贝莱斯芽孢杆菌CE 100通过角质层降解酶生物防治甘草新害虫柑橘粉蚧的研究

《Biological Psychiatry: Cognitive Neuroscience and Neuroimaging》：Identification and biocontrol of Planococcus citri Risso (Hemiptera: Pseudococcidae), a new pest of licorice ( Glycyrrhiza uralensis Fisch.) using cuticle-degrading enzymes of Bacillus velezensis CE 100

本研究针对高价值药用植物甘草（Glycyrrhiza uralensis）面临的新型害虫柑橘粉蚧（Planococcus citri）危害问题，首次报道了利用贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）CE 100菌株产生的角质层降解酶（脂酶、几丁质酶和蛋白酶）进行生物防治的策略。研究通过形态学和线粒体COI基因测序鉴定害虫，并证实细菌培养物处理6小时可导致80%的粉蚧死亡率，扫描电镜显示其角质层蜡质层和结构蛋白被显著降解。该研究为替代化学农药、实现甘草的可持续生产提供了安全有效的解决方案。

　　

甘草（Glycyrrhiza uralensis）作为一种珍贵的药用和工业作物，其市场需求正随着医药、膳食和化妆品行业对甘草衍生生物活性化合物（如甘草酸、甘草素等）的需求增长而不断扩大。然而，这种高价值作物的生产却长期受到各种害虫的困扰，尤其是多食性刺吸式害虫，严重影响了甘草的产量和品质。传统的害虫防治主要依赖化学杀虫剂，但柑橘粉蚧（Planococcus citri）等害虫因其体表覆盖的蜡质层对农药具有天然抗性，加之抗药性种群的演化，使得化学防治效果日益不佳，不仅造成巨大的经济损失，还带来农药残留、环境污染和危害有益昆虫等一系列问题。因此，开发一种可持续、环境友好的替代防治策略迫在眉睫。

在这一背景下，研究人员首次在全球范围内报道了柑橘粉蚧对甘草栽培造成的严重危害，并探索了利用昆虫病原细菌——贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）CE 100菌株——进行生物防治的潜力。这项研究旨在解决化学农药在防治具有蜡质保护层的粉蚧时效力不足的难题，为甘草的安全生产提供一条新途径。

为了系统地回答上述问题，研究人员主要应用了几项关键技术方法。首先，他们通过形态学观察和线粒体细胞色素C氧化酶亚基I（COI）基因的DNA条形码测序，对采集自韩国益山温室甘草田的害虫样本进行了精确鉴定。其次，在实验室条件下培养了贝莱斯芽孢杆菌CE 100，并系统监测了其生长曲线以及在不同培养时间点分泌的角质层降解酶（包括脂酶、几丁质酶和蛋白酶）的活性。接着，研究人员设计了昆虫毒力实验，比较了细菌培养物、空白培养基对照组和清水对照组对成年雌性柑橘粉蚧的致死效果。最后，利用扫描电子显微镜（SEM）细致观察了经细菌处理后的粉蚧体表角质层的形态变化，以直观展示酶的降解作用。

3.1. 粉蚧鉴定

研究人员通过形态学观察，发现害虫具有18对臀角，每个臀角上有一对锥形刚毛，这一关键特征与柑橘粉蚧的描述一致。分子鉴定进一步证实，所采集样本的COI基因序列与已知的柑橘粉蚧序列（如来自韩国和菲律宾的序列）相似度高达100%，序列差异为0%，从而确凿地将其鉴定为Planococcus citri。

3.2. 细菌细胞生长模式和裂解酶活性

贝莱斯芽孢杆菌CE 100的生长曲线显示，其在培养6天后达到最大细胞密度（25.6 × 10⁷ CFU/mL）。与此相对应，细菌分泌的三种角质层降解酶的活性也在培养第6天达到峰值：脂酶活性为32.7 unit/mL，几丁质酶活性为96.5 unit/mL，蛋白酶活性为35.7 unit/mL。这表明细菌的生长与酶的产生密切相关，第6天的培养物是进行后续生物防治实验的最佳选择。

3.3. 昆虫病原细菌对成年雌性柑橘粉蚧的杀虫效果

昆虫毒力实验结果表明，用培养6天的细菌悬浮液处理柑橘粉蚧，在短短1小时内就造成了60%的死亡率，6小时后死亡率高达80%。而空白培养基对照组和清水对照组在整个实验期间均未引起任何粉蚧死亡。这一结果清晰地证明了贝莱斯芽孢杆菌CE 100培养物具有快速且高效的杀虫能力。

3.4. 昆虫病原细菌引起的成年雌性柑橘粉蚧体表形态变化

扫描电镜观察为细菌的杀虫机制提供了直接的形态学证据。对照组的粉蚧体表光滑，蜡质层完整，刚毛直立。而经细菌处理后的粉蚧，其体表出现了严重的降解：蜡质层被侵蚀，表皮出现深裂纹，从外表皮延伸至内表皮，并且刚毛断裂。这些损伤破坏了粉蚧防止水分蒸发和抵御外界病原入侵的天然屏障。

本研究通过严谨的鉴定，首次确认柑橘粉蚧是甘草生产中的一种重要害虫。更重要的是，研究揭示了贝莱斯芽孢杆菌CE 100作为一种高效的生物防治剂的巨大潜力。其杀虫机制主要归因于细菌分泌的脂酶、几丁质酶和蛋白酶的协同作用。脂酶首先降解粉蚧体表防水抗药的蜡质层，随后几丁质酶和蛋白酶分别分解角质层中的几丁质纤维和结构蛋白，最终导致粉蚧因角质层结构被破坏而死亡。这种基于酶解的防治策略，不仅作用迅速，而且避免了化学农药的诸多弊端。该研究成果为甘草及其他高价值作物的害虫综合治理提供了一种新颖、环保且有效的解决方案，对推动中药材的可持续安全生产、保障产品质量和减少环境足迹具有重要的理论和实践意义。研究结果发表在《Biological Psychiatry: Cognitive Neuroscience and Neuroimaging》上，为相关领域的应用提供了科学依据。