大数跨境
首页
>
绿色防控技术漫谈：枯草芽孢杆菌那些事
>

绿色防控技术漫谈：枯草芽孢杆菌那些事

绿色防控技术漫谈：枯草芽孢杆菌那些事 国壬生物科技
2024-08-19
1
导读：自从1835年德国人克里斯汀·戈特弗里德·埃伦伯格（Christian Gottfried Ehrenber
自从1835年德国人克里斯汀·戈特弗里德·埃伦伯格（Christian Gottfried Ehrenberg）第一次给枯草芽孢杆菌命名以来，这种微生物一直在人们的视野中。目前，科学家们把枯草芽孢杆菌作为模式微生物进行了各种研究，对它的真实面目了解得也越来越详细。
枯草芽孢杆菌，虽然在我国的农业生产中说不上家喻户晓，但应用范围可谓是所有生物菌剂中占比最大的。生物有机肥中、微生物制剂中、杀菌剂中，几乎都有枯草芽孢杆菌，甚至最近几年有了含有枯草芽孢杆菌或其次生代谢产物的杀虫剂。
为什么枯草芽孢杆菌在我国农业生产中应用如此广泛呢？因为它们具有三大广泛且突出的功能。遗传易获得性、代谢多功能性和对各种胁迫的卓越耐受性及恢复性。
一、遗传易获得性（genetic accessibility）：自从1997年完成枯草芽孢杆菌的基因测序之后，科学家们得到该菌的大量遗传信息，从而进一步深入研究枯草芽孢杆菌自身的分子构成及其调控机制，甚至对其进行操纵的操作工具，了解它们的生态过程和可持续应用。
基于对枯草芽孢杆菌的分子遗传信息的了解，科学家们修正了枯草芽孢杆菌的生物分类地位及其进化史等。
枯草芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌及巨大芽孢杆菌，在基因和物理组成上具有遗传和表型相似性，属于近亲。
比如，解淀粉芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌之间在遗传和代谢上具有很多共同特征，都可以产生抗生素，进而应用于农业生产中的生物防治。地衣芽孢杆菌则可以像枯草芽孢杆菌那样具有很强的生物被膜形成能力，也产生各种酶。因此，枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌也常用于生物修复以及工业化生产各种酶。
通过基因测序和其它生物技术，目前，枯草芽孢杆菌属于原核生物界厚壁菌门芽孢杆菌属。革兰氏染色阳性和内生芽孢，是它们最突出的特征。
研究还发现，枯草芽孢杆菌有4100多个基因，其中192个基因是必需的，另外79个可能也是必需的。必需基因通常集中在几个代谢域（metabolic domains）中，其中一半与信息处理有关，五分之一与细胞包被的产生/形状/分裂控制有关，十分之一与代谢目标的能量利用有关。
例如，Bsr RNA是2009年在枯草芽孢杆菌中发现的一种非编码RNA，它们的遗传变异程度非常高。
Fsr RNA存在于枯草芽孢杆菌中，在生物利用率有限的情况下，Fsr RNA通过下调含铁蛋白质来应对缺铁造成的胁迫。
了解到这些遗传信息后，科学家们就可以通过基因工程来“设计”具有某种特定功能的新菌种。比如，WS1A就是通过基因编辑从头组装了4288个开放阅读框和4148460个碱基对，成功抑制了罗非鱼的一种气单胞菌败血症（Aeromonas septicemia）。
二、代谢多功能性（metabolic versatility）：我们平时提到的遗传是指物种内通过繁殖过程将基因信息代代相传的现象，叫做垂直遗传转移（Vertical gene transfer），与它相对应的另一个概念叫做水平遗传转移（Horizontal gene transfer），是指不同物种间的遗传物质转移。
水平遗传转移无疑增加了生物的遗传多样性和适应性。水平遗传转移事件则是枯草芽孢杆菌进化史的一大特点。也造就了枯草芽孢杆菌的代谢多功能性。
1、抗生素（Antibiotics）：与其它芽孢杆菌一样，枯草芽孢杆菌也能产生抑制其它微生物的次生代谢产物，这些产物通常是核糖体或非核糖体形式的低分子小肽，特别是非核糖体的环状脂肽（lipopeptides），其作用机制是与靶标病原菌的细胞膜相互作用，通过破坏、溶解或形成离子传导孔来改变细胞膜的结构和渗透性。
枯草芽孢杆菌产生的非核糖体脂肽类抗生素主要包括表面活性素（surfactins）、伊枯草菌素（ iturins）和泛革菌素（fengycins ）。
①、表面活性素是研究最为深入的脂肽家族，1968年日本人Kei Arima、Atsushi Kakinuma等首先在枯草芽孢杆菌的培养液中发现。如今已经在发酵液中发现了4种表面活性素的同系物且均有良好的生理活性。
表面活性素由带着12-17个碳原子的β-羟基脂肪酸与7个 α-氨基酸肽链构成一个大内酯环，是一种两亲性环状脂肽，具有超强的表面活性，通过溶解和破坏病菌的细胞膜发挥抗菌作用。
表面活性素最初应用于抗凝血作用，目前应用于食品、化妆品、医药等领域。在农业生产中，因其抗病毒、抗细菌、抗真菌和杀虫活性也得到重视和应用。
云南农业大学何月秋教授团队发现枯草芽孢杆菌YZ-1菌株的代谢物对多种害虫具有高效活性，其有效成分主要是表面活性素。在此基础上，他们开发了系列生物杀虫剂和抗病毒生物农药，目前正在国内推广。
②、伊枯草菌素是L Delcambe1950年从枯草芽孢杆菌分离出来的。它也是脂肪酸与氨基酸相结合形成的环状脂肽类化合物，其肽链也是7个 α-氨基酸，但脂肪酸的C原子数是14-17个。后来又发现了伊枯草菌素家族9个同系物，包括伊枯草菌素A、伊枯草菌素C、杆菌肽素等，其中，伊枯草菌素A研究得最为充分。
伊枯草菌素抗菌的机制类似表面活性素，但它对真菌的活性更强。已经发现它们对青霉菌、灰葡萄孢菌、刺盘孢菌、镰刀菌等植物病原真菌以及土壤杆菌造成的葡萄、桃等果树上根癌病，都有很好的防效。
③、泛革菌素又叫芬原菌素、丰原素，由14-18个C原子的脂肪酸与10个氨基酸残基的小肽组成。1986年1月德国人Nongnuch Vanittanako等人首先发表文章宣布从枯草芽孢杆菌F-29-3菌株中分离得到一种新的抗生素类化合物，将其命名为fengycins。该菌株最早被划分在诺卡氏菌属（Nocardia sp.）的时候就知道它的抗真菌优异性。
这类环脂肽抗生素对细菌和酵母菌几乎没有抑制作用，但对真菌有良好的抑制活性。
枯草芽孢杆菌能产生20多种抗菌广谱、结构多样的抗生素类物质，除了上述的这些非核糖体型的环脂肽类，还有非脂肽类以及核糖体型合成的酶类、溶菌素类、聚酮类、萜烯类等抗生素。
枯草芽孢杆菌不但产生多种且多样的抗生素物质，还综合作用于有害生物。
2、促进植物生长（Plant Growth Promotion）：枯草芽孢杆菌还能够合成多种植物激素和铁载体蛋白，调控、改善植物的生长。
铁载体介导的铁竞争是拮抗作用的机制之一。枯草芽孢杆菌在产生铁载体蛋白帮助植物吸收利用铁营养的同时往往还会抑制植物病原菌。
实际上，枯草芽孢杆菌通常是以铁载体、溶解磷酸盐和分泌植物生长素等多种机制来促进植物的生长。
甚至，两种以上的微生物互作，比如枯草芽孢杆菌与解淀粉芽孢杆菌，枯草芽孢杆菌与丛枝菌根真菌等，促进植物生长。
3、营养竞争及定殖位置（Competition on Nutrition and Colonization Sites）：病原菌到达植物根或叶的表面后必需首先在这些器官上确定“根据地”才能进行下一步，汲取寄主的营养。但枯草芽孢杆菌因为植物分泌的多糖、氨基酸等物质所“引诱”，往往先行一步抢占了这个位置并通过建立生物被膜。这些生物被膜有抗生素有蛋白质和脂质，甚至还有金属，构成纤维索覆盖在植物的这些器官表面，等同于一个让病原菌望而却步的防护墙。这等同于枯草芽孢杆菌把植物保护了起来。而这种保护机制也是多功能代谢的结果。
三、卓越的胁迫耐受性与恢复能力（remarkable stress tolerance and resilience）：枯草芽孢杆菌之所以被划分进厚壁菌门，原因之一是当遇到恶劣环境条件时，这种细菌就会摇身一变，把自身的菌体细胞质及细胞核极度浓缩且形成超级厚的胞壁组织，待环境条件适宜的时候浓缩的细胞质和细胞核恢复常态，“好像”形成了新的菌体。这个浓缩的菌体细胞质叫做“芽孢”或“内生孢子”。
正是因为这种内生孢子/芽孢，造就了枯草芽孢杆菌对各种不利环境条件的高耐受性。
因此，枯草芽孢杆菌制剂的货架保存期比其它菌剂更长。在生产使用的时候，可以和许多种杀菌剂同时混用（杀细菌剂除外）。这在生产上具有非常良好的可操作性。
正是因为枯草芽孢杆菌有着上述三大特性，使它成为生物学研究上的模式微生物，也广泛应用于保健、医药、工业化酶生产和农业生物菌肥及生物农药。
需要注意的是，枯草芽孢杆菌有不同菌株之间存在着功能性上的差别。因此，在生产应用时最好根据将要解决的问题去选择对应的菌株。
以下是我自己了解的国内正在推广的一些枯草芽孢杆菌菌株及产品。
一、安徽国壬生物科技有限公司的恒德源系列生物杀虫、杀菌产品：云南农业大学何月秋教授团队枯草芽孢杆菌科研成果转化产品；
二、中国热带农业科学院环境与植物保护研究所黄俊生研究员团队研发的绿农林系列生物菌肥系列，有单一菌种制剂，也有多菌株混合制剂，田间应用效果不错；
三、中农绿康，上世纪八十年代末的增产菌起步，如今已经成为是中国农业大学农用生物制剂中试基地和国家增产菌技术研究推广中心，有五大系列十几个产品；
四、保定科绿丰生化科技有限公司登记的10亿芽孢/克枯草芽孢杆菌可湿性粉剂是河北省农林科学院植物保护研究所马平、李社增等开发的枯草芽孢杆菌NCD-2菌株科研转化成果。
参考资料
1、Jounarl of Basic Microbiology, March 2024; Adenike A Akinsemolu，Helen Onyeaka等；Exploring Bacillus subtilis: Ecology, biotechnological applications, and future prospects
2、ReseachGate,Chapter · May 2018; Chinese Academy of Agricultural Sciences; Xiaoqiang Wang, Dong-Lin Zhao, Chengsheng Zhang; Application and Mechanisms of Bacillus subtilis in Biological Control of Plant Disease;
3、中国生物工程杂志 China Biotechnology，2020，40( 5) : 105-116；南京理工大学；梅雨薇， 杨子云， 于 樊， 龙旭伟；生物表面活性剂脂肽的发酵生产 及抑菌应用研究进展；
4、中国酿造China Brewing,2021 Vol.40 No．2; 华南农业大学 食品学院; 李光月，胡文锋，李雪玲;表面活性素的国内外研究进展。
封面图片源自Exploring Bacillus subtilis: Ecology, biotechnological applications, and future prospects


【声明】内容源于网络
0
0
国壬生物科技
http://www.ahguoren.com/about.asp
内容 34
粉丝 0
国壬生物科技 http://www.ahguoren.com/about.asp
总阅读24
粉丝0
内容34