[科普中国]-多粘类芽孢杆菌

多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa；P.polymyxa)在分类学上的地位是：厚壁菌门，芽孢杆菌科，类芽孢杆菌属（Paenibacillus）。类芽孢杆菌属的细菌在自然界中分布较广，它们是一类生理特性多样的杆状细菌，也是土壤与植物微生态的优势种群之一。1

细菌介绍生防菌类别 ： 细菌

应用作物 ： 棉花、玉米、水稻、花生、马铃薯、黄瓜、青椒

防治对象 ： 棉花黄萎、黑根腐、炭疽病、赤霉病；玉米全蚀病；水稻白叶枯病；花生青枯病；马铃薯软腐病；黄瓜角斑；青椒疮痂

生理特性生理特征多粘类芽孢杆菌属于类芽孢杆菌属，是一种产芽孢的革兰氏阳性细菌，好氧或兼性厌氧生活。其细胞呈直杆状，大小为(0.5～2.5μm)×(1.2～10 μm)，G+C含量为40%～50%；其菌落特征多呈浅黄或白色的粘稠状，表面湿润光滑；可利用周生鞭毛运动，膨大孢子囊中产生椭圆型芽孢；最适生长pH为7.0，最适温度为28～35℃；分解葡萄糖和其他糖类，能产酸，有时产气，在营养琼脂上无可溶性色素。2

代谢活性物质多粘类芽孢杆菌可产生多种可利用的代谢活性物质，按其结构可分为肽类、蛋白质类、多糖类等。这些物质大多具有拮抗微生物、促进植物生长等功能。

1)肽类 多粘类芽孢杆菌产生的肽类可拮抗细菌和真菌。拮抗细菌的细菌的抗生素包括多粘菌素(Polymyxin)、粘菌素(Colistin)、环杆菌素；拮抗真菌的抗生素为乔利肽菌素(Jolipeptin)、多肽菌素(Polypeptins)、谷缬菌素(Gatavalin)、杀镰孢菌素(Fusaricidins)。多粘菌素是由多粘类芽孢杆菌产生的碱性脂肽类抗生素，由多种氨基酸和脂肪酸组成，它能够与细胞壁脂多糖、脂蛋白的磷酸基结合，使细胞膜通透性增加，细胞浆成份外渗，导致细菌死亡。谷缬菌素对革兰氏阳性细菌和分支杆菌、酵母、黑曲霉、苹果青霉、链孢霉等真菌有抑制活性。

2)蛋白质 多粘类芽孢杆菌的抗菌蛋白主要为水解酶类包括多糖水解酶和蛋白水解酶。姚乌兰等发现多粘类芽孢杆菌WYll0产生的抗茵蛋白能降解革兰氏阳性细菌细胞壁葡聚糖的β-1，3或β-l，4-葡聚糖酶类似物。

3)多糖 中药百部的组织中的植物内生多粘类芽孢杆菌EJS．3能产胞外多糖，其代谢产物天然果聚糖，可以用作食品增稠剂、免疫激活剂等。除此之外，多粘类芽孢杆菌还能产核苷酸类、吡嗪类、酚类化合物、植物激素等。2

应用P.polymyxa 在农业中的应用主要体现在两个方面：一是作为微生物肥料促进植物的生长和增产；二是作为生物农药防治植物多种病害。

作为微生物肥料微生物肥料是含有一种或数种有益活体微生物的制品，通过微生物的代谢过程 或代谢产物，达到增加植物养分供应和促进植物生长的目的。在农业生产中化肥一 直是人们的首选，然而长期施用化肥会破坏土壤结构，使土壤酸碱化、板结，造成 土壤肥力下降，农产品品质降低，还会污染环境。而微生物肥料具有活化土壤养分、 改善作物品质、提高作物产量、生产成本低、效果好、不污染环境等优点，在农业 可持续发展中占有重要地位。 如前所述，P.polymyxa 能分泌植物激素，能生物固氮，能溶磷、解钾，还能促进 植物光合作用。当其作为微生物肥料施用给植物时，能迅速在植物根际、内部定植 并形成“生物膜”，促进植物对营养物质的吸收。有研究报到，对种植的小扁豆施用 P.polymyxa，将它与未施用进行对照，发现植株的不管是分支数、重量、千粒豆重量 还是豆子的干重、蛋白质和磷的含量都有显著的提高。在小扁豆种植过程中同时施用 rhizobium（根瘤菌）、P.polymyxa 和 15kg 氮肥，通过检测，小扁豆的种子产量、 豆子含磷量、氮肥重复利用均达到最高值，分别为 1911.45kg/ha、1.06%以及 66.86kg/ha。何飚等发明了一种有机食品、绿色食品的理想微生物肥料 (CNl255471)，其主要成分就是 P.polymyxa CGMCC0395.1。美国的 Burnham 也将 P.polymyxa 作为主要成分的生物肥料申请了专利(US6841515)。1

作为生物农药生物农药是指直接利用生物活体（细菌，真菌，昆虫病毒、天敌等）或其产生的生物活性物质针对农业有害生物进行抑制或杀灭的制剂。P.polymyxa 就是其中重要的一员，其通过拮抗作用、空间位点竞争和诱导抗病性来抑制和杀灭植物病害。 P.polymyxa 的一个菌株常常可以抑制或杀灭多种植物病原菌，它所能防治引起植物病害的病原菌分布于细菌门 6 个属、真菌门 24 个属、卵菌门 2 个属。此外研究发现 P.polymyxa 还对番茄中寄生的根结线虫有很好的抑制效果。 目前国内外有很多关于 P.polymyxa 能防治多种细菌性病害（桑树细菌性枯萎病、 烟草青枯病、茄科作物的青枯病、白菜软腐病、芋头软腐病、黄瓜角斑病等）和真菌性病害（烟草赤星病、茄科和葫芦科的枯萎病、稻瘟病、番茄灰霉病等）的报道。 徐玲等用实验证明 P.polymyxa HY96-2 对番茄青枯病病原菌 Nb-1 有很好的拮抗作用，防治番茄青枯病最好的施用方法是用其生防制剂浸根。 李静等分离得到一株 P.polymyxa CX-PA，该菌能进入白菜体内定植，并对菜心炭疽病及霜霉病有显著的抑制效果。1

生防机制植物根际促生细菌（PGPR）指的是一群附生于植物根系，可增强植物对矿物质营养的吸收及利用，可以促进植物生长和抑制它种有害微生物的根际细菌。多粘类芽孢杆菌作为 PGPR 重要的一员，在促进植物生长及防治植物病害方面都有显著的效果，其作用机制比较多样，主要有四个方面。1

拮抗作用拮抗作用是指一类微生物抑制或杀死它类微生物的作用。如前面所述，多粘类芽孢杆菌能产生多种抗菌物质，这些抗菌物质种类不同，抗菌机制也各不同。有的抗菌物质（抗菌肽等）能够溶解细菌细胞膜或真菌细胞壁，造成原生质泄漏，使细胞畸形或菌丝断裂；有的抗菌物质（抗菌蛋白等）能抑制病原菌的孢子萌发和管芽伸长；有的抗菌物质（表面活性素等）则作用于病原菌染色体 DNA，影响 DNA 的复制、转录与表达，导致蛋白质的合成受阻，妨碍病原菌繁殖。某些菌株还能同时产生多种结构类似的抗菌物质，他们有协同增效的作用。

竞争作用竞争作用是指拮抗菌与病原菌在水分、氧气、营养物质及空间上竞争，拮抗菌迅速生长、繁殖，排除同一生境中的某些病原菌。竞争作用主要是营养及空间位点的竞争。营养竞争是指对土壤中氮、磷、铁等营养元素的竞争。其中生防细菌抑制植物病原微生物的一个重要手段就是铁载体对铁的竞争。某些拮抗菌能产生可以和铁结合的小分子物质，即铁载体（嗜铁素），它与 Fe3+形成鳌合物，且结合能力很强。铁载体从土壤环境中夺走 Fe3+，导致环境中的铁浓度降低，病原菌自己本身不能产铁载体或产生很少，又不能利用拮抗菌产生的铁载体，其生长繁殖因缺铁而受阻，生防细菌可以通过这种方式抑制植物病害的发生。

在植物病害防治中，与营养竞争相比，空间位点竞争占主导地位。空间位点竞争就是微生物在植物的体内、体表、根际、根系土壤中快速定植和繁殖，形成一层“生物膜”，并且在植物根部细胞内维管束外的空间积累。当病原菌入侵时，因拮抗菌抢先占据植物的有利空间位点，干扰和阻止了病原菌在植物上的定植与侵染，有效的抑菌控病。罗远婵等在研究 P.polymyxa HY96-2 菌株的防治机制时发现，在番茄根际和植株内该菌能很好地定植，将青枯病菌和它同时灌根接种番茄，它能在 21 天内就迅速地阻止青枯病菌侵入番茄植株。Timmusk 将 P.polymyxa B1 用绿色荧光蛋白(GFP)标记之后接种植物拟南芥，发现 Bl 能快速在拟南芥根部的一些区域定植并形成“生物膜”，阻止病原菌从相同位点入侵。1

诱导植物抗性诱导植物抗性（ISR）是指生物或非生物物质促使植物形成物理或化学屏障，从而帮助植物抵抗生物类（病原细菌、真菌、病毒和线虫等）侵害和非生物（重金属、干旱、盐分等）胁迫。前者其实是植物本身对病原菌就存在潜在防御机制，而 PGPR菌株或病原菌可以诱发这种防御机制。植物可介导 PGPR 产生水杨酸、脂多糖等物质来防治病害，PGPR 并未直接抑制或杀死病原菌。Timmusk 等研究发现用P.polymyxa B2 接种拟南芥可增强其对软腐病的抗性，随后利用 RNA 差异展示技术和 RTPCR 分析了拟南芥的基因表达水平，证明 P.polymyxa B2 可诱导拟南芥中水杨酸途径相关抗病基因和茉莉酸/乙烯途径的相关抗病基因的表达。童蕴慧等发现P.polymyxa Y2-11-1 和 W3 的菌悬液及其滤液能增强番茄植株内多种酶的活性，使番茄对灰霉病产生抗性。Lee B 等发现 P.polymyxa E681 产生的挥发性有机物（十三烷、2,3-丁二醇等)能诱导一系列相关抗病基因(ChiB、PRI 及 YSP2)的表达来使宿主获得系统抗性，从而抵御植物叶斑病。1

促进植物生长已有研究表明 P.polymyxa 对植物的促生作用主要通过下面三种方法：一是P.polymyxa 通过产生长素、分裂素等植物激素来促进植物生长；二是 P.polymyxa 通过生物固氮为植物提供氮源，将 P、K 复合物降解为植物可吸收利用的营养物质，促进植物的生长和增产；三是 P.polymyxa 通过增强植物的光合作用来促进植物生长。张高峡等从农作物根际分离的某些多粘类芽孢杆菌在有氧或厌氧条件下能够合成固氮酶进行生物固氮。顾小平等从毛竹根围分离的 P.polymyxa 具有较高的固氮活性。目前对微生物溶解磷的作用机理研究比较深入，对溶解钾的研究还停留在对菌株溶解钾能力的测定上。土壤中的磷元素因为易与钙、镁、铝、铁结合形成磷酸不溶复合物（磷酸钙、磷酸铵镁、磷酸铝及磷酸铁）不能被植物吸收而流失，PGPR 菌株可以将这些复合体溶解并转化为有机磷，提供给植物，不仅能提高土壤中矿物磷的利用效率，还能提高作物产量。有研究者从辣椒根际筛选出一种P.polymyxa SC2，通过实验证明该菌株除了具有广谱抗菌作用外，还具有较好的溶磷、解钾能力。有学者研究了在不同土壤肥力条件下 P.polymyxa BcP2 对玉米生长的影响，结果表明该菌种在贫瘠的土壤能使玉米对氮、磷、钾的吸收作用增强。P.polymyxa 还能提高植物的光合作用。史应武等研究了内生 P.polymyxa S-7 对甜菜产量及叶片光合参数的影响，结果显示，该菌能影响甜菜光合参数，显著增强甜菜的光合作用，提高甜菜的品质和产量。1

生防特点多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)对植物黄萎病、鹰嘴豆枯萎病、油菜腐烂病、黑松根腐病等多种植物病害均具有一定的控制作用。美国环境保护署(EPA)已将其列为可商业上应用的微生物种类之一。无论是采用HY96-2（P. polymyxa）发酵液，还是由HY96-2制成的细粒剂(KDLD)，在温室内和田间都取得了稳定的防治效果，并且KDLD细粒剂在田间表现的效果更为突出。在试验过程中，特别注意了生防菌株发酵液的使用。新鲜的发酵液在防治试验中表现出稳定的防治效果，而放置一段时间的发酵液，防治效果会出现较大差异，不同批次的试验效果不稳定。我们认为，放置一段时间的发酵液的活菌含量、活力及代谢产物都会发生变化，这种变化会对防治试验产生较大的影响。因此，使用新鲜的发酵液或制成稳定的制剂开展田间防治试验，是我们开展菌株筛选和应用研究必须注意的一个关键问题。

本词条内容贡献者为:

赵磊 - 副教授 - 中国农业大学