李宗阳 原甜甜 张党权 李明婉 赖 勇 丁 申 陈圆圆

（河南农业大学林学院，河南 郑州 450046）

我国是经济林大国，经济林种类、面积、产量和总产值均居世界首位[1-2]。据国家林草局发布数据，截至2021 年，全国经济林种植面积超过4 000 万hm2，年产量超过2 亿t，产值超过2.2 万亿元，经济林产业发展已涉及食品、粮油、化工、医药等多个领域[3-5]。近年来经济林病害逐年加剧，严重影响和制约着我国经济林产业健康与快速发展，生物防治因其对环境和人类健康友好而备受关注，目前采用的主要手段是生防菌剂，而植物精油是未来极具潜力的新型天然杀菌剂。本文对经济林病害中生防菌控制病原菌的拮抗机理及精油抑菌机理进行综述，为经济林病害生物防治提供科学依据。

1 经济林主要病害

我国核桃、油茶、板栗、枣、苹果、柑橘等主要经济林的种植面积和产量均居世界首位。但高密度种植单一树种和集约化经营导致经济林病害日益严重，影响和制约了经济林产品的产量和品质。主要病害有病原真菌胶孢炭疽菌[Colletotrichum gloeosporioides(Penz.) Penz.& Sacc.]引起的核桃炭疽病、油茶炭疽病、枣炭疽病、苹果炭疽病等[6-9]；病原细菌黄单胞杆菌[Xanthomonas campestris pv.juglandis(Pierce) Dye]引起的核桃黑斑病[10]；病原真菌寄生隐丛赤壳[Cryphonectria parasitica(Murr.) Barr.]引起的板栗疫病[11]；病原真菌链格孢菌[Alternaria alternate(Fr.) Keissl.]引起的冬枣缩果病[12]；病原细菌亚洲柑橘黄龙病菌[Candidatus liberobacter asiaticumJagoueix et al ]引起的柑橘黄龙病[13]；病原细菌土壤杆菌 [Agrobacterium tumefaciens(Smith et Townsend)Conn]引起的果树根癌病（也称冠瘿病）等[14-15]。

传统的病害防治方法包括培育抗病品种、保持田间卫生，以及使用化学杀菌剂。然而，杀菌剂对环境和人类健康具有不良影响，因此生物防治方法日益受到人们的关注。目前，植物病害的生物防治方法主要是使用生防菌剂，已经有许多有效的生防菌剂被发现并应用[16]。近年来，对低毒杀菌剂的探索开始转向天然产品，植物精油被推荐为最有希望抑制病原菌的天然产品之一，且大多数植物精油显示出较高的生物安全性[17]。随着品种改良、种植面积扩大、提取工艺优化和多级化加工利用，一些植物精油的成本也有所下降，因此植物精油以其强抑菌性和生物安全性，在植物病害及采后病害的防治中展示出巨大潜力。

2 经济林病害的生防菌拮抗机理

2.1 生防菌概述

生防菌是用来防治植物病害的有益微生物，主要从健康植物根、茎、叶或病害等级较低的植株根际土壤中分离，可对靶标病原体产生抑制作用[18]。

目前，细菌、放线菌、真菌等被广泛应用于植物病害的生物防治。细菌主要包括芽孢杆菌（Baccillus）、荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）以及土壤杆菌（Agrobacterium）等。王捷[19]从土壤和苹果树叶中分离筛选出2株生物安全性高、定殖能力强、对苹果腐烂病有一定的抑制效果的芽孢杆菌生防菌株。娄海博[20]在土壤中分离到一株荧光假单胞菌株SN15-2，对青枯劳尔氏菌有很强抑制作用，可有效防治植物青枯病的发生。魏艳丽[21]分离到的土壤杆菌K1026可通过产生土壤杆菌素和竞争附着位点防治樱桃冠瘿病，田间试验表明，土壤杆菌K1026的防治效果高达81.61%。

链霉菌（Streptomycessp.）是最具生防价值的放线菌之一[22]。张恒等[23]从枣树枝条中分离得到的链霉菌ZH-356，在盆栽和离体枝条上，不仅能预防苹果树离体枝条感染腐烂病，同时对患病幼苗也具有良好的防治效果。

目前，已发现的生防真菌有木霉（Trichodermasp.）、毛壳菌（Chaetoniumsp.）、小盾壳霉（Conithyrium minitans）、粘帚霉（Gliodadiumsp.）、无致病力尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）等。赵兴丽等[24]通过对峙培养法发现，钩状木霉菌对辣椒疫霉菌的生长抑制率高达49.8%，盆栽试验表明，其对辣椒疫病的防治效果高达53.33%。冯镥童等[25]发现球毛壳菌（Chaetomium globosum）发酵液对尖孢镰刀菌孢子萌发的抑制率高达100%，对马铃薯干腐病的病斑抑制率可达53.6%。盛桂林等[26]通过室内生物活性试验和田间试验探究得到小盾壳霉对稻麦纹枯病在室内和田间的防治效果均大于90%。杨蕊等[27]通过平板对峙法、含毒介质法以及室内盆栽试验法探究表明，粉红粘帚霉对玉米茎基腐病具有良好的防治效果。肖姬玲等[28]的离体试验和田间防效测定试验均表明，非致病性尖孢镰刀菌菌株F-1对草莓灰霉病具有良好的防治效果。

2.2 生防菌防治机理

2.2.1 竞争作用

竞争作用主要表现在生防菌与病原菌对营养物质和生存空间的竞争。生防菌主要依靠其强大的繁殖能力、腐生能力和适应能力，迅速占领有限的生存空间，如植物表面、根系或体内空间及土壤中主要生态位，并快速吸收大量营养物质，病原菌由于生存空间匮乏或营养物质缺少，生长受到抑制，甚至死亡[29-31]。范先敏[32]发现，菌株bd-5-1费比恩赛伯林德纳氏酵母（Cyberlindnera fabianii）可通过和软腐菌竞争葡萄糖、甘氨酸等营养成分来抑制猕猴桃软腐病菌的生长。

2.2.2 重寄生作用

重寄生作用的过程包括对病原菌位点的识别、接触、缠绕、穿透和寄生等连续步骤。在此过程中，生防菌主要依靠对病原菌的攻击和寄生来控制病害的发生和传播，生防菌可进入病原菌菌丝内部将其杀死[33]。柳婷婷[34]发现长枝木霉菌株SMF2和哈茨木霉菌株T39对引起国槐根茎腐烂病的5种主要镰刀菌的抑菌作用均表现为重寄生作用，二者对镰刀菌的重寄生方式主要表现为侵入镰刀菌的菌丝内争夺营养，进而抑制镰刀菌的生长。

2.2.3 拮抗作用

两种或多种微生物共同生长时，生防微生物通过同化作用产生一种或多种抗菌物质，如抗生素和抗菌蛋白等，通过这些物质作用于有害微生物的细胞壁、细胞膜，导致有害微生物的细胞分解，也可通过改变有害微生物的生活环境，达到抑制或杀死有害微生物的目的[35]。章乐乐等[36]通过稀释法和平板对峙法研究发现，菌株RL-LL04对多种病原菌具有抑制效果，其中对胶孢炭疽菌的拮抗作用是通过产生挥发性有机物、胞外酶等多种方式实现。路兆军等[37]从苹果植株根际土壤中分离到的短短芽孢杆菌（Brevibacillus brevis）HY-19的无菌滤液对苹果斑点落叶病原菌有拮抗活性，其发酵产生的脂肽类抗生素是菌株具有拮抗活性的主要原因。

2.2.4 促生作用

生防微生物通过促进植株的根系和整体生长发育，提高植株的抗病能力，间接减轻或防止病害的发生。Gaiero等[38]的研究表明，植物新陈代谢受植株内部微生物的影响，微生物可通过溶解磷、固定氮和分泌生长素（IAA）等方式促进植物生长，进而影响植株生长发育。狄佳麟等[39]筛选出4株对杉苗立枯病原真菌具有强拮抗作用的沙地云杉内生真菌，通过发酵液浸种和灌根处理发现，这些内生拮抗菌对沙地云杉的种子和幼苗均表现出不同程度的促生作用。

2.2.5 诱导抗性作用

植物诱导系统抗性（Induced systemic resistance,ISR）是植物在诱导因子刺激下，产生使植物免受或减轻病原物再侵染的一种后天免疫功能。这是由于生防菌释放诱导因子（蛋白质、抗生素和挥发物），诱导水杨酸途径或茉莉酸/乙烯途径基因的表达[40-41]。诱导系统抗性是对各种类型的病原菌及非生物胁迫的广谱抗性[42]。吕前前等[43]从苹果韧皮组织分离获得的解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）菌株Ba A-007，对苹果腐烂病菌有抑制作用，该菌株可以通过激活苹果茉莉酸、水杨酸、乙烯相关的抗病基因和细胞壁相关抗病反应增强苹果抗病性。

3 经济林病害的精油抑菌机理

3.1 主要植物精油

精油是由植物合成的低分子量化合物的复杂混合物，主要由萜类、苯丙类、醛类、酯类、醇类和酮类组成，具有生物活性[44]。通过对精油成分分析发现，萜类化合物最为丰富，这些成分及其衍生物对多种微生物具有抑制活性[45]。

目前植物精油广泛应用于制药、化妆品、农林业、清洁、芳香疗法和食品等领域[46-47]。精油作为抗菌剂、抗病毒药物和抗氧化剂在保护食品安全方面发挥着重要作用。精油由于其较强的抑菌活性，在食品工业中被用作天然防腐剂，以减少或替代化学食品防腐剂[17]，极低浓度的精油即使长期使用也不会激活病原菌的耐药机制[17]。

粗壮女贞苦丁茶精油含有的大量萜烯类化合物，对大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、黄曲霉、黑曲霉、青霉、啤酒酵母表现出很好的抑菌效果[48]。山苍子精油、姜黄精油、柏木精油和八角茴香精油等均含有不同的抑菌成分[49]。精油对一些植物病原菌也具有较强的抑制作用。迷迭香精油对甜瓜蔓枯病菌、西瓜炭疽病菌、甜瓜灰霉病菌、甜瓜枯萎病菌、梨树腐烂病菌、柑橘黑腐病菌、油菜菌核病菌、蚕豆轮纹病菌和桃细菌性穿孔病菌具有抑制作用[50]。陈皮精油、松树油、薄荷精油、柠檬精油对苹果腐烂病病原菌黑腐皮壳菌和苹果斑点落叶病病原菌链格孢苹果专化型菌具有抑制作用[51]。椒蒿、黄花蒿、啤酒花、茵陈蒿、香青兰、蒌蒿和一枝蒿7种植物精油对尖孢镰刀菌、黄色镰孢菌、立枯丝核菌和串珠镰刀菌4种病原菌均有一定的抑菌活性[52]。

3.2 植物精油抑菌机理

3.2.1 影响细胞壁的合成及功能

植物精油可以通过影响细胞壁成分的合成和与细胞壁紧密相关的酶类，攻破微生物细胞壁的保护屏障[53]。精油可以穿透革兰氏阳性细菌特有的厚层肽聚糖，此类抗菌物质可利用蛋白质作为细菌细胞膜中的通道，抑制交联的形成，切断细胞壁的合成并产生孔隙，从而打开交流通道，使细菌出现裂解或死亡[54]。牛至精油主要成分香芹酚处理番木瓜采后病害病原菌冲绳炭疽菌后，病原菌细胞壁薄厚不均、壁膜间界线不清晰，菌丝体几丁质酶活性增强，细胞壁消解[55]。肉桂精油中的抗菌物质肉桂醛可穿透霉菌的细胞壁，从而有效破坏细胞壁中葡聚糖和几丁质的合成，使细胞壁功能受损，最终细胞因缺少保护性组织而衰亡[56]。

3.2.2 影响细胞膜的合成及功能

精油可以使微生物细胞膜结构受到破坏，进而影响细胞膜的通透性，造成细胞质里的一些离子和化合物从细胞中溢出[57]。精油通过以下方式攻破微生物细胞膜：1）攻击细胞膜结构，影响其通透性，使细胞膜受损。研究发现肉桂醛具有亲水性，易溶解在细胞膜的脂酰链中，破坏细胞膜外膜，增强细胞膜的通透性，使三磷酸腺苷流出，导致细胞死亡[53]。2）与磷脂分子相互作用，改变膜中脂肪酸的比例和结构。Di等[58]发现枯草芽孢杆菌细胞膜中脂肪酸的比例和结构在精油处理后发生变化，降低了细胞膜的流动性。3）影响细胞膜成分的合成，例如麦角固醇。在香茅精油处理的青霉菌细胞中，膜完整性和麦角固醇含量显著降低，而羊毛甾醇作为麦角固醇生物合成的前体大量积累，添加外源麦角固醇降低了香茅醛的抑制率，使麦角固醇含量和膜结构恢复到正常水平[59]。4）通过下调膜孔蛋白相关基因的表达破坏细胞膜上的膜孔蛋白和氨基酸转运蛋白[53]。马提尼精油处理可严重破坏黄曲霉细胞膜的完整性，通过蛋白质组学分析，鉴定出黄曲霉1 604个膜蛋白，马提尼精油处理破坏了58种细胞膜蛋白，释放了157种膜蛋白[60]。5）精油还可以通过破坏β微管蛋白分布引发细胞周期停滞，导致有丝分裂纺锤体受损，最终损伤细胞膜并导致细胞成分泄漏[61]。

3.2.3 影响呼吸与能量代谢

抗菌剂可以抑制甚至阻止致病菌呼吸代谢产生能量。通过干扰营养物质的吸收、转运和代谢，导致致病菌的生长和繁殖受到影响[62]。当三羧酸循环中的关键调节酶活性受到抑制时，可破坏细胞正常的代谢周期，从而抑制微生物的正常生长。Hu等[63]研究发现，紫苏精油处理后黄曲霉能量代谢紊乱，防御功能受损。蛋白质组学分析表明，紫苏精油通过阻断抗氧化防御过程和糖酵解途径抑制黄曲霉生长，紫苏精油处理后黄曲霉额外的能量产生途径被激活，以补偿不平衡的糖酵解。Zhao等[64]发现，八角茴香精油能够降低黑曲霉的ATP含量和细胞活力，通过阻断NAD的合成途径抑制黑曲霉的生长，黑曲霉还激活了额外的能量产生途径，如聚糖代谢，以弥补八角茴香精油处理后能量的不足。

3.2.4 影响遗传物质的合成与相关功能

微生物遗传物质（DNA或RNA）的破坏会影响微生物的正常繁殖和自我复制[53]。Chung等[65]发现，艾蒿精油可与微生物DNA相互作用，导致DNA断裂。芥末精油包合物对红毛丹病原菌棘孢曲霉的抑菌机制涉及细胞结构损伤、影响DNA和RNA合成和代谢、抑制酶活性、影响跨膜运输能力、抑制有丝分裂、下调能量代谢水平等[66]。

3.2.5 影响生物膜功能

生物膜具有多种细胞功能[67]，生物膜基质可以作为物理屏障，阻止药物渗透到细菌群落中，并帮助微生物抵抗传统抗生素并将其效果降至最低[68]。精油具有抗生物膜活性，其中的疏水成分渗透到细胞膜的脂质中，减少生物膜的形成，亲水成分则通过生物膜的胞外多糖基质扩散[68]。迷迭香精油能够显著抑制紫色杆菌的群集运动，浓度为10‰的精油对紫色杆菌生物膜含量的抑制率为44%，并且能够降解已形成的生物膜，10‰浓度的精油对已形成生物膜降解率达到64%[69-70]。

3.2.6 影响群体感应系统

群体感应（Quorum sensing, QS）系统是细菌之间的一种通信系统，该系统在信号分子帮助下工作，参与各种生理过程，如生物膜的形成、毒力因子的表达、次生代谢产物的产生、应激管理等[71]。目前已经报道了几种抑制QS的机制，包括：1）抑制信号分子合成；2）信号分子失活或降解；3）防止信号分子与其受体类似物结合；4）阻断信号转导级联[72]。黑胡椒精油及其主要化合物柠檬烯和石竹烯对嗜冷假单胞菌KM02的群体感应和外排泵（EP）系统的影响，主要为使QS自诱导物合成降低，并使蛋白水解活性和胞外多糖合成分别降低[73]。精油对微生物的作用机制主要是其疏水成分与细胞膜的磷脂双分子层相互作用[17]，使膜的完整性丧失，导致电子传递链功能发生变化，营养物质吸收、蛋白质和核酸合成、细胞内容物凝固、能量代谢所必需的酶受到抑制[44]，从而减少ATP的合成，改变细胞质膜的pH梯度，抑制群体感应作用，以及破坏或失活遗传物质，降低细胞的代谢活性[17]。

4 结语

我国经济林多为纯林，生态稳定性不强，抗逆性较弱，病害容易多发频发，不仅直接影响经济林的产量与品质，病原菌检疫及农药残留还会极大影响我国经济林产品及衍生品的出口贸易。生物防治以其对生态环境及人类健康的安全性，在经济林病害防治中发展潜力巨大。

生防菌与植物、病原菌通常有着复杂的关系，与植物相互作用的同时，也对病原菌产生多种抑制作用，且生防菌的防治效果受环境影响较大，这也增加了研究和生产应用的难度。今后，更多内生菌资源的挖掘与筛选仍有待加强；生防菌的抑菌代谢产物有待进一步研究和利用；可将分子生物学及组学技术应用于生防菌抗病机制的研究，多组学分析生防菌诱导植物抗病性的机制；生防菌对病原菌的抑制效果与环境的关系仍有待挖掘。

大多数植物精油对微生物都表现出一定的抑制作用，生物安全性使其成为理想的生物杀菌剂，但由于以往精油价格昂贵，在病害防治方面的研究并不多。近年来，随着迷迭香品种改良、种植面积扩大和提取工艺优化，迷迭香精油的成本迅速大幅下降。另外，通过迷迭香的多级化加工利用，实现了精油、纯露、鼠尾草酸提取物、迷迭香酸提取物的多产品开发利用，进一步降低了迷迭香精油的成本。

经笔者团队调研发现，目前实现迷迭香多级加工的部分企业，其迷迭香精油出厂价大幅降低，是其他植物精油成本的约1%，使迷迭香精油成为一种物美价廉的大宗精油商品。因此，迷迭香精油因其强抑菌性、强抗氧化、低成本在植物病害的生物防治及采后防病防腐方面具有巨大的发展前景。然而目前对精油中天然抑菌组分的化学成分分析还不够深入，抑菌机理多集中在食品与医药方面，对于病害防治方面的应用有待进一步探索研究。