《Biological Control》：Microbial-based biocontrol of
Fusarium species causing wheat crown rot: current status and future prospects
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本文系统综述了针对小麦茎基腐病（WCR）的多种微生物防治策略，指出在化学药剂弊端显现的背景下，以芽孢杆菌（Bacillus）、假单胞菌（Pseudomonas）、木霉（Trichoderma）及病毒（如巨双链RNA病毒Megabirnavirus）等为代表的生防菌剂，通过产生次级代谢物、酶、挥发性有机物（VOCs）、诱导系统抗性（ISR）及竞争等多种机制，可有效抑制镰刀菌（Fusarium spp.）生长并降低病害严重度。文中不仅归纳了各类生防剂的防效数据，还探讨了其作用机理（如细胞壁降解、基因表达调控等），并强调了为实现田间可持续应用所需应对的挑战与未来研究方向。
在全球粮食安全面临严峻挑战的背景下，植物病害每年可造成高达17-23%的产量损失。其中，由镰刀菌（Fusarium spp.）引起的小麦茎基腐病（Wheat Crown Rot, WCR）是全球小麦生产中最普遍且严重的病害之一。该病在中国河南省等地广泛发生，可导致高达38.0-63.1%的产量损失。引起WCR的主要病原菌包括假禾谷镰刀菌（F. pseudograminearum）、禾谷镰刀菌（F. graminearum）、黄色镰刀菌（F. culmorum）等，其中F. pseudograminearum是中国、澳大利亚和丹麦等地的优势致病种。该病原菌不仅侵染小麦维管组织，限制水分和养分运输，其产生的次级代谢产物，如B型单端孢霉烯族毒素脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON），更会对人类和动物的肠道屏障、免疫系统造成损害，引发呕吐、腹泻和免疫抑制等症状。尽管化学杀菌剂曾是高效的管理手段，但其带来的环境污染、健康危害和农药残留等问题，促使科学家们转向开发环境友好的替代策略。因此，利用微生物进行生物防治已成为当前的研究热点和新兴趋势。
2. 针对WCR的多种生物防治剂
大量研究表明，多种微生物在防治WCR方面展现出巨大潜力。这些生防剂主要包括细菌、真菌和病毒三大类。
2.1. 芽孢杆菌（Bacillus）在WCR防治中发挥关键作用
芽孢杆菌因其丰富的次级代谢产物而具有重要的商业价值。例如，贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）BF-237在人工和自然土壤中分别实现了56.61%和53.32%的防效。耐盐芽孢杆菌（B. halotolerans）QTH8可100%抑制分生孢子萌发。从根际分离的枯草芽孢杆菌（B. subtilis）YB-15防效高达81.50%。萎缩芽孢杆菌（B. atrophaeus）SW能将病害严重度指数降低76.07%。暹罗芽孢杆菌（B. siamensis）YB-1631的无细胞培养滤液可抑制84.14%的菌丝生长和92.23%的分生孢子萌发，并导致病原菌细胞扭曲、破裂。解淀粉芽孢杆菌（B. amyloliquefaciens）菌株52在正常和干旱胁迫下，分别能将病害严重度降低82%和61%。此外，贝莱斯芽孢杆菌YB-185在温室和田间分别实现了66.1%和57.6%的防效，并能提高谷物产量。许多研究还探索了芽孢杆菌与其他物质的联用，例如将解淀粉芽孢杆菌B18、枯草芽孢杆菌S8与戊唑醇联用，防效可达90.91%和95.45%；利用贝莱斯芽孢杆菌M3–7产生的脂肽合成银纳米颗粒（Ag-NPs），也显示出对黄色镰刀菌的有效杀灭作用。
2.2. 其他可用于防治WCR的细菌种类
除芽孢杆菌外，多粘类芽孢杆菌（Paenibacillus polymyxa）可抑制禾谷镰刀菌、黄色镰刀菌和轮枝镰刀菌（F. verticillioides）等多种病原菌，防效在72%-78%之间。诺尔斯链霉菌（Streptomyces noursei）S86的发酵液包衣种子，对假禾谷镰刀菌和禾谷镰刀菌的防效达到68.33%。卡瓦假单胞菌（Pseudomonas khavaziana）SR9的生防效果为83.99%。铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）QY43的抑制率为78.74%。杀鲑假单胞菌（P. plecoglossicida）NR_114226在温室中使病害严重度降低了66.06%。通过基因工程手段，将吩嗪-1-羧酸（PCA）合成基因导入荧光假单胞菌（P. fluorescens）HC1-07，使其能同时产生环脂肽（CLP）和PCA，增强了其拮抗能力。链霉菌（Streptomyces spp.）DEF09、S05、St4等菌株在实验室、温室及田间试验中，均显示出对镰刀菌的良好抑制效果，防效最高可达90%。德沃斯菌（Devosia insulae）FS10-7、抗生溶杆菌（Lysobacter antibioticus）HS124等也具有抑制病原菌或降解DON毒素的能力。
2.3. 有效对抗WCR的真菌种类
多种真菌生防剂同样表现出色。球毛壳菌（Chaetomium globosum）对多种镰刀菌的抑制率在27.9%至72.9%之间。村上篮状菌（Talaromyces muroii）TM28对两个小麦品种的防效分别为58.49%和51.69%。黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）可抑制47%的病原菌生长。非洲哈茨木霉（Trichoderma afroharzianum）对黄色镰刀菌菌丝生长的最大抑制率可达80.68%。内生真菌乔德普顶孢霉（Acrophialophora jodhpurensisi）、根内生真菌印度梨形孢（Piriformospora indica）均能有效抑制病原菌的生长和侵染。哈茨木霉（T. harzianum）S.INAT的种子包衣处理在田间显示出直接拮抗作用。长枝木霉（T. longibrachiatum）在盐胁迫下仍能保持46.62%的抑制率。其他木霉菌种，如深绿木霉（T. atroviride）、绿色木霉（T. viride）、康宁木霉（T. koningii）等，也通过多种机制抑制镰刀菌。此外，昆虫病原真菌球孢白僵菌（Beauveria bassiana）和布氏白僵菌（Metarhizium brunneum）的内生定殖，以及丛枝菌根真菌（AMF）根内根孢囊霉（Rhizophagus intraradices）的接种，都能显著降低WCR的发病率和严重度，后者可使病原菌种群密度降低75.7%，病害严重度降低39%。
2.4. 具有WCR防治潜力的病毒
病毒生防剂资源有限，但前景广阔。从假禾谷镰刀菌中分离到的新型真菌病毒——假禾谷镰刀菌巨双链RNA病毒1（FpgMBV1），被证实可导致病原菌毒力衰退，有效防控病害。另一种双链RNA（dsRNA）真菌病毒——禾谷镰刀菌dsRNA病毒4（FgV4），也是一种与毒力衰退相关的病毒，具有作为WCR生防剂的潜力。探索病毒生防剂及其作用机制，将拓宽WCR的生物防治途径。
3. 微生物防治剂对抗镰刀菌的策略
生防剂通过多种复杂机制发挥功能，主要包括：
3.1. 酶的产生与基因表达调控
许多生防菌通过分泌细胞壁降解酶（CWDEs）直接攻击病原菌。例如，枯草芽孢杆菌YB-15可产生β-1,3-葡聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶。诺尔斯链霉菌S86能分泌纤维素酶、淀粉酶等。卡瓦假单胞菌SR9的基因组编码了多种细胞壁降解酶和抗菌代谢物合成基因。黄孢原毛平革菌在与病原菌互作时，与细胞壁降解、铁离子结合和真菌毒素合成相关的差异表达基因（DEGs）显著上调。生防剂还能调控病原菌自身的基因表达，例如FpgMBV1通过影响细胞壁降解相关基因的表达，破坏病原菌的早期侵染；深绿木霉TR8通过调控与氧化应激（cat）、类凋亡过程（mst20）和DON毒素产生（tri4）相关的基因来抑制病原菌。
3.2. 次级代谢产物是关键抗真菌物质
产生抗菌次级代谢产物是生防剂的核心机制之一。芽孢杆菌约4-5%的基因组致力于合成细菌素、抗菌肽、脂肽和聚酮化合物等次级代谢产物。耐盐芽孢杆菌QTH8编码了与表面活性素（Surfactin）和伊枯草菌素（Iturin）家族非核糖体合成相关的基因。诺尔斯链霉菌S86可产生丰加霉素、制霉菌素、茴香霉素等多种抗菌代谢物。卡瓦假单胞菌SR9的吩嗪（Phenazine）合成是其拮抗作用的关键因子。铜绿假单胞菌QY43分泌的铁载体和绿脓菌素（Pyocyanin）至关重要。解淀粉芽孢杆菌ZK-9、贝莱斯芽孢杆菌M3–7、枯草芽孢杆菌CB2等菌株产生的表面活性素、伊枯草菌素等脂肽，能破坏病原菌细胞膜通透性，导致内容物泄漏。
3.3. 竞争与诱导系统抗性（ISR）
营养与空间竞争是常见机制。多粘类芽孢杆菌SGK2在缺铁培养基上抑制镰刀菌生长，表明其通过产生铁载体竞争铁离子。浅白隐球酵母（Papiliotrema flavescens）通过与病原菌竞争营养、空间和寄生来发挥抗真菌作用。木霉菌、丛枝菌根真菌等也通过竞争根部定殖位点来抑制病原菌。诱导植物系统抗性是另一重要途径。印度梨形孢通过提高过氧化氢（H2O2）水平、过氧化物酶（GPX）和过氧化氢酶（CAT）活性，诱导小麦产生抗性。长枝木霉通过增强植物防御系统和上调病程相关基因表达来控制病害。蕈状芽孢杆菌（B. mycoides）BmJ的叶面喷施可诱导小麦系统获得抗性。绿色木霉和枯草芽孢杆菌分泌的酶和代谢物也能诱导系统抗病性。
3.4. 挥发性有机化合物（VOCs）的产生
一些生防菌产生的VOCs也具有生防功能。暹罗芽孢杆菌YB-1631产生的VOCs可抑制68.16%的病原菌生长。芽孢杆菌N54和假单胞菌N59等菌株可产生氨（NH3）和氰化氢（HCN）等挥发性物质。假单胞菌产生的2,4-二乙酰基间苯三酚（2,4-DAPG）和吩嗪也是其抑制WCR的重要机制。有趣的是，抗生溶杆菌HS124产生的VOCs虽然促进禾谷镰刀菌菌丝生长，但能减少真菌色素沉着，从而降低孢子形成。
3.5. 微生物防治剂的作用方式和靶点
在微观层面，生防剂能对镰刀菌菌丝和孢子造成多种物理损伤。例如，耐盐芽孢杆菌QTH8的培养滤液可导致病原菌菌丝畸形、原生质浓缩和断裂。暹罗芽孢杆菌YB-1631使分生孢子变形、芽管肿胀、原生质凝结、隔膜间隔缩短、皱缩和裂解。解淀粉芽孢杆菌ZK-9的脂肽使菌丝肿胀并产生球状结构。铜绿假单胞菌QY43导致分生孢子生长异常和质壁分离。真菌生防剂如黄孢原毛平革菌，其菌丝能吸附并缠绕病原菌菌丝，竞争生长空间，最终导致病原菌菌丝破裂、内容物外泄。
4. 未来展望
当前研究极大地拓展了我们对WCR有效生防剂的认识。芽孢杆菌在防治中展现出核心潜力。目前，以链霉菌K61为活性成分的Mycostop是市场上少数对镰刀菌有效的商品化产品之一。许多在温室或田间试验中表现优异的菌株，如贝莱斯芽孢杆菌YB-185、多种链霉菌等，有潜力作为生物农药的活性成分进行工业化生产，这将促进人类与环境安全，并利用其促生长特性提高产量。
然而，绝大多数生防剂的活性验证仍停留在实验室或温室阶段。为实现其实际应用价值，必须推进田间试验，明确可能影响生防剂田间活性的生物或非生物胁迫因素（如环境压力），并据此开发增强其环境稳定性和适应性的策略，例如添加保护剂或增效剂。通过转录组学等手段分析胁迫下的生防剂，可以培育出更具环境韧性的优良菌株。最终，通过深入理解生防剂的作用机制、优化其应用条件并克服田间应用的瓶颈，微生物防治剂有望成为实现小麦病害可持续绿色防控的关键解决方案。
