植物病害生物防治专家讲座.pptx
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1、一、基本概念l植物病害生物防治:就是利用生物及其代谢产物防治植物病害,控制病原体,其实质就是利用生物种间、种内关系,调整有害生物种群密度。l传统植物病害生物防治:在农业生态系统中调整寄主植物微生物环境,使其有利于寄主而不利于病原,或者使其对寄主与病原物相互作用产生有利于寄主而不利于病原物影响,从而到达防治病害目标。这一概念由我国植物病理学家陈延熙依据多年实践和国际上生物防治发展方向于1980年代提出,表明人们对于病害生物防治认识已从单纯依靠拮抗微生物来控制病原或病害,发展到借助各种原因来创建一个有利于寄主而不利于病原物或病害发展生物环境,以实现病害防治。l广义植物病害生物防治:使用自然或改造生
2、物体、基因产物降低有害生物作用,并有益于有益生物如作物、树木、动物、益虫及微生物。这一概念由美国农业部提出,包含了寄主植物抗病性利用及有益生物代谢产物利用。植物病害生物防治专家讲座第1页二、植物病害生物防治发展历史l植物病害生物防治科学记载是从Stanford(1926)报道土壤中一些拮抗性微生物对于土传病原菌抑制开始。l当初美国马铃薯上发生一个放线菌Streptomyces scabies引发疮茄病,Millard于1921年曾报道施用绿肥能够减轻这种病害,而经Stanford分析证实是因为绿肥促使土壤中拮抗微生性放线菌增加所致,并指出其防治生物学实质。并在植物病理学中首先使用“生物防治”一
3、词,但这一发觉当初并未引发普遍关注。l1940年代,青霉素问世,人们再次掀起寻找拮抗微生物高潮,尤其是土壤腐生拮抗放线菌发展较快,植物病害生物防治方面也开展了拮抗性放线菌分离应用研究,主要作为一个活菌剂用于土壤和种子处理以防治苗期病害,收到显著效果。1.拮抗微生物发觉与应用阶段植物病害生物防治专家讲座第2页l农用抗生素是随医用抗生素发展而发展起来,起初有些植病工作者利用医用链霉素和土霉素防治果树、蔬菜病害,收到一定效果,因而引发广泛注意。l1950年代,日本因汞制剂停顿生产使用,开始加强农用抗生素研究。1958年,竹内等筛选出灭瘟素(blasticidin S),用于防治稻瘟病,取得显著效果。
4、l日本相继筛选出春日霉素(kasugamycin)、多氧霉素(polyoxin)、有效霉素(validamycin),都有较大批量生产,曾一度代替化学农药在生产上大面积应用,产品远销许多国家。l俄罗斯、美国、英国、日本、德国、匈牙利、意大利、印度和丹麦等果,都已把农用抗生素研究列入国家重点规划,受到尤其重视。2.农用抗生素研究与应用阶段植物病害生物防治专家讲座第3页l1950年代早期,曾筛选出一批有效菌种用于生产实践。l1950年代1960年代,集中研究放线菌及其代谢产物对植物病原菌拮抗作用和防病机理,尹莘耕等(1955,1959)对链霉菌5406抗生菌剂研制是这一时期代表性工作。l1970年
5、代末至1980年代末,植物保健菌、增产菌制剂研制,提出“植物体自然生态系”论点,促进了植物病害生物防治研究发展(陈延熙等,1985)。l1980年代中后期,以芽孢杆菌为主各种拮抗剂研究汇报陆续发表,同时,应用于植物病害生物防治交叉保护、诱导抗性、防病抗病遗传工程植物和微生物研究也取得瞩目标结果。3.我国植物病害生物防治研究与应用植物病害生物防治专家讲座第4页三、植物病害生物防治理论基础l植物病害发生与3个方面原因相关,即病原物、寄主和环境条件(如温度、湿度、光照等)。这些原因改变、平衡会影响植物病害发展或不发展、发生轻与重。自然条件下,病原微生物与许各种病原物之间存在着拮抗、竞争关系。l病害生
6、物防治技术就是把自然状态下,与病原微生物存在拮抗作用或竞争关系极少许微生物,经过人工筛选培养、繁殖后,再用到作物上,增大结抗菌种群量,或者将结抗菌中起作用有效成份分离出来,进行工业化大批量生产,作为农药使用,到达防治病害目标。前者称为微生物农药,后者称为农用抗生素。这是植物病害生物防治基本原理。l病害生物防治菌对病原菌作用包含抗生、重寄生、竞争、捕食、交互保护和诱导抗病作用等方式。植物病害生物防治专家讲座第5页(一)抗生作用l抗生作用(antibiosis)是指生物防治菌能够产生对病原微生物含有抗生作用物质,如几丁质酶、抗生素、细菌毒素等,能限制、控制或影响病原微生物生存或活动,甚至杀死病原微
7、生物。l生物防治菌在生长过程中产生抑菌活性代谢产物抑制病原微生物生长,在试管培养(in vitro)上能够经常观察到,即抑菌圈。抑菌圈是福莱明发觉青霉素过程中提出一个词汇。他发觉,接种了青霉培养皿中,青霉周围不生长细菌,而在远离青霉地方有细菌生长。不生长细菌地方,是一个以青霉菌落为圆心规则圆圈,这个圆圈被福莱明称为抑菌圈。1.概念植物病害生物防治专家讲座第6页l抗生物质是指微生物(尤其是放线菌)在生长过程中所产生低分子质量次生代谢产物,在较低浓度下能抑制其它生物生长或将其杀死活性物质。l早期研究中发觉微生物产生抗性物质因为对细菌有抗菌或杀菌活性,用于治疗由细菌引发疾病,故称为抗生素(antib
8、iotic),以后发觉抗生素还有一定杀虫、除草、抗肿瘤、抗病毒和抗寄生虫功效。l抗生素在植物病害生物防治中一样含有主要作用,同一生物防治微生物菌株能够产生各种抗生素,不一样生物防治微生物也可产生相同抗生素。植物病害生物防治专家讲座第7页l如芽孢杆菌、木霉、假单胞杆菌以及放线菌都能分别产生各种抗菌物质。芽孢杆菌木霉假单胞杆菌放线菌植物病害生物防治专家讲座第8页lSilo-Suh等(1989)用离子交换色谱和高压纸电泳(HVPE)从蜡样芽胞杆菌Bacillus cereus UW85菌株中分离到分子质量为396 u线状聚酰胺类抗生素zwittermicin A,以及包含有二糖氨基糖苷类抗菌素ant
9、ibiotic B,对紫花苜蓿猝倒病菌苜蓿疫霉Phytophthora medicaginis含有抑菌作用。作用机理是zwittermicin A抑制菌丝生长,而antibiotic B则使菌丝肿胀。zwittermicin Aantibiotic B紫花苜蓿植物病害生物防治专家讲座第9页lLeifert等(1995)用薄层色谱法从枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis CL27和短小芽孢杆菌Bacillus pumilus CL45肉汤发酵液中分离到3种抗菌物质,其中2种经TDM试剂处理在薄层色谱TLC板上表现为蓝色至蓝绿色,证实为肽类。lHan等()利用H-NMR、C-NMR、HM
10、BC、HMQC以及质谱仪判定了Bacillus sp.产生大环内脂A(macrolactin A)和脂肽iturin A(伊枯草菌素)能抑制疮茄病链霉菌Streptomyces scabiei。枯草芽孢杆菌菌落枯草芽孢杆菌菌体植物病害生物防治专家讲座第10页lMaget-Dana等(1994)研究表明,iturin作用机制是其分子将疏水端插入细胞膜自动形成一个“孔道”造成细胞质渗漏。大环内脂A(macrolactin A)脂肽iturin A(伊枯草菌素)植物病害生物防治专家讲座第11页lSantos和Marquina()利用SDS-PAGE从膜醭毕赤酵母Pichia membranaefac
11、iens CYC1106菌株中分离纯化分子质量为18 ku抗葡萄灰霉病菌Botrytis cinerea蛋白killer toxin。l季也蒙毕赤酵母Pichia guilliermondii能够向外分泌降解病原菌细胞壁上-1,3-葡萄糖酶,当这种酵母菌与灰霉病菌菌丝体分离后,灰霉病菌菌丝体上原与酵母菌链接部位出现坏死和部分细胞壁降解区域。lNielsen等()发觉,甜菜根际沙壤土中荧光假单胞杆菌Pseudomonas fluorescent产生含有抗生素作用和表面活性环形脂肽CLP(cyclic lipopeptide)。l国外研究较多生物防治菌株荧光假单胞杆菌能合成各种抗菌活性代谢产物,如
12、氢氰酸(HCN)、2,4-二乙基间苯三酚(2,4-DAPG)以及藤黄绿脓菌素(pyoluteorin);木霉还能产生各种抗菌活性物质和含有抑菌作用酶类,在生物防治中饰演主要角色。植物病害生物防治专家讲座第12页2.抗生物质类别(1)普通分类l小分子多糖物质,即抗生素。l微生物产生有毒代谢物。l大分子抗菌蛋白(多肽、脂肽)或细胞壁降解酶类(胞外酶)以及嗜铁素等。葡聚糖酶植物病害生物防治专家讲座第13页(2)依据化学结构分类l-内酰胺(-lactam)类抗生素:分子结构中含有一个-内酰胺四元环,抑制细菌细胞壁主要成份肽聚糖合成,如青霉素和头孢美素等。l氨基糖苷(aminoglycosides)类抗
13、生素:分子辞退中含有糖苷或氨基糖苷,如链霉素和庆大霉素。链霉素庆大霉素植物病害生物防治专家讲座第14页l四环素(tetracylines)类抗生素:在核糖体水平抑制蛋白质合成,如四环素。l蒽环(anthraclines)类抗生素:含有一个蒽环,在DNA水平干扰拓扑异构酶(toposiomerase)活性,故常作为抗肿瘤药品,如柔红霉素。四环素第一个被发觉蒽环类抗生素-柔红霉素植物病害生物防治专家讲座第15页(3)依据用途分类l分为农用抗生素和医用抗生素。农用抗生素即应用于农业生产中用于防治病、虫、草等有害生物抗生素,当前很多类别已发展为生物农药。l自1950年代日本开发出第一个农用抗生素杀稻瘟
14、菌素-S以来,农用抗生素研究取得了巨大进展,我国生产井冈霉素、武夷霉素、变构霉素等抗生素,已广泛应用于农作物病害防治,在植物病害生物防治中发挥了重大作用。(4)依据起源分类l天然抗生素:由微生物代谢过程中产生抗生素;l半合成抗生素:经过对天然抗生素进行化学修饰合成取得抗生素;l全合成抗生素:仿照天然抗生素结构,完全采取化学合成方法合成抗生素。植物病害生物防治专家讲座第16页3.抗生物质特点l化学结构复杂:与化学合成农药相比,大多数农用抗生素化学结构较为复杂。l应用剂量低:因为抗生物质生物活性高,故极低剂量浓度对病原物起到良好抑制效果。l环境相容性好:抗生素作为来自于自然界微生物次级代谢产物,含
15、有易于被生物或自然原因分解、在环境中不易积累、残留期短优点,含有快速资源再生性。l生物选择性高:大多农用抗生素对高等动物和非靶标生物毒性很低,环境安全,与化学合成农药相比,对有害生物相对不易产生抗药性。l生产过程安全:在生产过程中,排污少,对环境负面影响较小,且其副产品还能够加工为饲料或肥料等再度利用。植物病害生物防治专家讲座第17页4.抗生作用生物防治机制l直接作用于病原菌而产生抑制作用l造成病原菌细胞畸形,产生大量泡状物。破坏细胞壁,引发细胞内含物外溢。如木霉可产生几丁质酶、-1,3-葡聚糖酶、纤维素酶和蛋白酶等来分解植物病原物细胞壁。l生物防治微生物产生抗菌蛋白及胞外裂解酶类,在不一样阶
16、段作用于DNA和RNA合成、蛋白质合成、能力代谢系统、细胞壁等,表现出抑制菌丝生长使菌丝畸变原生质凝聚和小分子物质外流等。不一样抗生素作用位点不一样,如链霉素、杀稻瘟菌素-S、春日霉素等作用于蛋白质合成系统。l经过作用于植物而抵抗病菌l经过作用于植物体,经过提升植物抗病性而抵抗病菌侵害。如农抗-120经过提升植物抗病力而减缓病害破坏作用。植物病害生物防治专家讲座第18页(二)重寄生作用l寄生是一个微生物生活在另一个微生物细胞中或细胞表面,从寄主中取得养料,并引发寄主病害。l重寄生作用(hyperparasitism)是指一些病原菌被寄生现象。在真菌重寄生作用中,寄生真菌被称为菌寄生菌或重寄生菌
17、(hyperparasite),被寄生真菌则称为寄主真菌(mycohost)。l重寄生菌类有木霉Trichoderma、轮枝菌Verticillium、Laetisalia、冬虫夏草中粉红胶酶Gliocladium等真菌,能够寄生在作物病原菌上,一些专性寄生性病原真菌如白粉菌、霜霉菌和锈菌等被真菌寄生现象广泛存在。1.概念植物病害生物防治专家讲座第19页l重寄生菌靠趋化性和特异性植物凝血素凝集作用来识别寄生菌,然后缠绕寄生在病原菌菌丝上或侵入菌丝内,能够抑制其活性。在部分寄生真菌细胞壁上可观察到侵入孔,这是重寄生菌产生葡萄糖酶、甲壳酶溶解病原菌细胞壁结果。l重寄生菌作为生物防治因子前提是靶标病
18、原菌存在,所以用其控制靶标病原菌引发植物病害,会有一个滞后作用过程,不利于控制突发性或流行速率高植物病害。引发果蔬采后病害病原菌,有些来自大田,附着于果蔬上带入储备环境,在一定条件下侵染并表现症状。所以,采取重寄生菌进行储运前处理对于采后潜伏病害有一定预防作用。2.重寄生作用生物防治机制植物病害生物防治专家讲座第20页(三)竞争作用l竞争作用(competition)是指微生物间在生活空间和营养物质绝对量不足时,两种或各种微生物群体对同一个资源同时需求发生争夺现象。l生物防治菌能优先占领一定生存空间,在病原与植株间形成一个隔离带,使其不易侵入。l生物防治菌和病原菌都属于异养生物,需要一定营养赖
19、以生存,如水分、氧气、养分等,能够经过营养竞争使病原微生物不能取得充分营养进行生长从而受到限制。l一些细菌、酵母菌和丝状真菌能经过对养分和位点竞争抑制灰霉病菌生长。l竞争作用包含空间竞争、位点竞争、营养竞争等。1.概念植物病害生物防治专家讲座第21页l竞争营养与空间是酵母类拮抗菌主要作用方式。l万亚坤和田世平()用扫描电镜观察到膜醭毕赤酵母Pichia membranaefaciens 在有软腐病Rhizopus stolonifer伤口上大量聚集,且拮抗菌紧密地吸附在病原菌菌丝上。他们推测拮抗菌主要经过与病原菌进行营养和空间竞争。l间型假丝酵母Candida intermedia也是经过营养
20、竞争抑制洋葱黑霉菌生长,而不是经过分泌抑菌物质。lJanisiewicz和Usall研究表明,在梨果类果实伤口处,碳水化合物非常丰富而缺乏含氮化合物如氨基酸等,他们经过向苹果伤口处加入拮抗菌丁香假单胞菌Pseudomonas syringae轻易利用而病原菌不能利用L-天冬氨酸和L-脯氨酸,提升拮抗菌抑菌效果。2.竞争作用生物防治机制植物病害生物防治专家讲座第22页(四)捕食作用与溶菌作用l捕食作用(predation)是一个微生物直接吞食另一个微生物现象,如原生动物对细菌捕食,藻类对细菌和其它藻类捕食作用。l捕食性真菌:以营养菌丝特化形成捕食器官来捕捉线虫一类真菌,称为捕食性真菌(trapp
21、ing fungus)。该类真菌中研究较多是节丛孢菌Arthrobotrys、隔指孢菌Dactylella和单顶孢属Monacrosporium一些真菌种类。这些真菌从营养菌丝上产生黏性菌丝、黏性网、黏性球、黏性枝、收缩环、非收缩环和三维菌网等捕捉器官来捕食土壤中运动线虫。被捕食性真菌捕捉致死线虫幼虫(扫描电镜300)植物病害生物防治专家讲座第23页l食菌性:土壤中小动物捕食病原菌现象叫食菌性(mycophagus)。食菌性变形虫捕捉到病原菌后,就把病原菌包围起来,然后在病原菌细胞壁上刺圆孔,侵入其中吸收原生质。在根圈土壤中生活食菌性线虫、弹尾虫类都有抑制土壤病害作用,这些小动物对菌丝有趋化性
22、,靠捕食菌丝增殖。变形虫植物病害生物防治专家讲座第24页l溶菌(lysis)是指微生物细胞壁因为内在或外在原因而溶解,致使细胞质外泄释放到环境中现象。主要与细胞壁分解酶活动相关,在植物病原真菌和细菌中比较普遍,常造成芽管细胞或菌体细胞消解。l自溶(autolysis或endolysis)是菌体因为竞争等各种原因造成饥饿或有害物质积累而发生细胞内部溶解作用所致。如缺氧或pH改变使一些土传真菌正常生剪发生障碍,不能正常利用营养物质而自溶。l外溶(exolysis)是菌体在一定条件下由其它微生物作用而发生溶解现象。土壤中有很多细菌能产生几丁质酶、糖酶等,促使一些菌丝细胞壁分解而溶菌。l利用有益微生物
23、对病原菌溶解作用进行生物防治室常规路径之一。如中国农业科学院生物防治研究所研制农抗-751,是一个新型N-糖苷类中生菌素,对大白菜软腐病、水稻白叶枯病、小麦赤霉病等都有很好防治效果。植物病害生物防治专家讲座第25页(五)交互保护作用l交互(叉)保护(cross protection)现象是诱导抗性一个,最早发觉于植物病毒病害,如烟草接种烟草花叶病毒(tobacco mosaic virus,TMV)后,取得了对霜霉病抗性,随即在植物细菌病害和真菌病害中均发觉这种现象。l交叉保护作用能够在种内不一样株系间发生,也能够在不一样种甚至不一样类型病原物之间发生。l交叉保护能够是系统性保护,也能够是局部
24、保护。l交叉保护能够是暂时保护,也能够是较永久性保护。烟草花叶病烟草花叶病毒粒子植物病害生物防治专家讲座第26页l利用病毒弱毒株系防治病毒病例子较多,主要是经过株系间交叉保护作用原理,从而为病毒病防治开辟了新路径。l病原细菌无毒突变菌株交叉保护是因为细菌感染产生细菌素缘故,许多试验证实了这一点,用产细菌素菌株防治优点是植物已经感染病害后进行处理也会有一定效果。l吴海耻等人利用棉花黄萎病菌弱毒菌系V6-3、V8-1对强毒株系含有交互保护作用,可使病情下降8.1%61.2%。棉花黄萎病棉花黄萎病菌植物病害生物防治专家讲座第27页(六)诱导抗病作用l植物诱导抗病性(induced resistanc
25、e)是植物受到外界物理、化学原因或者生物原因等侵袭时所产生一个取得性抗性,诱导抗性使植物潜在抗病基因表示为抗病表现型。l植物诱导抗病性是经过植物后天免疫实现,诱导因子能够无须与病原物同时作用于植物。l将病害控制对策由病原寄主互作外系统转向互作内系统,开发植物内在抗病机制来防治病害,增强可控性、预防性,是当代植物病害防治一条主要路径。l诱导抗性作为植物免疫体系功效,含有非专化性、系统性和持久性以及无公害特征,其应用可到达多抗、高抗和环境保护等各种目标。1.概念植物病害生物防治专家讲座第28页l诱导抗病性诱导因子包含生物因子、物理因子和化学因子。l生物因子:真菌、细菌、病毒及其代谢产物、细胞壁成份
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