【原核生物全系列-71】芽孢杆菌纲—类芽孢杆菌科

芽孢杆菌纲—类芽孢杆菌科

细菌域

细菌界

厚壁菌门

芽孢杆菌纲

核衣细菌目

类芽孢杆菌科

类芽孢杆菌科（Paenibacillaceae）是核衣细菌目的一科细菌。该科的模式属为类芽孢杆菌属（Paenibacillus）。

1.硫胺素芽孢杆菌属

硫胺素芽孢杆菌属（Aneurinibacillus）是盐拟杆菌科的一种革兰氏阳性菌。能产生芽孢，芽孢呈椭圆形。该属的模式种为解硫胺素硫胺素芽孢杆菌（Aneurinibacillus aneurinilyticus）。

2.短芽孢杆菌属

短芽孢杆菌属（Brevibacillus）是类芽孢杆菌科的一种细菌，革兰氏阳性或可变。能产生芽孢，细胞呈杆状。该属的模式种为短短芽孢杆菌（Brevibacillus brevis）。

3.类芽孢杆菌属

类芽孢杆菌属（Paenibacillus）是类芽孢杆菌科的一属细菌。

（1）特征

革兰氏染色阳性、阴性或可变。能产生芽孢。细胞呈杆状，以周生鞭毛运动。在膨大胞囊内有椭圆形芽孢，在营养琼脂上无可溶性色素。兼性厌氧或严格好氧。除了幼虫类芽孢杆菌的两个亚种，几乎所有种的接触酶为阳性。氧化酶反应可变。V-P反应(乙酰甲基甲醇产生)可变， V-P液的pH 4～6。不产硫化氢。有的种产生吲哚。硝酸盐还原到亚硝酸盐可变。酪朊、淀粉和脲素的水解都可变。酪氨酸分解也可变。pH 5.6和50℃的生长也可变，最适pH为7，最适的温度28～ 30℃。马阔里类芽孢杆菌(P.macquariensis)最适生长温度为20～23℃。10%NaCl可抑制生长。有的种在含 0.001%溶菌酶中不能生长。

该属的模式种为多粘类芽抱杆菌（Paenibacilluspolymyxa）。

（2）多粘类芽孢杆菌

多粘类芽孢杆菌(Paenibacilluspolymyxa；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生理特性

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。

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。

②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。

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。

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。

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。

③生防特点

多粘类芽孢杆菌(Paenibacilluspolymyxa)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。