木霉菌对植物寄生线虫防治作用机制

所属分类：农业论文阅读次时间：2022-01-04 10:29

本文摘要：摘要：生物防治不仅作为植物寄生线虫安全有效的防治措施，而且其具有降低化学农药施用量和减少环境污染的作用。木霉菌作为一种生防潜力巨大的线虫病防治真菌，已被广泛研究并应用于植物寄生线虫的防治。本文主要从木霉防治线虫病的直接和间接生防机制的视角，综述了木

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　　摘要：生物防治不仅作为植物寄生线虫安全有效的防治措施，而且其具有降低化学农药施用量和减少环境污染的作用。木霉菌作为一种生防潜力巨大的线虫病防治真菌，已被广泛研究并应用于植物寄生线虫的防治。本文主要从木霉防治线虫病的直接和间接生防机制的视角，综述了木霉对线虫的重寄生作用、毒杀作用以及木霉对植物的诱导抗性、促生作用等多种协同防治植物寄生线虫的机制，展望了今后需要继续扩大对杀线木霉资源种类的调查和挖掘、木霉菌对植物寄生线虫的作用机理以及从分子水平上加深对木霉防治线虫病机制的研究，旨在为科学利用木霉菌防治植物线虫病提供参考。

　　关键词：木霉;线虫;生物防治;互作机制;直接机制;间接机制

植物寄生虫

　　植物寄生线虫(Plantparasiticnematodes，PPNs)是引起植物病害的一类重要经济类有害生物[1,2]。据估计，因其危害在全球农业生产中造成的经济损失每年高达1570亿美元[3]。植物寄生线虫引起的线虫病已成为我国主要的农业病害之一，严重阻碍我国粮食、经济作物安全生产。

　　长期以来，化学杀线虫剂一直是防治植物线虫病害的主要措施，然而大量使用化学药剂不仅会使线虫产生抗药性，还会造成严重的环境污染问题并危害人体健康，进而导致大多数高毒类杀线剂已被禁用或限制使用[4]。同时，随着人们绿色环保意识的提高和无公害生产的要求，以及生物防治因能有效减少化学农药的使用并减轻环境污染已逐渐成为植物寄生线虫安全有效的防治措施。

　　木霉菌Trichodermaspp.是一类广泛分布于土壤中的有益菌，因在线虫病防治中极具生防潜力而被广泛研究[1,2,46]。近年来，木霉对植物线虫病的防治机理已成为木霉生防研究中的重要科学问题。本文主要从木霉防治线虫病的直接和间接生防机制的视角，综述了木霉对线虫的重寄生作用、毒杀作用及其对植物的诱导抗性和促生作用等多种协同防治植物病原线虫的机制，以期为进一步深入研究生防木霉菌防治植物线虫病提供新思路。

　　1木霉菌防治线虫的直接作用机制

　　1.1木霉菌重寄生作用

　　木霉菌通过重寄生作用进行识别、接触、缠绕和穿透线虫来抑制或溶解寄主体壁，是木霉最重要、最广泛的生防机制之一[7]。研究表明[1,2,79],木霉菌胞外酶在木霉菌重寄生作用过程扮演着重要的作用，木霉菌在重寄生过程中分泌几丁质酶、蛋白酶、葡聚糖酶等一系列水解酶来消解线虫孢囊、卵、体壁，其中以几丁质酶和蛋白酶尤为重要。

　　目前，已发现哈茨木霉T.longibrachiatum[10]、康宁木霉T.koningiopsis[11]、绿色木霉T.viride[6]和长枝木霉T.longibrachiatum[1]等菌株可以有效抑制根结线虫的繁殖，本课题组前期分离筛选出适宜于西部干旱生态环境条件下的具有自主知识产权的一株长枝木霉T6杀线菌株，并发现其对禾谷孢囊线虫Heteroderaavenae孢囊、卵和幼虫均具有较强的寄生和致死作用，利用显微镜观察发现其寄生后能够导致孢囊、卵和线虫体壁破裂和溶解[2,4,12]，进一步研究发现其能够通过提高和分泌大量几丁质酶和蛋白酶导致孢囊体壁和卵壳溶解，以及能够分泌蛋白酶导致南方根结线虫Meloidogyneincognita幼虫体壁溶解和线虫死亡[1]。

　　1.1.1木霉菌几丁质酶杀线作用及机理

　　几丁质酶是木霉菌胞外酶的重要组成成分之一，主要由内切几丁质酶(Endochitinase)和外切几丁质酶(Exochitinase)组成，其在重寄生线虫过程中发挥着重要的杀线功能。木霉菌分泌的几丁质酶在线虫寄生和致死作用中已有相关研究，Sahebani等[10]报道爪哇根结线虫M.javanica卵能够诱导哈茨木霉BI几丁质酶活性的升高，进而提高其侵染卵的活力。Baldoni等[11]从51株分离的真菌中筛选出康宁木霉UFSMQ40具有较好的杀线活性，通过以胶体几丁质作为诱导剂提取的几丁质酶发酵液对南方根结线虫、爪哇根结线虫有较高的致死率。

　　Szabo等[13]研究表明，18株木霉菌株中有株木霉菌对植物寄生线虫具有较强的寄生作用，其中哈茨木霉SZMC1647对植物寄生线虫卵具有较强的寄生作用，进一步利用实时荧光定量PCR分析哈茨木霉SZMC1647几丁质酶基因chi185(chit42)和chi1812(chit33)的表达量发现，chi18(chit42)和chi1812(chit33)在不同时间点存在较明显的表达量差异，但总体而言，哈茨木霉与线虫互作过程中几丁质酶基因高表达，表明哈茨木霉与线虫互作过程中，线虫卵可能诱导哈茨木霉几丁质酶基因chi18(chit42)和chi1812(chit33)显著上调表达，进一步调控其产几丁质酶的能力增强从而促进线虫卵体壁溶解，然而，有关chi185chit42)和chi1812(chit33)基因的具体功能还有待后期进一步验证。

　　朱玉婷等[14]从烟草南方根结线虫卵上分离到株可产几丁质酶的长枝木霉HBF1，从菌株HBF1中克隆到个几丁质酶基因，命名为TlChi46，初步预测该基因编码氨基酸的个数、理论分子量及等电点分别为423个、45.9kDa、5.23，通过构建TlChi46与昆虫寄生菌几丁质酶基因的进化树明确了二者亲缘关系可能相对较远，该基因能否合成几丁质酶并杀死线虫仍待进一步验证。

　　1.1.2木霉菌蛋白酶杀线作用及机理

　　木霉菌胞外蛋白酶是另一类重要的细胞壁降解酶，对植物病原线虫的生物防治也有着重要作用，木霉与植物病原线虫互作时，木霉分泌的蛋白酶能失活钝化寄主线虫体壁，降解病原线虫体壁中蛋白质组分等途径，与其它细胞壁降解酶协同发挥对线虫的防治作用[3,15]。

　　Geremia等[16]从哈茨木霉IMI206040中分离到一种碱性丝氨酸蛋白酶Prb1，分子量31kD，等电点9.2。随着分子生物技术水平的飞速发展，编码木霉菌蛋白酶prb1基因已克隆，同时过表达prb1基因的突变体能够增强木霉菌的生防功能[17]。另有研究表明[18]，哈茨木霉能毒杀南方根结线虫二龄幼虫，并且过表达碱性丝氨酸蛋白酶prb1基因的哈茨木霉转化菌株对南方根结线虫的毒杀作用显著增强。另外，Suarez等从哈茨木霉CECT2413菌株中发现种蛋白酶PRA1，其功能与胰蛋白酶类似，该发酵粗提蛋白液显著降低了线虫卵的孵化率。Stleger等[20]研究表明，微生物胞外蛋白酶是大部分虫生真菌侵染初期产生的唯一胞外酶，而几丁质酶则是侵染后期产生的最主要胞外酶。

　　Chen等[21]从拟康宁木霉T.pseudokoningiiSMF2中分离到种线虫体壁降解酶丝氨酸蛋白酶(Cuticledegradingserineprotease)Spr，该酶对根结线虫卵的孵化率表现为显著降低，并且对线虫二龄幼虫表现出较强的毒杀作用。另外，天冬氨酸蛋白酶在木霉菌重寄生和植物共生作用中也发挥着重要作用[22]。Szabó通过测定哈茨木霉与线虫卵互作中的13个肽酶编码基因的表达水平，发现酸性丝氨酸蛋白酶pra1、天冬氨酸蛋白酶p6281和p9438、金属内肽酶p7455和丝氨酸蛋白酶p5216均高表达，这预示着哈茨木霉蛋白酶基因pra1、p6281、p9438、p7455和p5216可能在与卵互作过程中发挥着关键杀线作用[23]。

　　1.2木霉菌毒杀作用

　　毒杀作用是木霉防治线虫的另一种重要的直接生防机制，在木霉菌生长过程中，产生多种具有毒杀活性的次级代谢产物，这些毒杀性的代谢产物能够杀死线虫[24]，达到防治植物病原线虫病的目的。目前已报道的具有杀线活性的木霉菌主要有长枝木霉、绿色木霉、哈茨木霉、钩状木霉T.hamatum、深绿木霉T.atroviride及康宁木霉[2431]。Zhang等[32]采用响应面法来优化长枝木霉T6的杀线发酵液的条件。

　　结果表明，T6培养滤液在初始pH为6.06、接种量为1.62mL、培养时间为7.15d的发酵条件下杀线虫活性最高，达92.42%，温室试验中T6培养滤液在小麦播种后70d的生防效果为83.88%。Yang等[33]对所分离的329株木霉菌株进行了毒杀全齿复合线虫测定，结果表明其中15株木霉菌对全齿复合线虫具有较强的毒杀活性。目前已发现木霉所产生的毒杀物质分为两类，一类是小分子和易挥发性物质，包括芳香族化合物、聚酮化合物、丁烯酸内酯类及萜烯类等[34,35]。另一类是大分子代谢产物，包括肽Peptailbols、酶类等[36]。

　　已有报道表明目前从木霉菌中提取的杀线物质主要有木霉菌素[32]、乙酸[24]、胶酶毒素[37]和肽环孢菌素[38]等成分;同时，梁志怀等[39]利用GCMS检测和分析了木霉菌TUV13菌株杀线活性成分，共获得40多种化学成分，其中主要以烷烃类成分的种类最多，另外还包含有机酸类、酯类、酮类和类固醇类等有机化合物。综上，木霉菌发挥生物防治的功能主要为重寄生作用和毒杀作用，其主要机制为木霉菌在生长过程中分泌的胞外酶和次级代谢产物来协同发挥生物防治的功能[40,41]。

　　2木霉菌防治线虫的间接作用机制

　　早期对木霉生防机制的研究主要集中在木霉与寄生线虫之间的直接作用，而对于木霉与寄主植物相互作用增强植物抗病性的研究较少。近年来，研究人员发现木霉菌可以通过诱导植物防御系统与植物建立共生关系，增强植物对线虫病的抗性，该机制称为木霉诱导的植物系统抗性[4244];另外，木霉菌与植物相互作用、相互共存和互利共生，木霉菌能够加速植物吸收土壤中的养分，从而促进植物生长，增强植物抵抗逆境胁迫的能力，这便是木霉菌防治线虫病的间接作用机制。

　　3木霉防治线虫病存在的问题及展望

　　3.1加大对杀线木霉种类调查和挖掘近年来，科研工作者发现了许多具有杀线虫作用的木霉菌，虽在前人研究的基础上开展了很多探索性的工作，但对有杀线潜力的木霉种类挖掘还不够，这就要求科研工作者利用大自然广泛的微生物资源，充分调查和挖掘具有杀线虫作用的木霉种类的认识，将更多的真菌资源有效地应用于线虫防治，以开拓我国线虫生物防治的新领域。

　　3.2明确杀线木霉对植物寄生线虫的毒杀机制迄今为止，已发现木霉次级代谢代谢产物能有效杀死线虫，然而，已发现具有杀线虫作用的木霉次级代谢产物种类较少。另外，关于木霉次级代谢产物中有效的杀线活性物质如何杀死线虫，其作用机理尚不明晰。因而，国内外科研工作者有待于更深入、更系统地探明木霉代谢产物防治线虫的机制，以期更好地发挥生防木霉的杀线作用。

　　3.3揭示木霉防治线虫的分子作用机制

　　木霉防治植物线虫病的机制包括重寄生、毒杀的直接防治作用及诱导植物产生系统抗性、促进植物生长的间接防治作用在内的多种机制，田间防治中木霉往往以多种机制协同发挥防效作用。因而，明确木霉防治线虫病的机制是科学应用木霉生物防治线虫病的关键。近年来，众多科研工作者对木霉防治线虫已从木霉菌种、胞外酶、次级代谢物质的分离鉴定等方面开展了研究，然而，在木霉胞外酶、次级代谢产物的种类以及调控其合成的基因、木霉诱导植物产生抗病性的机制还需要更深入的研究。随着分子生物学的不断发展，后基因组时代已然到来，基于基因组、转录组、蛋白组、代谢组学技术对于挖掘木霉胞外酶、次级代谢产物的种类以及调控其合成的基因、以及开展木霉诱导植物产生抗病性机制的研究工作，可为木霉的田间应用提供更多的理论依据。

　　参考文献

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　　作者：王秀娟，张树武，徐秉良