侧孢短芽胞杆菌在农业中的应用潜力_刘芳.pdf

39(1)231-240 中国生物防治学报 Chinese Journal of Biological Control 2023 年 2 月 收稿日期：2022-07-01 基金项目：湖北省农业科技创新资金（2021-620-000-001-027）作者简介：刘芳，助理研究员，E-mail：；通信作者，研究员，E-mail：。DOI:10.16409/ki.2095-039x.2023.02.013 侧孢短芽胞杆菌在农业中的应用潜力 刘 芳，吴红渠，温少华，方 伟，王开梅1*（湖北省生物农药工程研究中心/农业农村部微生物农药创制重点实验室，武汉 430064）摘要：侧孢短芽胞杆菌 Brevibacillus laterosporus 具有广泛的生物活性，在农业中具有重要应用价值。本文主要从侧孢短芽胞杆菌在植物病虫害生物防治、促生抗逆、提升土壤肥力及环境微生物修复等方面对侧孢短芽胞杆菌的农用生物活性进行了总结，并对其在农业中大规模应用所存在问题进行了分析，进一步展望了其在农业中的开发动向及应用潜力。关 键 词：侧孢短芽胞杆菌；生物防治；植物病虫害；促生；非生物逆境抗性 中图分类号：S476 文献标识码：A 文章编号：1005-9261(2023)01-0231-10 The Application Potential of Brevibacillus laterosporus in Agriculture LIU Fang,WU Hongqu,WEN Shaohua,FANG Wei,WANG Kaimei(Hubei Biopesticide Enginering Research Centre/Key Laboratory of Microbial Pesticides,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Wuhan 430064,China)Abstract:Brevibacillus laterosporus shows broad spectra of bioactivities which make itself great importance of application in agriculture.In this review,the bioactivities of B.laterosporus in the biological control of plant disease and insect pests,plant-growth promoting and stress tolerance,the improvement of soil fertility and the microbial bioremediation of environment were summarized,and the problems existing in its large-scale application in agriculture were analyzed.The development trend and application potential in agriculture were further prospected.Key words:Brevibacillus laterosporus;biological control;plant insect pests and diseases;plant growth promoting;abiotc stress resistance 微生物是农业可持续发展的重要基础，在农作物病虫害绿色防控、土壤生物肥力保持、农业废弃物资源化利用及土壤生物修复中发挥着重要作用。侧孢短芽胞杆菌是一类具有广泛生物活性的细菌，广泛存在于自然环境，包括土壤、水体、植物及动物体内。侧孢短芽胞杆菌最早于 1916 年从水体中分离到，当时被正式定名为侧孢芽胞杆菌 Bacillus laterosporus Laubach1,2。1996 年，Shida 等3基于 16S rDNA 基因序列及系统发育分析，将 Bacillus laterosporus 归至短芽胞杆菌属 Brevibacillus，命名为 Brevibacillus laterosporus。侧孢短芽胞杆菌的典型特征是可以形成一种附着在芽胞侧面的独木舟状伴胞体4,5。部分侧孢短芽胞杆菌菌株还可产生形状、大小各样的晶状包涵体6。侧孢短芽胞杆菌具有广泛的生物活性，特别是在农业领域具有广泛的活性。本文主要从侧孢芽胞杆菌在植物病虫害生物防治、促生抗逆、提升土壤肥力及农业环境治理等方面的活性进行了总结，希望本文能够有助于推动基于侧孢短芽胞杆菌的农用微生物制剂的开发，以促进农业的可持续发展。232 中 国 生 物 防 治 学 报 第 39 卷 1 侧孢短芽胞杆菌与病虫害生物防控 1.1 杀虫活性 侧孢短芽胞杆菌是多种无脊椎动物的病原菌7，对鳞翅目、双翅目及鞘翅目等多种害虫具有杀虫活性（表 1）。尽管其杀虫活性相对较弱，但也是害虫生物防治的一种选择。除了与芽胞侧面附着的伴胞体之外，部分侧孢短芽胞杆菌还产生类似于苏云金芽胞杆菌所产生的伴胞晶体8，这些伴胞晶体可能与其杀虫活性关联。其杀虫机制可能与苏云金芽胞杆菌伴胞晶体蛋白的杀虫机制类似，包括破坏昆虫幼虫肠道的表皮细胞、破坏细胞质、细胞器及线粒体结构，致使细胞膜损伤，细胞内含物会渗出9,10。侧孢短芽胞杆菌的杀虫活性可能还涉及到几丁质酶、蛋白酶、脂肽及芽胞表面蛋白等11,12。1.1.1 对鳞翅目害虫的杀虫活性 从白菜和饲料油菜中分离到的两株侧孢短芽胞杆菌 1821 菌株和 1951 菌株在浓度分别为 1.03107和 1.38107芽胞/mL 时对小菜蛾的致死率分别达到 90%和 50%13。侧孢短芽胞杆菌 1951 菌株尽管对白菜上小菜蛾的致死率不高，但其处理后 6 和 7 d 幼虫的化蛹率显著降低，通过激光共聚焦显微镜观察发现侧孢短芽胞杆菌 1951 菌株可在白菜组织中存在14。新西兰 Ecolibrium Biologicals公司开发的基于侧孢短芽胞杆菌 1951 菌株的生物杀虫剂-LateralTM于 2022 年 2 月获得新西兰环保署的登记，用于小菜蛾幼虫、草地贪夜蛾、玉米穗虫、大豆斜纹夜蛾和欧洲玉米螟等农、林及园艺害虫的防控15。侧孢短芽胞杆菌 V12/001946 菌株对多种鳞翅目害虫，如苹果小卷蛾 Cydia pomonella、新西兰卷叶蛾Cnephasia jactatana 及苹果淡褐卷蛾 Epiphyas postvittana 具有一定的杀虫活性16。侧孢短芽胞杆菌 UNISS 18 菌株对蜡螟、舞毒蛾及天幕毛虫等具有较强的活性，以 100 cfu/幼虫处理 48 h 后幼虫死亡达到 100%12。侧孢短芽胞杆菌 Lak1210 菌株对小菜蛾的杀虫活性可能与其所生产的几丁质酶相关，该菌株所产生的几丁质酶可使 2 龄或 3 龄小菜蛾的致死中时间缩短17。1.1.2 对双翅目虫具有杀虫活性 Rivers等18发现较高比例的侧孢短芽胞杆菌菌株对埃及伊蚊的幼虫具有杀灭活性。某些侧孢短芽胞杆菌菌株对双翅目害虫的毒性与其产生的芽胞与伴胞晶体有关19。侧孢短芽胞杆菌 615 及 921 菌株对埃及伊蚊 Aedes aegypti、斯氏按蚊 Anopheles stephensi 及淡色库蚊 Culex pipens 具有杀蚊活性，其中，菌株 615 的杀蚊活性与其产生的伴胞晶体蛋白相关19。一株从用于土壤调理的微生物菌剂中分离的侧孢短芽胞杆菌对按蚊、库蚊及埃及伊蚊具有一定的杀灭活性20，致死率达到 18%37%。Ruiu等21,22发现，一株分离自土壤的不产生伴胞晶体蛋白的侧孢短芽胞杆菌对家蝇及埃及伊蚊的毒力与芽胞相关，特别是与芽胞上的独木舟形伴胞体相关。侧孢短芽胞杆菌 UNISS 18 菌株对斑翅果蝇 Drosophila suzukii、反吐丽蝇 Calliphora vomitoria 及叉叶绿蝇 Lucilia caesar 的 LC50分别为 217.5106、78.8106和 148.3106 cfu/mL，其对家蝇的活性与对反吐丽蝇的活性相当；侧孢短芽胞杆菌 UNISS 18 菌株对淡色库蚊及埃及伊蚊具有高活性，LC50 分别为 0.097106和 0.179106 cfu/mL23。侧孢短芽胞杆菌 UNISS 18 菌株通过破坏家蝇幼虫的中肠表皮结构来杀死家蝇幼虫24。Floris 等25将侧孢短芽胞杆菌 UNISS 18 菌株申请专利保护，用于双翅目害虫的治理。利用侧孢短芽胞杆菌对家蝇的杀虫活性，可以将其作为家禽的饲料添加剂来控制家禽粪便中家蝇的发生16。Favret 和 Yousten27测定的 29 株侧孢短芽胞杆菌中超过 50%的菌株对致倦库蚊Culex quinquefacinatus 具有活性。侧孢短芽胞杆菌 NRS 590 菌株对埃及伊蚊及带蚋 Simulium vittatum 具有杀虫活性，高浓度的侧孢短芽胞杆菌芽胞悬液通过破坏家蝇消化道来杀死家蝇9。侧孢短芽胞杆菌 shi3 菌株在芽胞浓度为 1108芽胞/mL 时对大头金蝇 Chrysomya megacephala 的致死率达到 70%28，而侧孢短芽胞杆菌 Bon 707 菌株在浓度为 1.46107 cfu/mL 时对大头金蝇的致死率达到 70.5%29，浓度为 1.8107 cfu/mL 时可显著延长金蝇 Chrysomya putoria 的幼虫和蛹的历期，而且幼虫的重量也显著下降，从幼虫到成虫阶段的总死亡率达到 70%以上，1.13109芽胞/mL 的该菌株悬液对 C.putoria 的致死率达到 70.5%30。Pessanha 等31发现多株侧孢短芽胞杆菌对铜绿蝇 Lucilia cuprina 具有一定的致死活性，部分菌株可延长蛹的历期。尽管很多侧胞短牙胞杆菌菌株对双翅目害虫具有杀虫活性，但是活性相对较弱。侧孢短芽胞杆菌NRS 590 菌株对蚋的毒力较苏云金芽胞杆菌以色列亚种 H14 菌株低 100 至 1000 倍18,27。1.1.3 对鞘翅目害虫的杀虫活性 侧孢短芽胞杆菌对多种鞘翅目害虫具有杀灭活性。张书芳等32首次报道了侧孢短芽胞杆菌对蛴螬的毒性，采用注射感染法，多个侧孢短芽胞杆菌菌株对华北大黑鳃金龟、铜绿丽第 1 期 刘芳等：侧孢短芽胞杆菌在农业中的应用潜力 233 金龟、点蛀犀金龟及金匠花金龟等幼虫具有毒力，其中以 004 号菌株的毒性最高；但采用饲喂法时，004号菌株感染率仅为 20%。Rivers 等18发现侧孢短芽胞杆菌 Bon 708、ATCC31932 及 Shi5 菌株对烟草甲Lasioderma serricorne 及马铃薯甲虫 Leptinotarsa decemlineata 的幼虫具有一定的杀灭活性。从红棕象甲栖息地分离的侧孢短芽胞杆菌菌株对红棕象甲的致死率达到 40%50%33。De Oliveira 等34发现，所有的供试侧孢短芽胞杆菌无论是营养体还是芽胞都对棉铃象甲具有较强的灭虫活性。侧孢短芽胞杆菌 MB438 及MB439 菌株的发酵上清液对玉米根叶甲 Diabrotica virgifera 具有杀虫活性，进一步从中鉴定了两种杀玉米根甲的毒素蛋白35。从谷物粉尘中分离的侧孢短芽胞杆菌 EG5553、EG5551 及 EG5552 菌株分别含有Mpp75Aa1、Mpp75Aa2 和 Mpp75Aa3 杀虫蛋白，而这 3 种蛋白对玉米根叶甲都具有高活性，而且与苏云金芽胞杆菌来源的 Cry3Bb1 蛋白不存在交互抗性36,37，Mpp75Aa1 可被玉米根叶甲中肠中的蛋白酶加工形成寡聚体，并与中肠上膜相关的结合受体结合，形成穿孔并导致玉米根叶甲死亡38。1.1.4 对其他害虫及有害动物的活性 侧孢短芽胞杆菌 A60 菌株产生的激活蛋白 PeBL1 可显著