摘 要：生物農(nóng)藥替代化學(xué)類農(nóng)藥和農(nóng)藥減量已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為此，介紹了脂肽類抗生素的種類和結(jié)構(gòu)以及脂肽類抗生素的抑菌活性，闡述了脂肽類抗生素在植物病害生物防治中的表現(xiàn)，探索了芽孢桿菌開發(fā)為生物農(nóng)藥方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：芽孢桿菌；脂肽類抗生素；抑菌活性；植物病害；生物防效

中圖分類號(hào)：S436.68 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）02–00-03

在自然生態(tài)系統(tǒng)中存在著一類有益微生物能夠抑制或殺滅植物病原菌的生長(zhǎng)，人們可以將有益微生物開發(fā)成為生物農(nóng)藥替代化學(xué)農(nóng)藥，減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，從而減少環(huán)境污染和食品安全隱患。芽孢桿菌是生物農(nóng)藥中最具潛力和開發(fā)前景的一類有益微生物。芽孢桿菌產(chǎn)生的芽孢具有非常強(qiáng)的抗逆性，能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境。芽孢還可以避免生物農(nóng)藥在運(yùn)輸或儲(chǔ)藏過程中活菌劑容易失活的現(xiàn)象，因此芽孢桿菌是一種較為理想的生物農(nóng)藥。更重要的是，大多數(shù)芽孢桿菌還能夠產(chǎn)生多種多樣的抗菌活性物質(zhì)，脂肽類抗生素是芽孢桿菌產(chǎn)生的重要活性物質(zhì)。由于脂肽類抗生素具有低毒、易降解等特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)極端溫度、酸堿度等具有廣泛的適應(yīng)性，不僅被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)植物病害的生物防治，還被廣泛應(yīng)用于土壤修復(fù)、石油回收、化妝行業(yè)、食品加工行業(yè)以及醫(yī)療等領(lǐng)域。由于脂肽類抗生素具有各種優(yōu)勢(shì)，脂肽類抗生素的研究受到人們的青睞。了解和研究脂肽類抗生素不同抗菌活性及其在植物病害生物防治中的作用，有助于人們?cè)谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更好地開發(fā)和利用。

1 脂肽類抗生素的種類和結(jié)構(gòu)

脂肽類抗生素是芽孢桿菌非核糖體合成的抗菌活性物質(zhì)，主要由脂肪酸和肽鏈構(gòu)成，根據(jù)碳原子數(shù)目以及氨基酸種類不同，可以分為三大家族：表面活性素（surfactins）、伊枯草菌素（iturins）和豐原素（fengycins）。在三大家族的肽環(huán)上由于不同的氨基酸序列和結(jié)構(gòu)、類型或者連接的脂肪酸鏈，因此三大家族的脂肽之間由于氨基酸序列、長(zhǎng)度、分支不同或者脂肪酸的不飽和現(xiàn)象等形成明顯的異構(gòu)體或同系物。同時(shí)，三大家族的每一脂肽類抗生素種類都存在幾種同系物，而且往往是共同存在的。

表面活性素和伊枯草菌素都由7個(gè)氨基酸連接脂肪酸鏈構(gòu)成的環(huán)脂肽類抗生素化合物。表面活性素是由C14到C17組成的β-羥基脂肪酸鏈，伊枯草菌素（iturins）是由C14至C15組成的β-氨基酸脂肪酸鏈，表面活性素同系物包括表面活性素、地衣芽孢桿菌素（lichenysin）和埃斯波素（esperins）；伊枯草菌素

（iturins）同系物包括iturinA、B、C、D，桿菌抗霉素（bacil-omyein）L、D、F和抗霉枯草菌素（mycosubtilin）等。豐原素

（fengycins）包括fengycin A 和B，plipastatin屬于fengycin

或有人認(rèn)為fengycin也稱為plipastatin；fengycin由10個(gè)氨基酸連接脂肪酸鏈構(gòu)成的環(huán)脂肽類抗生素化合物，脂肪酸碳原子數(shù)C14到C18，并且是3-Tyr和10-Ile通過內(nèi)酯鍵形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

2 脂肽類抗生素的抑菌活性

在脂肽類抗生素三大家族中，surfactin具有強(qiáng)的表面活性，具有抗病毒、抗腫瘤、抗支原體和抗細(xì)菌的活性，但是不具有顯著的抗真菌活性，surfactin的抗菌機(jī)制在于能夠與細(xì)菌細(xì)胞膜相互作用可以誘導(dǎo)脂質(zhì)雙分子層穿孔并形成離子通道，從而破壞膜的完整性。有研究表明surfactin與芽孢桿菌的鞭毛運(yùn)動(dòng)有關(guān)，可能會(huì)減弱細(xì)胞群在向植物根部聚集時(shí)細(xì)胞表面相互產(chǎn)生的摩擦力，因此有利于芽孢桿菌在植物根部定殖。此外，雖然surfactin沒有明顯抑制真菌的活性，但與其他脂肽類抗生素類化合物如iturin A共同作用時(shí)能夠顯著增強(qiáng)抑真菌活性。

伊枯草菌素具有較強(qiáng)的表面活性，而且對(duì)多種病原真菌和酵母菌表現(xiàn)強(qiáng)烈的抗菌活性，但是對(duì)細(xì)菌的抗菌活性是有限的，甚至沒有抑菌活性。研究表明，iturin A能夠有效抑制植物病原真菌和酵母菌，其抑菌機(jī)理主要通過病原真菌細(xì)胞壁和干擾小囊泡的細(xì)胞膜，造成內(nèi)膜微粒子的聚集，促進(jìn)電解質(zhì)釋放和大分子物質(zhì)與磷脂的降解，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。此外，iturin A還改變細(xì)胞膜的滲透性，造成膜內(nèi)鉀離子的泄漏。由于iturin A低毒、低致敏性，可用于人和動(dòng)物真菌病害的防治。在iturins家族中，與iturin A親緣關(guān)系最近還有芽孢菌霉素和抗霉菌枯草桿菌素，由于iturin A抗真菌活性最強(qiáng)，可與化學(xué)殺菌性能相媲美，且具有低毒、低致敏性，對(duì)動(dòng)物和人安全，因此可開發(fā)為最具理想的環(huán)境友好型的生物源農(nóng)藥。

豐原素的表面活性比伊枯草菌素和表面活性素弱，但是對(duì)絲狀真菌，如實(shí)灰霉病原菌具有較強(qiáng)的抑制作用。此外，還能夠抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)。經(jīng)fengycin

處理過的抑菌區(qū)域，新生菌絲頂端或者分枝頂端膨大，呈淡黃色泡囊。部分泡囊破裂，細(xì)胞壁內(nèi)含物流出，造成菌絲細(xì)小、呈空癟狀和局部斷裂。有學(xué)者研究表明Bacillus subtilis C2產(chǎn)生的fengycin A能夠誘導(dǎo)尖孢鐮刀菌后桓孢子的形成，同時(shí)造成菌絲生長(zhǎng)稀疏，菌絲腫脹畸形和分生孢子溶解。豐原素（fengycins）抑菌機(jī)理主要通過破壞真菌細(xì)胞膜上磷脂分子的正常秩序，引發(fā)胞質(zhì)外流導(dǎo)致細(xì)胞死亡，且在高濃度下與surfactins類似對(duì)細(xì)胞膜具有溶解作用。

3 脂肽類抗生素在植物病害生物防治中的表現(xiàn)

由于脂肽類抗生素結(jié)構(gòu)具有多樣性和復(fù)雜性，對(duì)植物病原真菌、細(xì)菌、病毒、昆蟲等都具有較強(qiáng)的生物活性，因此抑制或殺死病原菌的機(jī)制存在多樣性。芽孢桿菌作為生物農(nóng)藥，最主要最直接的方式是產(chǎn)生抑菌活性物質(zhì)包括脂肽類抗生素，而其在田間的生物防治效果：一方面與芽孢桿菌在植物根部土壤中的移動(dòng)能力有關(guān)，另一方面與誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生抗性有關(guān)，同時(shí)促進(jìn)植物生長(zhǎng)以抵抗病原菌的侵襲（一些芽孢桿菌被稱為根圍促生菌，PGPR）。研究表明：脂肽類抗生素不僅有利于生防菌在植物根部的定殖，而且在激發(fā)寄主植物產(chǎn)生抗性機(jī)制過程中也起到關(guān)鍵性作用，為脂肽類抗生素作為生物農(nóng)藥的開發(fā)和利用提供了可行性條件，因此脂肽類抗生素在植物病害生物防治中具有舉足輕重的地位。

3.1 促進(jìn)芽孢桿菌在植物根部的定殖

芽孢桿菌在植物根部的定殖與鞭毛有關(guān)。芽孢桿菌通過鞭毛的運(yùn)動(dòng)在植物根部定殖，在競(jìng)爭(zhēng)中這些芽孢桿菌形成具有較強(qiáng)的黏著性、組織性和抗菌能力的多細(xì)胞群體。在固體表面，芽孢桿菌菌落進(jìn)化和形成一個(gè)結(jié)構(gòu)性組織，稱之為生物膜，在液相或氣相表面形成薄皮，會(huì)黏著在土壤顆粒表面，形成一個(gè)互相協(xié)調(diào)的群體，以此聯(lián)合起來共同適應(yīng)不良的環(huán)境條件。這些芽孢桿菌產(chǎn)生的芽孢也具有高度的有序性，共筑的生物膜或薄皮之間就形成了“銅墻鐵壁”。研究表明，脂肽類抗生素surfactin和mycosubtilin與芽孢桿菌的鞭毛運(yùn)動(dòng)有關(guān)，可能會(huì)減弱細(xì)胞群在向植物根部聚集時(shí)細(xì)胞表面相互產(chǎn)生的摩擦力，因此有利于芽孢桿菌在植物根部定殖。此外，surfactin還與生物膜形成有關(guān)。生防菌通過抑制病原物是其生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)的重要機(jī)理， 脂肽類抗生素由于脂肪酸鏈與肽鏈的長(zhǎng)度和種類不同，因此表現(xiàn)出不同的抗菌屬性，許多芽孢桿菌在植物根際土壤中具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)與環(huán)脂肽類抗生素的抗菌活性密不可分。

3.2 誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性

芽孢桿菌能夠誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生系統(tǒng)防衛(wèi)反應(yīng)，被稱為誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性（Induced Systemic Resistance，ISR）。系統(tǒng)抗性反應(yīng)是在寄主植物在感病狀態(tài)下，由微生物引起的寄主植物細(xì)胞分子反應(yīng)模式的一種結(jié)果，系統(tǒng)反應(yīng)信號(hào)通過轉(zhuǎn)導(dǎo)給寄主植物使得其修飾基因的表達(dá)，從而增強(qiáng)了植物對(duì)病原物的抵抗能力。生防菌誘導(dǎo)的ISR信號(hào)主要通過茉莉酸或乙烯信號(hào)途徑，水楊酸也可以引起環(huán)脂肽（CLP）的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性，主要是由表面活性素和豐原素誘導(dǎo)的多種寄主植物上的系統(tǒng)抗性 。

4 脂肽類抗生素的應(yīng)用

由于surfactins具有較強(qiáng)的表面生物活性，因而在食品方面作為乳化劑或食品添加劑以及在藥物開發(fā)方面作為佐劑開發(fā)應(yīng)用較為廣泛，并逐漸成為化學(xué)表面活性劑的天然替代品。近年來，有文獻(xiàn)報(bào)道surfactins具有較強(qiáng)的抗真菌活性，且具有潛在蚊蟲殺蛹作用；fengycins具有良好的抗真菌活性，可特異性治療真菌，在許多芽孢桿菌的抗菌活性物質(zhì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)存在fengycins，在醫(yī)藥研究中發(fā)現(xiàn)fengycins還可抑制金黃色葡萄球菌的定殖；iturins脂肽類抗生素在三大家族中表現(xiàn)抗真菌活性最強(qiáng)，可與化學(xué)殺菌性相比擬，且具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性、低毒性和低致敏性的特點(diǎn)，因此是最具理想的環(huán)境友好型的生物源農(nóng)藥。植物病害中80%的病害是由病原真菌引起的，iturins在植物病害中的抑菌活性得到了較為充分的體現(xiàn)，加之iturins的大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)已積累了長(zhǎng)期的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，顯示了iturins作為生物農(nóng)藥廣泛的應(yīng)用前景。

伊枯草菌素A（iturin A）最初是從枯草芽孢桿菌分離得到的，對(duì)多種病原真菌和酵母菌具有強(qiáng)烈抑制作用的環(huán)脂肽化合物，其在農(nóng)業(yè)中主要用于種子儲(chǔ)藏性和對(duì)土壤寄居性病原真菌的防治，后來用于人類和動(dòng)物的醫(yī)藥研究。國(guó)外，iturin A用于防治堅(jiān)果類和谷物類的黃曲霉毒素曾獲得專利。隨后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了與iturin A親緣關(guān)系最近的芽孢菌霉素（bacillomycin）和抗霉菌枯草桿菌素，三者都屬于iturins家族，而iturin A在iturins家族中抗真菌活性最強(qiáng)。通過動(dòng)物和人體臨床試驗(yàn)也表明，iturin A低毒、低致敏性，可用于人和動(dòng)物真菌病害的防治。有學(xué)者最初從枯草芽孢桿菌中分離到iturin A的8個(gè)同系物，并認(rèn)為iturin A是8個(gè)同系物的混合物。后來Yerra Koteswara Rao等[1]從解淀粉芽孢桿菌中也分離到iturin A的8個(gè)同系物。因此，能夠產(chǎn)生iturin A的生防菌株以枯草芽孢桿菌（B. subllis）和解淀粉芽孢桿菌（B. amyloliquefaciens）報(bào)道較多。

與iturin A先后被發(fā)現(xiàn)，且親緣關(guān)系最近的是bacilo-

mycin和mycosubtilin，兩者都是從Bacillus subtilis分離出的一類環(huán)脂肽類抗生素化合物，它們的肽段均包括L-型和D-型的氨基酸，并且bacillomycin F抗菌活性與iturin A有關(guān)。mycosubtilin與iturin A的親緣關(guān)系最近。與surfactin相同，mycosubtilin與芽孢桿菌鞭毛運(yùn)動(dòng)有關(guān)，通過減弱細(xì)菌群運(yùn)動(dòng)中細(xì)胞表面產(chǎn)生的摩擦力，因此優(yōu)先聚集到植物根部并定殖下來。Valérie Leclère等[2]研究發(fā)現(xiàn)B. subtilis ATCC6633產(chǎn)生的mycosubtilin對(duì)腐霉病（Pythium aphanidermatum）有較好的防效。

B. subtilis RB14對(duì)土傳性病害尤其是番茄土傳性病害具有良好的防效，并開發(fā)成生物農(nóng)藥，其產(chǎn)生的主要抑菌活性物質(zhì)是iturin A。此后，許多研究者對(duì)B. subtilis RB14產(chǎn)iturin A發(fā)酵條件以及脂肽類抗生素合成酶基因進(jìn)行了較為深入的研究。B. subtilis B3對(duì)小麥赤霉?。‵usarium graminearum）、小麥立枯病（Rhizoctonia solani）、小麥紋枯病（Rhizoctonia cerealis）和稻瘟?。≒yricularia grisea）等真菌病害具有良好防效且穩(wěn)定性較好，其商品名為麥豐寧。通過脂肽合成酶基因的克隆測(cè)序和分析，研究表明B. subtilis B3產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)主要為iturin A 和fengycin。

5 芽孢桿菌在植物病害生物防治中的應(yīng)用

芽孢桿菌能夠產(chǎn)生抗生素、嗜鐵素、植物生長(zhǎng)激素等活性物質(zhì)，這些活性物質(zhì)與植物病害的生防機(jī)制密切相關(guān)，也對(duì)芽孢桿菌開發(fā)生物農(nóng)藥和生物肥料起到了優(yōu)勢(shì)作用，其中基于芽孢桿菌開發(fā)的生物農(nóng)藥產(chǎn)品約占細(xì)菌性生物農(nóng)藥的50%?？莶菅挎邨U菌是芽孢桿菌中最早和最具代表性的商品化生物農(nóng)藥[3-5]。

例如，日本東研發(fā)的B. subtilis RB14對(duì)立枯絲核菌（Rhizo-

ctonia solani）引起的番茄病害有良好的防效，美國(guó)研發(fā)的B. subtilis var. amyloli quefaciens FZB 24，商品名為Taegro，

主要用于防治番茄晚疫病、灰霉病和小麥白粉病，還可作為增產(chǎn)促進(jìn)劑，隨后B. subtilis QST713和B. subtilis QST 2808被美國(guó)Agraquest公司注冊(cè)生產(chǎn)，商品名分別為SerenadeTM和SouataAS，葉面施用可防治蔬菜、櫻桃、葡萄、葫蘆、胡桃等作物的白粉病、霜霉病、疫病、灰霉病等真菌性病害。此后，B. subtilis MBI600在英國(guó)、日本、瑞士等國(guó)家獲得注冊(cè)登記和商業(yè)化生產(chǎn)[6]。

我國(guó)生物農(nóng)藥研發(fā)的整體水平在發(fā)展中國(guó)家處于領(lǐng)先地位，利用枯草芽孢桿菌防治植物病害的應(yīng)用研究也達(dá)到世界先進(jìn)水平。較為典型的枯草芽孢桿菌如B. subtilis B916、B908、B3、BS-208 等相繼實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，開發(fā)商品名分別為紋曲寧、百抗、麥豐寧、依天得。在美國(guó)，側(cè)孢短芽孢桿菌被成功地作為生物殺蟲劑來防治動(dòng)物線蟲，我國(guó)云南大學(xué)側(cè)孢短芽孢桿菌殺線蟲成果也得到了生產(chǎn)上的應(yīng)用。2015年，由山東奧豐生物科技自主研發(fā)枯草芽孢桿菌B. subtilis BSn5干粉劑已通過相關(guān)專家的科技成果鑒定，經(jīng)大田試驗(yàn)該菌對(duì)水稻稻瘟病、黃瓜白粉病、草莓灰霉病等植物病害具有較好的防治效果。當(dāng)前，芽孢桿菌開發(fā)為生物農(nóng)藥大多含有2種或2種以上芽孢桿菌混合液，或芽孢桿菌與殺菌劑的復(fù)配劑，通過芽孢桿菌之間或芽孢桿菌與殺菌劑的協(xié)同作用，增強(qiáng)生物防治效果和防效的穩(wěn)定性[7-10]。

6 結(jié)束語

當(dāng)前，雖然化學(xué)防治是植物病害防治的主要方式，但隨著環(huán)保新型農(nóng)藥的研制、開發(fā)、利用和推廣，新型生物農(nóng)藥的應(yīng)用效果和對(duì)環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)作用已經(jīng)被市場(chǎng)逐漸認(rèn)可，生物農(nóng)藥替代化學(xué)類農(nóng)藥和農(nóng)藥減量已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí)，隨著分子生物學(xué)和生物信息技術(shù)的發(fā)展，人們利用宏基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等手段，對(duì)植物、微生物和土壤三者之間的分子水平研究機(jī)制逐步開展分析，將會(huì)開發(fā)出越來越多的新型生物農(nóng)藥，達(dá)到良好的應(yīng)用效果，用于造福于人類。

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