水稻纹枯病生物防控研究进程.docx

水稻纹枯病生物防控研究进程水稻纹枯病是世界性的病害，是水稻三大病害之一，由立枯丝核菌(Rhzioeotniasoalni)引起。该病早在1910年初由龚斋在日本发现，后来在菲律宾、美国、斯里兰卡等国家被相继发现。1934年，植物病理学家魏京超在中国发现了这种病害，到了1975年，对这种病害的防治上升到了国家层面(万明国,2008)。水稻纹枯病波及华南地区的高温高湿地区，导致稻米不育率增加。这种病害导致米粒不饱满，可以能导致植物倒伏、枯燥缺水，使得水稻产量减产10%30%，在病害严重区域，水稻甚至减产50%。水稻纹枯病如今已成为中国南方地区最严重的水稻病害(孟庆忠等,2001)。据研究，该菌通过产生一种含-葡萄糖和甘露糖的碳水化合物，名为RS毒素，来侵染植物机体(Srirametal.,2000)。其侵染经过大致有：1、菌核或菌丝在植物碎屑、土壤或寄主植物中越冬；2、幼菌丝出现并产生菌丝体；3、菌丝在植物外表上降落，并将相关的酶分泌到植物外表，进而入侵寄主植物；4、菌丝成功侵入宿主后，在感染组织内部以及四周构成坏死，并产生菌核，进而导致与病害相关的各种症状，如腐烂、茎腐病、猝倒病等；5、最后整个经过又重新循环开场(周而勋等,2002)。水稻抗纹枯病育种至今尚未发现免疫或高抗品种(刘薇等,2009)。目前，对于防治水稻纹枯病主要通过化学药物与农药，但是化学药物污染较大，对环境具有很明显的毁坏作用，病菌抗药性问题日益突出。近年来，有关实验均表明，采用生防菌来进行生物防治具有明显的效果，如生防真菌、放线菌，本综述将针对这些生防菌进行讨论。1纹枯病生物防治的历程根据目前研究，水稻纹枯病的生物防治历程主要伴随着从抗病种质资源的挑选和抗病品种的选育和利用以及利用化学药物进行防治，最后通过生物进行防治。20世纪70年代初，国际水稻研究所从全球各地收集与鉴定挑选水稻纹枯病的抗病品种，中国湖南省从70年代中期开场，彭绍裘和范坤成(1986,湖南农业科学,(4):1-6)就连续8年鉴定和挑选有没有明显抗性的品种，但是很遗憾，仅找到少数中抗材料。近年来，随着水稻光敏核不育资源的发现和鉴定，朱立宏等(1990)用核不育材料为受体亲本，通过与一些中抗样本建立轮回选择体系，得到一些具有明显抗性品系的作物。随着化学药物的合成，研究发现利用化学药物能够有效抑制纹枯病的产生，自从1968年日本研究人员发现用于控制水稻纹枯病的井冈霉素后，由于井冈霉素的高效性，沈寅初(1996,植物保护,22(4):44-45)分离出一种能产生井冈霉素(Validamycin)的真菌，进而进行大规模培养。获得井冈霉素，用于水稻纹枯病的防治，每年治理面积可高达8.7×106hm2。井岗霉素具有高效、耐用、低毒、对环境安全等众多优点。然而，随着水稻耐药水平的提高，控制病害所需的井岗霉素的浓度也逐步升高，控制效果却越来越差，这就意味着为了保护水稻高产稳产，寻找新的生物防治方法来控制水稻纹枯病变得至关重要。2生防菌种类2.1生防真菌据曾金凤(1995)的研究，在福建进行考察的时候，她从永泰的土壤中分离出一种广谱抗菌性的真菌菌丝，且通过后续种属鉴定属于青霉菌属。它们可引起水稻纹枯病细胞质浓缩和质壁分离，对水稻纹枯病具有很强的抑制作用。Sriram等(2000)从绿色木霉的菌株中分离出一种抗真菌蛋白，这种抗真菌蛋白能够使RS毒素引起的症状和电解质渗漏现象消失，还能够灭活RS毒素以治愈纹枯病。第二年，Shanmugam等(2001)发现抗真菌蛋白质是一种全新的-葡萄糖苷酶，通过测试该酶与RS毒素之间的互相作用效果，结果发现全新的-葡萄糖苷酶能够与RS毒素结合，进而使RS毒素失活。Wang等(2013)鉴定并分析了一种根际真菌菌株MF-91，该菌株对稻瘟病菌和水稻纹枯病病原体R.solani有拮抗作用。菌株MF-91被鉴定为金色毛壳菌，其代谢产物能够使得温室大棚中的水稻减少35.02%的水稻纹枯病，田间的水稻减少57.81%的水稻纹枯病。这是第一次证实金色毛壳菌可能是水稻纹枯病的潜在杀菌剂。2.1.1哈茨木霉菌哈茨木霉菌(Trichodermaharzianum)作为一种生防菌能够用来预防由腐霉菌、立枯丝核菌、镰刀菌、黑根霉、柱孢霉、核盘菌、齐整小核菌等病原菌引起的植物病害。李松鹏等(2018)通过从湖北黄冈分离的两株哈茨木霉菌株3S1-13和4S2-46，其发酵液对水稻纹枯病的菌丝生长及菌核构成有较强抑制作用，具有明显防治水稻纹枯病潜力。沙莎等(2013)则通过高速逆流色谱法(HSCCC)直接从哈茨木霉菌发酵液的乙酸乙酯提取液中分离出对立枯丝核菌有明显抑制作用的主要活性成分，经FTICR质谱及核磁共振鉴定为木霉菌素。而木霉菌生防作用的生化机制主要包括代谢几丁质酶、-1,3-葡聚糖酶、蛋白酶等多种胞外酶，为一些抗菌蛋白，其能够强烈水解植物病原真菌的细胞壁，或使真菌细胞壁释放出诱导物，进而启动植物的防御反响。2.2生防细菌2.2.1芽孢杆菌科陈志谊等(2000)从某些与水稻纹枯病有关的样品中分离出B-916细菌(枯草芽孢杆菌)，其发酵液能够有效地控制纹枯病，B-916培养液对水稻纹枯病的防治效果到达81.9%(50.0%81.9%)。陈刘军等(2014)发现了一种针对多种土传病原菌的生防细菌，这种细菌可在田间有效防治水稻纹枯病，经鉴定，为蜡状芽孢杆菌AR156。此外，AR156菌株对水稻纹枯病菌的控制率可达73.06%，AR156菌株能抑制水稻纹枯病菌的生长，直接降低病害传播的可能性，能加强水稻保护性酶SOD，PAL，POD和CAT活性，增加水稻对纹枯病的抵抗力。Peng等(2014)发现，对很多细菌和真菌具有广泛的抗微生物活性的枯草芽孢杆菌NJ-18对于水稻纹枯病菌的防治十分有效。并且把NJ-18和井冈霉素进行混合用以防治水稻纹枯病，到达了很好的效果，这是对这种病害的进一步抑制。Padaria等(2016)鉴定出短小芽孢杆菌MTCC7615的吩嗪-1-羧酸基因(phcCD)，它对水稻纹枯病菌有拮抗作用，并分析了芽孢杆菌属物种和假单胞菌属物种的phcCD序列，发现它们之间有98%的类似性，这表明这两个细菌家族都具有控制水稻纹枯病的能力。2.2.2假单胞菌科在过去研究中，通常围绕芽孢杆菌家族对水稻纹枯病的拮抗作用进行。固然在小麦病害的防治领域，有关假单胞菌家族抗病害的报道很多，但合理利用假单胞菌家族治疗纹枯病，对研究人员来讲是一个新的发现，也是一个新的领域(Zhang等,1996)。郑爱萍等(2002)发现了从水稻中挑选到的一株金色假单胞菌菌株B34，它能够抵抗纹枯病菌，其粗提物能够使得纹枯病菌菌核的发芽率降至69%，体外抑菌圈宽度能够到达超过10.3mm。Nagarajkumar等(2005)发现，在纹枯病菌的分离株中，强毒株比毒性较弱的分离株分离出更多的草酸，而且他们分离出可分解草酸的萤光假单胞菌的菌株PfMDU2，而该菌株对纹枯病菌菌丝的生长有强烈的抑制作用。根据他们的实验，与对照组相比，荧光假单胞菌菌株PfMDU2使得水稻纹枯病的病害程度降低了75%。任小平等(2005)研究表明，他们从3种不同的水稻栽培形式中挑选出13株针对纹枯病菌的强拮抗细菌，它们来自对1000株细菌的离体挑选。直接播种的水稻细菌数量明显高于直播种植和移栽的水稻细菌数量。在盆栽和田间试验中，他们获得了三种在控制水稻纹枯病方面表现较好的菌株，分别鉴定为沙门氏菌G亚型，铜绿假单胞菌和假单胞菌属。Mathivanan等(2005)测试了荧光假单胞菌和绿色木霉菌的滑石制剂的作用。单独或混合施用于水稻，已了解其对水稻纹枯病的防治效果。结果发现，混合使用这两种细菌，水稻纹枯病的抑制效果略有改善。同时，荧光假单胞菌M18经生物培养分泌的一种抗菌素申嗪霉素，是一种广谱抑制植物病原菌杀菌剂，具有广谱、高效的特点。钱艳杰等(2018)通太多次重复田间药效试验，探究申嗪霉素对水稻纹枯病的田间防治效果，结果表明了申嗪霉素对水稻纹枯病具有良好的防治效果，通过施加申嗪霉素后，7d的防治效果达88.64%，而15d的防治效果高达100%，讲明申嗪霉素有明显抑制效果。聂亚锋等(2007)从连云港海域采集的海泥和海水中分离出643株海洋细菌，挑选鉴定后得到PYsw-1(假单胞菌属)菌株，其粗培养物对水稻纹枯病的抑制效果最好。田间试验表明，喷施PYsw-17d后，防治效果可达53.9%63.2%。Shanmugaiah等(2010)、Padaria等(2016)先后发现了由铜绿假单胞菌MML2212产生的吩嗪-1-甲酰胺的抗菌活性。他们揭示了PCN的晶体构造以及关于构造化学的一些额外信息，这些信息能够作为将来开发控制水稻纹枯病的农用化学品的备选信息。2.2.3放线菌属放线菌属是土壤中的主要微生物群之一，种类丰富，是大多数抗生素的重要来源(Yangetal.,2009;Harikrishnan等,2014)。陈丹等(2015)首先在中国发现了极其黑暗的链霉菌CZB40，其10倍的无菌稀释液对水稻纹状体菌丝体的生长抑制率达了94.85%。曹琦琦等(2013)从不同土壤、植物和立枯丝核菌菌丝体中得到325株细菌和86株放线菌，并对其进行了分离。通过采用琼脂平板双重培养和发酵滤液修正培养基挑选方法，挑选出对纹枯病菌有较强拮抗活性的一株细菌和一个放线菌菌株。它们对纹枯病菌的菌丝体生长的抑制率分别为75.56%和84.07%。从不同土壤，植物和细菌核心样本中分离挑选出放线菌，发现放线菌对致病菌有较强的拮抗作用。彭卫福等(2016)获得了链霉菌C2，其对多种植物病原真菌(例如水稻纹枯病菌,稻瘟病菌,西瓜枯萎病菌等)具有明显的抑制作用。但在水稻纹枯病的生物防治中，因不同的生防菌种类有不同的特点(表1)，难以挑选出拮抗微生物。研究人员通常需要挑选数百种菌株，才能获得一种具有高效率抗菌性的菌株。但同时，控制效果并不稳定，一般彷徨在50%左右。另外，拮抗细菌的广泛使用也导致了纹枯病菌的抗性，降低了拮抗细菌控制能力。因而，应迫切寻求更稳定、更有效的防治方法。或许计算机辅助设计能够用来提高微生物挑选的效率，节省人力和物力资源(刘薇等,2009)。3水稻纹枯病的其他防治策略3.1稻鸭共养形式稻鸭共养形式是一种为探索绿色、生态稻米栽培新途径，创新研究的一种高效形式，且遵循水稻生长自然规律，采取可持续发展的农业技术。刘薇等(2009)提到，通过最新的研究表明共同养殖水稻和鸭子能够抑制水稻纹枯病。这种养殖方法不仅能够控制害虫和杂草，还能够减少水稻纹枯病的发生。根据所做的试验可知，放鸭两周后水稻叶面害虫分别下降75%和65%，3周后基本绝迹。薛正杰等(2009)在稻鸭复合生态系统中，发现水稻纹枯病平均病蔸率、平均病株率、病情指数均在一个较低的水平，与同样的常规用药处理区相比，病蔸率、病株率、病情指数下降较多。通过这些数据表明稻田养鸭能够基本控制纹枯病的危害，而且适宜大面积推广及应用。3.2基因工程方法Molla等(2013)揭示了以绿色组织特异性方式过度表达水稻草酸氧化酶基因，该基因能够通过分解草酸来控制水稻纹枯病。从他们的测试中，转基因水稻显示出对纹枯病的抗性明显加强的迹象，这表明水稻草酸氧化酶基因能够通过操纵水稻内部的基因此用于纹枯病的防治。Sripriya等(2017)发现烟草浸透蛋白(ap24)和水稻几丁质酶(chi11)基因的组合表达能够加强水稻纹枯病耐受性，ap24和chi11遗传转录可能导致水稻产生高水平的浸透蛋白和几丁质酶蛋白，这能够降低水稻纹枯病的病害指数百分比。通过使用基因工程，研究人员能够显著提高水稻对纹枯病的抗病性，这个方法充满前景和希望。4讨论与瞻望目前，研究人员已经分离并挑选出了很多水稻纹枯病菌株，但其中很少能够广泛使用。生物防治菌株在防治效果和生存情况方面远远低于室内盆栽试验结果，原因在于对生防细菌在田间的控制遭到多种因素的影响，如宿主物种、温度、湿度、施用方法、生防细菌定殖力等等，这样就不能充分发挥生物防治的作用(李雪婷等,2017,长江大学学报,14(14):15-18)。有学者以为由于水稻叶片的外表张力及蜡质层的影响，使得新鲜细菌不能长期在植物中定植病原体(王奎萍等,2013,江苏农业科学,41(5):110-112)。综上所述，目前水稻纹枯病的生物防治主要集中在挑选拮抗细菌上，并且有两个主要的防治水稻纹枯病的拮抗菌家族(芽孢杆菌属和假单胞菌属)。现阶段的研究中，应重点关注芽孢杆菌属和假单胞菌属的挑选与甄别工作，并且利用转基因等手段使拮抗菌在田间试验中也能有效地进行转化应用，使其能够更好地进入到目的水稻植株内，进而增加水稻的抗病性。并且在将来，研究人员需要考虑的不仅仅是单纯的挑选水稻纹枯病的拮抗菌研究，还需在更广的领域多方面综合地研究水稻纹枯病的生物防治方法。例如基因工程的进一步运用，以及利用稻鸭混养形式，或采用新型水稻育种方法等，进而在水稻纹枯病的生物防治方面获得更好的效果，提高水稻的产量和品质，为人们提供更优质和来源稳定的粮食。