绿色防控技术漫谈：芽孢杆菌与作物健康

在当前农业生产中正在广泛应用的微生物制剂中，芽孢杆菌类可谓占比最大。但我一直对这类微生物没有系统了解，今天开始从头梳理一下，它们是谁、都有哪些成员且各自有什么特点、作用机理是什么、生产中如何应用更合理？

       之前只知道，枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、坚强芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌，还有苏云金杆菌，都属于芽孢杆菌，这几年又出现了贝莱斯芽孢杆菌制剂。对于这其中的大部分芽孢杆菌，我仅仅知道名称，没有更深入的了解。

       先来看看，芽孢杆菌是什么类别的生物，整体上看，它们在农业生产中有哪些有益的功能。

       芽孢杆菌是细菌，原核生物，杆状、有鞭毛、有荚膜有芽孢，大都属于有益菌。然而，人类对它们的认知有一个漫长的过程。

       1676年，显微镜发明者虎克在一位未刷过牙的老人的牙垢上发现了一种棍棒状的东西，把它们叫做animalcules，意为小动物。但直到1828年德国人克里斯汀·戈特弗里德·埃伦伯格（Christian Gottfried Ehrenberg）根据希腊语βακτηριον，才把它命名为Bakterien，意为小棍子。法国科学家巴斯德（Louis Pasteur）则通过著名的曲颈瓶实验证明它们是细菌，是一类微生物，而不是凭空产生的。

       1835年，研究霍乱起因的克里斯汀·戈特弗里德·埃伦伯格（Christian Gottfried Ehrenberg）把一种细小、弯曲、革兰氏阳性的细菌命名为Vibrio subtilis，意为细弱弧菌，但那个时候囿于技术手段及对自然科学的认知水平，这个命名还很难说清楚它在自然界中的实际地位。1872年德国科学家费迪南德·科恩（Ferdinand Cohn）建立了第一个细菌分类系统并根据细菌的形态特征命名了芽孢杆菌属（Bacillus）。同时把Vibrio subtilis命名为枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）。

       现代生物分类学根据基因特征、表型特征和化学特征，分类地位更加准确。

       著名的《伯杰氏系统细菌学手册》第2版第3卷是这样划分芽孢杆菌的：

       Firmicutes（厚壁门）—Bacilli（杆菌纲）—Bacillales（芽孢杆菌目）—Bacillaceae（芽孢杆菌科）—Bacillus（芽孢杆菌属）。

       本属于原核生物界的细菌分为薄壁菌门（Gracilicutes）和厚壁菌门（Firmicutes），前者革兰氏染色阴性，后者革兰氏染色阳性。

       顾名思义，芽孢杆菌的菌体呈杆状，周生鞭毛，在遇到极端环境条件时内生芽孢，好氧或兼性厌氧，腐生。

       芽孢杆菌广泛存在于自然界的土壤、植物体内、空气及水体中、动物及人的肠道内，耐性极强，除了很小一部分芽孢杆菌属于植物病原细菌之外，芽孢杆菌大都和植物、动物和人共栖而生，是人类生存的一大助手。

       除了苏云金杆菌之外，土壤中的大多数芽孢杆菌具有解磷解钾、抑菌以及促进植物生长功能，它们又被人们划分到土壤有益菌（EM菌）或根际细菌（PGPR）。

       生态位竞争（niche competition），芽孢杆菌都有着极强的繁殖速率和适应能力，这造就它们牢牢地占领土壤或植物体内最适宜的生存和活动位置，与有害菌展开生态位竞争，把有害菌“挤出去”。

红色的有益菌与紫色有害细菌竞争根际最适宜栖息并汲取营养的位置

（图片来自Microbe wiki）

       拮抗作用（antagonism），拮抗就是对抗的意思，芽孢杆菌在活动过程中会产生很多能够抑制其它病菌的抗生素类代谢产物，包括枯草芽孢杆菌分泌的伊枯草菌素（Iturin）、泛革素（Fengycin），地衣芽孢杆菌分泌的杆菌肽（Bacitracin），蜡样芽孢杆菌分泌的双效菌素（Zwittermicin A）、卡那霉素水解物（Kanosamine）及大侧柏素（Plipastatin），自苏云金杆菌分离出来的库斯塔克素（Kurstakin），短芽孢杆菌合成的短杆菌肽（Gramicidin）等。这些抗生素能够拮抗（不是直接杀死）植物病原菌的生存和侵染。

       溶菌作用（cell-lytic effect/bacterisiolys），溶菌是指细菌通过分泌溶菌酶（muramidases）类物质破坏其它生物的细胞结构，致使寄主真菌菌丝生长变慢、变粗肿大、解体，孢子细胞壁出现穿孔、畸形等表现。许多芽孢杆菌对植物病原真菌有溶菌作用，比如凝结芽孢杆菌TQ33的代谢物质苯乳酸对甜瓜疫霉菌和灰葡萄孢菌有溶菌抑菌作用，其机理主要是苯乳酸能够破坏真菌的细胞壁和细胞膜。

       解磷解钾作用（Phosphate & Potassium Solubilization），包括枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、侧孢芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌等有多种机制提高含磷、含钾化合物的溶解性，提高磷和钾的有效利用率。

       产生铁载体（Siderophore Production），土壤中占比最多的铁营养形态三价铁离子水溶性很差，植物难以直接吸收，有的土壤根际细菌可以分泌一种能够螯合铁离子的有机化合物——铁载体，把三价铁离子直接送到根细胞的膜上，然后再通过还原酶转化为二价铁，最终被细胞吸收。地衣芽孢杆菌、贝莱斯芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、莫氏芽孢杆菌以及枯草芽孢杆菌等以能生产铁载体而闻名。

       诱导植物系统性抗病（Induced Systemic Resistance，ISR），植物有系统性抗病和获得性系统性抗病（Systemic Acquired Resistance，SAR）两种抗病机制，前者通过乙烯ET/茉莉酸JA信号途径激活，但不会触发任何抗病基因（R基因）；后者通过水杨酸SA信号途径激活且会触发部分抗病基因。非致病性的根际细菌（PGPR），通过释放抗生素、铁载体、挥发性有机化合物VOC诱导植物的ISR。比如，枯草芽孢杆菌B29可以诱导黄瓜根系中的苯丙氨酸解氨酶PAL、过氧化物酶POD、多酚氧化酶PPO活性增强，从而提高植株对枯萎病的抗病能力。

       群体感应淬灭（quorum quenching），和人一样，微生物群体之间也有个体通讯和信息交流——群体感应（quorum sensing），N-酰基高丝氨酸内酯（N-acyl homoserine lactone，NHL）是一种群体感应分子，是植物病原菌增强病害传染性的信号分子。蜡状芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和苏云金杆菌释放的NHL酶能够分解掉这种群体感应信号分子，等同于断掉了这些病菌之间的通讯，进而破坏该种病菌的侵染活动，具有群体淬灭效应。

       产生挥发性有机化合物（product of volatile organic compounds，VOC），一些微生物产生挥发性化合物作为信号分子参与各种代谢。比如枯草芽孢杆菌产生的2,3-丁二醇（2,3-butanediol）就是一种参与抗病机制的挥发性有机化合物。

       形成生物膜（biofilm formation），虎克当年在老人的牙齿中发现的称之为“小动物”的东西实际上是很多个微生物集聚在一起的群落。微生物群落往往在寄主细胞外或所栖息的部位周围形成一个具有保护作用的黏层，其中含有多糖、蛋白质、脂质、细胞外DNA和RNA以及其它生物分子，还有来自周围环境积累的盐、金属等物质。1978年微生物学家 J. William Costerton和他的同事第一次使用生物膜这个词来描述这种现象。贝莱斯芽孢杆菌、萎缩芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌可以定殖在植物的根上并形成含有杆菌素和表面活性素的生物膜。

冷凝管上（condenser tube）的细菌生物膜形成过程，蓝色代表蛋白质，绿色是碳水化合物，橙色的是细菌，浅黄色是细胞外多聚化合物，所有围绕着橙色菌体的物质构成生物膜（图片源自Biology dictionary）

       另外，芽孢杆菌还能产生生长素、赤霉素、细胞分裂素以及乙烯等植物激素促进植物生长，提高植物抗逆水平。

       总起来说，大多数芽孢杆菌是农业生产中的有益菌，它们的具体功能有很多，但也并不是所有的芽孢杆菌都具有以上这几大功能，不同的物种往往所侧重的功能不一样，甚至同一物种的不同菌株（类似于植物的品种）所侧重的功能也不一样。

       这就提醒我们，生产中需要根据当地的土壤性状以及准备解决的问题，选择合适的芽孢杆菌物种及其菌株，尤为重要的是，还要注意品牌及其菌剂筛选和生产工艺。同时，合理使用也很重要。