假单胞菌、铜绿假单胞杆菌、弗雷德里克斯堡假单胞菌。钟小燕等[30]分离到1株对香蕉枯萎病菌抑制作用很强的假单胞菌，其防治原理认为有两种途径，其一，通过抑制病原菌菌丝正常生长以至不能产孢进而导致菌丝消融；其二，通过吸附在孢子的周围溶解细胞壁，造成原生质泄漏致使孢子死亡，从而实现其生物防治的作用。假单胞杆菌防治黄瓜枯萎病的研究结果较多，如铜绿假单胞杆菌BA5可有效防治黄瓜枯萎病，对枯萎病菌菌丝抑制率达58.33%[5]；荧光假单胞杆菌也可降低黄瓜枯萎病发病率，对枯萎病菌菌丝抑制率达87.04%[31]；弗雷德里克斯堡假单胞菌33-1不仅对黄瓜有促生作用，而且对黄瓜枯萎病防效可达86.95%[32]。

1.3 根际放线菌

放线菌的种类较多，可通过产生植物激素、次级代谢产物，诱导植物系统抗性，调整根际微生物群落结构等途径抵御植物病害。从1872年被发现至今，已经报道了69个属1 687个种，在植物生物防治中的主要根际放线菌是链霉菌属，许多研究也是针对链霉菌的研究。刘燕娟等[33]从天山土样中分离到放线菌株HND39，通过16S rDNA序列分析，鉴定该菌株为微红链霉菌，其代谢产物对油菜菌核病菌、辣椒炭疽病菌等15种重要植物病菌具有明显的抑制效果。胡琴琴[34]研究表明，施用黄微绿链霉菌菌剂显著改变了西瓜幼苗根际土壤微生物群落结构，能显著降低西瓜枯萎病的发生率，促进西瓜幼苗的生长，对嫁接西瓜连作土壤和自根西瓜连作土壤上的西瓜幼苗株高、根系活力、SPAD值、冠幅面积及土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性均有不同程度的提高。李新等[35]研究表明拮抗种群数量最多的是放线菌，因此在研究放线菌拮抗效用的基础上应该更加明确其有效成分，从而开发高效的菌剂。

2 根际微生物防治土传病害机制研究

19世纪末期，国外土壤微生物学就已经出现根际微生物区系的研究，而我国直到20世纪60年代才开始关注根际微生物。根际土壤中有着复杂的微生物群落，一般认为，有益微生物可以通过竞争、拮抗、重寄生3种方式影响土传病原菌的入侵[36]，在竞争及拮抗的过程中，又可诱导植物产生系统性抗性。

2.1 竞争机制

竞争主要体现在对营养的竞争上，也体现在对生存空间的竞争上。根际土壤为微生物群提供了一个由物理、化学、生物因素共同驱动的生存环境，为了占据有限的根际生态位，获得有限的根际营养，根际微生物之间必然会产生生存的竞争。铁竞争与碳竞争是生防微生物对病原菌的重要防治机制，根际微生物对铁和碳的竞争可以驱动其对土传病原菌的控制[37]。如植物根际的生防放线菌[38]、假单胞菌[39]可以产生嗜铁素，嗜铁素是辅助微生物获取土壤中三价铁离子的重要物质，有了嗜铁素的加持，生防放线菌和假单胞细菌可以更好地吸收土壤中的铁离子，在与病原菌竞争土壤中的稀缺铁元素中胜出，导致病原菌因缺铁而无法正常生长繁殖，实现控制植物病害的目的。Borrero等[40]研究发现，根际微生物通过竞争碳源抑制病原菌的生长，当碳源消耗率高时，番茄青枯病发病率明显降低。显而易见的，有益微生物在营养争夺中取得胜利后，必然成为根际优势种群，占据根际有限的生态位，极大地减少病原菌的生存空间。此外，黎起秦等[41]研究发现，枯草芽孢杆菌还可以在番茄维管束中定殖，有效地防治番茄青枯病。

2.2 拮抗机制

根际微生物对营养物质的竞争，通常会触发拮抗物质的产生，限制病原菌的毒力，从而进一步击退病原体。根际微生物产生的拮抗物质主要是抗性次级代谢产物、可溶性酶等[36]。

抗性菌产生的次级代谢产物可通过破坏细胞膜通透性、干扰蛋白质合成以及诱导植物产生抗性等机制对致病菌产生抑制[42]，主要有生物碱类、脂肽类、大环内酯类和萜类等物质，不同的化合物成分对目标致病菌的作用效果不同，如解淀粉芽孢杆菌可分泌酮类化合物，对欧文氏菌有很好的防治效果[43]；假单胞菌是最先被证明可以产生吩嗪类化合物的菌株[44]，对炭疽病有较好防效。乔欣蕾等[45]从枯草芽胞杆菌菌株Z-5中分离出脂肽抗生素类的C14伊枯草菌素A、C15伊枯草菌素A和C14-C18芬芥素A，可以抑制尖孢镰刀菌的活性组分。武志华等[46]从包头地区土壤中分离出橙色粘球菌（Myxococcus fulvus），其拮抗次生代谢物主要是N-（3-氨基-2-羟丙基）-N-甲基硫酸二酰胺与甲基（2R）-2-叠氮基-3-羟基-2-甲基丙酸酯，可明显抑制马铃薯晚疫病的发生。Cha等[47]发现，链霉菌可产生一种硫肽康普霉素，通过抑制镰刀菌细胞壁生物合成来抑制草莓枯萎病害。Lee等[48]从铜绿假单胞菌中纯化得到吩嗪-1-羧酸，对辣椒疫病和黄瓜炭疽病有非常显著的保护作用。吩嗪-1-羧酸对病原菌的作用机制目前已被探明，一个是通过产生有毒的超氧离子和过氧化氢，氧化谷胱甘肽和转铁蛋白，进而产生高细胞毒性的羟自由基[49]；另一个是其能够被还原型辅酶I（NADH）还原成为电子传递的中间体，扰乱病原菌细胞内正常的氧化还原稳态，进而影响细胞能量的产生，从而抑制微生物的生长[50]。不过目前仍有许多次级代谢产物的作用机制并未研究清楚，对于根际微生物产生的抗生素的探索对生物农药的研发意义重大。

此外，根际微生物还可产生可溶性胞外酶，通过不同形式发挥作用。如纤维素酶、壳多糖酶、蛋白酶、几丁质酶等。国内外关于细胞壁降解酶抑制作用的研究较多，如芽孢杆菌分泌的纤维素降解酶、半纤维素降解酶等多种酶类可对纹枯病菌、枯萎病菌和疫病等产生较强的溶菌作用[51]。乔欣蕾等[45]研究发现，枯草芽胞杆菌能够产生蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等可以分解真菌细胞壁的酶类以及产生嗜铁素、脂肽抗生素等抑菌物质，对尖孢镰刀菌具有显著的拮抗活性。郝建安等[52]从解淀粉芽孢杆菌中分离出粗蛋白，对茄镰刀菌（Fusarium solani）有明显抑制作用。

2.3 诱导植物系统性抗性

根际微生物在产生活性代谢物质的同时可激发诱导植物系统性抗性，称为诱导系统抗性（Induced systemic resistance，ISR），ISR最早是1997年Bigirimana等用哈茨木霉T39菌株接种菜豆根部，诱导了菜豆对灰霉病和炭疽病的系统抗病性[53]。随后大量研究证明，假单胞菌、芽孢杆菌和AM真菌等均可诱导植物系统抗性，激活植物多种防御机制共同抵御病原菌的危害[54]。如荧光假单胞菌PEF-5#18（野生型）能有效降低由尖孢镰刀菌Forl引起的番茄枯萎病的病情指数，促进植株健康生长，其对番茄ISR诱导抗性主要依赖于茉莉酸和乙烯路径来调控[55]。 Wees等[56]发现荧光假单胞菌能够在拟南芥根际定殖，诱导植株系统性抗性，上调宿主中与植物病原菌防御相关的基因表达水平。目前针对ISR的机理研究还不深入，还处于初级阶段，认为系统抗性诱导抗病过程主要涉及免疫信号因子、诱导抗性过程中的信号转导以及相关调控基因等[57]。

2.4 重寄生机制

根际微生物还可以直接作用于病原菌，这也是其防治土传病害的重要机制。生防微生物利用病原菌为自身提供营养物质，抑制其正常生理活动，阻碍其生长定殖，随之病害的发生率也相应降低。郭成瑾等[58]研究表明哈茨木霉M-33可通过空间竞争和重寄生机制对立枯丝核菌产生作用，哈茨木霉M-33的菌丝可侵入立枯丝核菌菌丝内部，造成立枯丝核菌菌丝萎缩、塌陷、断裂、崩解等。尤佳琪等[59]研究证实拟康宁木霉T-51菌株对核盘菌属和丝核菌属病原真菌重寄生能力较强，对镰刀菌、暹罗刺盘孢菌等也有一定重寄生能力。盾壳霉对核盘菌属真菌专性寄生，用盾壳霉可以寄生土壤中的菌核，抑制子囊盘萌发，减少初侵染源，对作物菌核病有很好的防病效果[60-62]。因而在欧美早已有盾壳霉生防菌剂，我国也于2018年获批盾壳霉生防菌剂登记，用于防治油菜菌核病[63]。

3 未来研究展望

3.1 重视根际微生物组的研究

根际是复杂的微生态环境系统，根际微生物种群、根系分泌物、根际环境因子等协同作用，对土传病原体产生或促进或抑制的作用；因此，被称为农作物第二基因组的根际微生物组（rhizosphere microbiome）是未来研究的热点。根际微生物组包括环境中的所有生物和非生物因素，即特定环境中全部微生物群、微生物群的基因和基因组、微生物群的产物、宿主环境[1]。深入研究根际微生物组装配过程的驱动因素及与寄主植物间的互作，探究土壤根际微生物与农作物表型、基因型之间的关联，可以更好地解决土壤健康生产的问题。

3.2 探索新的研究方法

随着高通量测序技术、宏基因组学、代谢组学、宏转录组学及宏蛋白组学的发展，为根际微生物的研究开辟了新思路，使对于根际微生物群落的研究越来越便捷，但更多的只是分析菌群的结构和功能，不能获得个体微生物菌株，要想获得纯培养的菌株，还只能采用传统的平板涂布法，但此法能够培养出的根际微生物仍较有限，难以进行单株水平上的研究；因此，探索更有效的分离培养技术是未来的重要方向，如Nicho1s等[64]设计的分离芯片，成功培养出许多新的微生物。VanInsberghe等[65]使用8种不同的微生物培养基，分离培养出了森林土壤样本测序所得序列约22%的微生物。近期有学者提出，可将基于深度测序的微生物多样性数据与目标菌株的分离培养有机衔接起来获得菌株，基于这一思路，Chai等[66]根据梭菌纲梭状芽孢杆菌特异性16S rRNA基因序列，利用KOMODO平台（KOMODO平台包括的培养基配方超过18 000多种，网址为http：//Komodo.Modelseed.org/）预测的培养基，成功从发酵谷物中分离出Clostridium菌株。

3.3 科学应用根际微生物

对于根际微生物的研究主要是为了应用，有很多生防菌制剂也已经获得了农药登记，但由于受土壤因子、环境因子、菌株适应性等多种因素的制约，其防效并不能同实验室条件下一样表现良好，实际应用不稳定，限制了应用。未来可通过添加外源物或基因修饰等方法，提高生防菌在环境中的竞争力及对寄主植物的定殖能力，其次，开发有益根际微生物组合菌剂可以克服单一菌株表现不佳的缺陷，提高防病效果。