暹罗芽孢杆菌N12产生的表面活性素防治小麦白粉病的疗效与机制

《Physiological and Molecular Plant Pathology》:Efficacy and Mechanism of surfactin from Bacillus siamensis N12 against Wheat Powdery Mildew

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月07日 来源:Physiological and Molecular Plant Pathology 3.6

编辑推荐:

   摘要 小麦白粉病由禾谷蠕孢(Blumeria graminis f. sp. tritici,Bgt)引起,严重危害小麦产量和籽粒品质。鉴于化学杀菌剂抗性问题的日益严重,开发有效的生物防治方法至关重要。本研究从健康小麦根系中分离出暹罗芽孢杆菌N12(Bacillus s

  

摘要

小麦白粉病由禾谷蠕孢(Blumeria graminis f. sp. tritici,Bgt)引起,严重危害小麦产量和籽粒品质。鉴于化学杀菌剂抗性问题的日益严重,开发有效的生物防治方法至关重要。本研究从健康小麦根系中分离出暹罗芽孢杆菌N12(Bacillus siamensis N12)。通过酸沉淀、溶剂提取和超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱(UPLC-Q-TOF-MS),获得了N12菌株的三种表面活性素类似物(C13–C15)。表面活性素对Bgt孢子萌发的90%有效浓度(EC90)为1.0 mg/mL,抑制率达到90.22%。盆栽实验中,表面活性素对小麦白粉病的保护和治疗效果分别为85.92%和79.71%。此外,表面活性素通过多种靶点破坏病原菌,包括破坏细胞膜完整性、减少麦角甾醇合成、增加膜通透性(导致DNA和蛋白质泄漏)。同时,它还引起氧化应激,活性氧(ROS)积累和丙二醛(MDA)水平升高,并产生核损伤。表面活性素处理使与防御相关的酶苯丙氨酸解氨酶(PAL)、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性分别提高了1.57倍、1.26倍和1.34倍。此外,与对照组相比,菌悬液显著增加了株高(20.51%)和干重(30.92%)。本研究探讨了表面活性素对Bgt的控制效果和作用机制,揭示了直接抗真菌活性和增强植物防御的双重作用模式。这些发现突出了表面活性素作为一种具有明确机制基础的新型生物防治剂的潜力。

引言

小麦是全球重要的粮食作物,养活近40%的世界人口,在全球粮食安全中发挥着关键作用(Zhang et al., 2025a)。由禾谷蠕孢(Blumeria graminis f. sp. tritici,Bgt)引起的小麦白粉病是全球小麦生产中最具破坏性的气传病害之一(Sotiropoulos et al., 2022)。目前,病害管理主要依赖化学杀菌剂和抗病品种。苯并咪唑类(如多菌灵)和咪唑类杀菌剂因其高效和操作简便而被广泛应用(Xu et al., 2026)。然而,化学农药的滥用加速了抗性病原菌种群的发展,导致田间防效逐渐下降和环境污染问题(Carton et al., 2025)。
携带主效基因(Pm基因)或数量性状位点的抗病品种通过限制病原菌侵染和减少化学依赖性,提供了一种经济可持续的替代方案(Liu et al., 2026; Jin et al., 2026)。然而,由于Bgt小种多样性高和毒力进化迅速,单一抗性基因在广泛种植后几年内经常被克服,导致抗性破坏和随后病害 resurgence(Zhang et al., 2025b)。
生物防治已成为一种有前景的可持续替代方案。生物防治剂及其代谢物通过多种机制发挥抗真菌作用——包括与病原菌竞争营养和空间、产生抗菌化合物(如脂肽和聚酮类)、分泌细胞壁降解酶以及诱导寄主防御反应——从而有效降低抗性风险。例如,特基拉芽孢杆菌(Bacillus tequilensis)显著抑制了Bgt,同时增强了小麦中与防御相关的基因表达(Bi et al., 2025),紫色镰刀菌(Talaromyces purpureogenus)的代谢物显著抑制了Bgt的附着胞形成(Zhao et al., 2026)。
内生菌是一类能够定殖植物组织而不损害宿主的微生物,为新生物活性代谢物提供了潜在资源(Buragohain et al., 2026)。随着对内生活菌研究的深入,它们被证明能够促进植物生长、提高对病虫害的抵抗力,并改善逆境耐受性(Li et al., 2026a)。此外,某些内生活菌合成抗菌化合物以增强其在寄主植物内的竞争力。由于结构多样性,这些代谢物引起了广泛关注,因为它们为开发抗菌剂替代品提供了新途径(Llanos-López et al., 2026)。
脂肽是具有多种特性的生物表面活性剂,包括表面活性素、伊图菌素和风雷菌素家族,也表现出强烈的抗菌活性(Isaia et al., 2025)。由于其多样的生物活性,脂肽在生物防治、药物开发和食品保鲜方面具有巨大前景(Zou et al., 2025)。表面活性素由环状七肽组成,赋予其亲水和疏水特性(Qin et al., 2025),表现出广泛的生物活性,包括抗肿瘤、抗菌、抗病毒和杀虫效果(Zhang et al., 2026)。最近的研究表明,脂肽在高浓度下可以通过在细胞膜上形成孔道来表现出抗真菌活性(Yang et al., 2026)。这些物质可以与病原菌细胞膜结合,进一步导致膜破裂和细胞分解(Gilliard et al., 2024)。此外,脂肽破坏病原菌中膜蛋白和酶的功能,从而干扰代谢稳态,最终导致细胞死亡(Zou et al., 2025)。
微生物及其活性物质可以通过高度复杂和多样的生理生化机制诱导植物抗病性,主要通过激活植物防御酶,包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT),从而增强植物对病原菌的抵抗力(Sreedharan et al., 2023)。由芽孢杆菌产生的脂肽作为多种植物防御反应的诱导子,能够触发系统性抗性,从而增强植物对多种病原菌的抵抗力(Meng et al., 2026; Pei et al., 2026)。根据先前的发现,表面活性素通过早期免疫反应以及增强与防御相关的基因表达来触发植物的系统性抗性(Aoki et al., 2025)。
表面活性素是一种广谱抗真菌脂肽,对多种植物病原真菌具有强效活性。然而,其针对小麦白粉病病原菌Bgt的具体机制仍未得到充分探索。关于表面活性素对Bgt孢子萌发和细胞膜完整性的直接抑制作用,以及其激活小麦防御酶系统的能力,关键知识缺口仍然存在。此外,表面活性素是否通过双重作用模式——结合直接抗真菌活性与诱导寄主抗性——也尚未得到系统阐明。
为了填补这些空白,我们从健康小麦根系中分离出产生表面活性素的内生菌——暹罗芽孢杆菌N12。本研究通过提取、纯化和结构鉴定系统表征了该活性代谢物,并评估了其对Bgt的抗真菌效果和机制基础。同时,我们研究了表面活性素触发小麦与防御相关的酶活性的能力,并评估了N12悬液促进植物生长的潜力。总体而言,这些目标旨在为表面活性素作为绿色生物防治剂防治小麦白粉病的发展奠定科学基础。

章节片段

菌株和小麦种子

从河南省南阳市一片栽培区中生长旺盛且无病害迹象的小麦根样品中收集了一株拮抗菌。禾谷蠕孢(Bgt)、禾谷镰刀菌PH-1(Fusarium graminearum PH-1)、黄曲霉(Aspergillus flavus)、黑曲霉(Aspergillus niger)、纹枯立枯丝核菌(Rhizoctonia cerealis)、尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)和茄科盘菌(Macrophomina phaseolina)保存在我们的实验室。正麦366小麦种子购自河南省科学院小麦研究所(郑州,中国)。

内生菌的分离

拮抗菌

拮抗菌N12的筛选

从小麦根系中筛选出46个细菌分离株。在进一步使用Bgt孢子萌发抑制试验和离体叶片段保护试验进行筛选后,N12菌株被确定为对小麦白粉病最有效的分离株。如图1A和B所示,孢子萌发抑制试验显示,对照组中的Bgt孢子正常萌发,而用50%的N12发酵上清液处理显著抑制了Bgt孢子萌发。

讨论

随着Bgt病原菌抗药性日益增强,化学杀菌剂在控制小麦病害中的效果逐渐下降。安全、可持续和环保的生物防治策略逐渐成为白粉病管理的核心方法(Zhao et al., 2026)。内生菌定殖植物组织,不易受外界环境干扰,并产生能够直接抑制病原菌侵染的次级代谢物。

结论

在本研究中,从小麦根系中分离出一株具有广谱抗真菌活性的内生菌——暹罗芽孢杆菌N12。其主要生物活性代谢物表面活性素显著抑制了Bgt孢子萌发,并对小麦白粉病表现出优异的保护和治疗效果。在机制上,表面活性素破坏了Bgt细胞膜完整性,诱导了ROS和MDA的积累,并干扰了DNA功能,从而抑制了真菌生长。同时,

CRediT作者贡献声明

段华曾:撰写-原稿、方法论、调查、概念化。王俊美:方法论、调查、正式分析。严进:数据整理。吴兴全:项目管理、资金获取。易艳杰:撰写-审阅与编辑、监督、资金获取。朱康博:数据整理。吴一:正式分析、数据整理。蓝金坡:数据整理。李怡曼:数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有利益冲突。

数据可用性

数据应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到河南工业大学复杂科学研究所基金(CSKFJJ-2025-26)和国家自然科学基金项目(32372621)的支持。
段华曾|王俊美|吴一|朱康博|李怡曼|蓝金坡|吴兴全|严进|易艳杰
河南工业大学生物工程学院,郑州450001,中国
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号