全 文 ：·综述与专论· 2015, 31(6):37-41
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
目前，在生物防治菌中人们研究较多的是芽孢
杆菌。芽孢杆菌是土壤和自然界的优势微生物种群，
广泛存在于自然界中，大多为非致病性细菌，对人
畜无害，并且很多种类都具有抑制植物病害生长的
能力。芽胞杆菌大多为内生芽胞，繁殖速度快，抗
逆能力强，易定殖在植物根际表面。芽孢细菌种类
繁多，广泛应用于生物防治的种类有枯草芽胞杆菌、
蜡状芽胞杆菌、地衣芽胞杆菌及解淀粉芽孢杆菌［1］。
目前关于生防菌的基础研究集中在抑菌物质的种类、
产生条件和分离纯化等方面，随着部分菌株全基因
组测序的完成，研究已经逐步深入到分子水平，研
究者开始关注抑菌物质产生的相关基因簇以及研究
单个基因或者某几个关联基因对于抑菌物质分泌的
影响等。已经有研究成功的通过 Genome shuffling 得
到能大量分泌抑菌物质的突变菌株，改造后的突变
菌株 F2-38，surfactin 的摇瓶产量比对照提高了 3.5
倍，在发酵罐中产量提高了 10.3 倍，而荧光定量
（fluorescent quantitation，FQ）RT-PCR 分析证实，菌
株 F2-38 的 surfactin 合成酶基因 srfA 的表达量时原
始菌株的 15.7 倍［2］。本文主要对国内外解淀粉芽孢
杆菌的抑菌基因和抑菌机制的研究进展进行简要综
述，对于今后工作的开展有重要意义。
1 解淀粉芽孢杆菌的全基因序列
1.1 解淀粉芽孢杆菌的基因组信息预测
从 2007 年解淀粉芽孢杆菌 FZB42 基因组序列
收稿日期 ：2014-09-16
基金项目 ：山西省农业科学院产品项目（2012ycp18），山西省基础研究计划项目（2009021032-1），山西省农业科学院科技攻关项目（2013GG22）
作者简介 ：陈哲，女，研究实习员，硕士，研究方向 ：拮抗菌抑菌物质 ；E-mail ：changer0006@163.com
通讯作者 ：梁宏，助理研究员，研究方向 ：微生物 ；E-mail ：lh1964@126.com
解淀粉芽孢杆菌抑菌机制的研究进展
陈哲  黄静  赵佳  王长彪  梁宏
（山西省农业科学院生物技术研究中心，太原 030031）
摘 要 ： 解淀粉芽孢杆菌能够产生种类繁多的抑菌物质，可以有效的抑制真菌和细菌的活性。近几年来，关于解淀粉芽孢
杆菌抑菌机制的研究报道越来越多，大部分研究已经深入到分子水平。综述了国内外有关解淀粉芽孢杆菌的全基因组信息和解淀
粉芽孢杆菌抑菌机制的相关研究。
关键词 ： 解淀粉芽孢杆菌 ；基因组 ；抑菌机制
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.06.004
Research Advances on Antibacterial Mechanism of Bacillus
amyloliquefaciens
Chen Zhe Huang Jing Zhao Jia Wang Changbiao Liang Hong
（Biotechnology Research Center，Shanxi Academy of Agriculture Science，Taiyuan 030031）
Abstract: Bacillus amyloliquefaciens produces a wide range of antibacterial substances which effectively inhibit fungal and bacterial
activities. In recent years, more and more studies have focused on antibacterial mechanism of B. amyloliquefaciens, and most of them already at
the molecular level. Hence, we review the research progress on the genome sequences and antibacterial mechanism of B. amyloliquefaciens in
this study.
Key words: Bacillus amyloliquefaciens ；genome ；antibacterial mechanism
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.638
的公布开始，已经有大约 20 多株不同的解淀粉芽孢
杆菌进行了全基因组测序。
作为首个被测序的菌株，对解淀粉芽孢杆菌
FZB42 基因组序列的研究最为深入，其主要特征在
表 1 中列出 , 同时还与枯草芽孢杆菌基因组进行了
比较。解淀粉芽孢杆菌 FZB42 可以编码 3 693 个基因，
与芽孢杆菌属的其他成员相比，其中有 310 个基因
是其特有的［3，4］。
2013 年，解淀粉芽孢杆菌 UCMB5036 完成测
序， 其 基 因 组 大 小 是 3 910 324 bp，G+C 的 比 例
为 46.60%，预测有 3 660 个编码序列（CDSs），89
个 tRNA 基因序列，10 个 rRNA 操作子，预测包含
3 842 个预测的开放阅读框（ORF），其中 95.39％
的序列与菌株 FZB42 基因组序列具有同源性，这
表明这两个菌株之间有高度的基因同线性（gene
synteny）［5］。
表 1 解淀粉芽孢杆菌 FZB42 基因组与枯草芽孢杆菌的主
要特征比较
Bacillus amyloliqu-
efaciens FZB42
Bacillus
subtilis 168
Genome size/bp 3918589 4214630
G+C content/mol% 46.4 43.5
Protein-coding sequences 3693 4106
Average CDS size/bp 933 895
Percent of coding region 88 87.2
Ribosomal RNA operons 10 10
Number of tRNAs 89 86
Phage-associated genes 44 268
Transposase genes of IS elements 9 0
1.2 抑菌物质的相关基因簇
根据解淀粉芽孢杆菌 FZB42 的全基因组序列
信息，我们发现解淀粉芽孢杆菌可以产生种类繁多
的次级代谢产物，这些产物可以抑制植物根际中的
有害细菌和真菌。在解淀粉芽孢杆菌的基因序列中
有 9 个巨大基因簇可以指导合成生物活性肽和聚酮
化合物，二者分别在非核糖体肽合成酶（NRPS）和
聚酮合酶（PKS）的组织下合成（表 2）。非核糖体
肽合酶（NRPS）是由许多功能模块组成的复杂酶合
成体系［6］，模块的数量、种类和排列顺序决定了最
终产物具有多样性的结构、功能和作用机制。聚酮
化合物的生物合成途径遵循和脂肽合成途径一样的
规则［7］。
表 2 参与非核糖体合成途径的基因簇
Compound Enzyme Gene cluster Size/kb
lipopeptides
surfactin NRPS srfABCD 26.5
bacillomycin NRPS bmyABCD 37.2
fengycin NRPS fenABCDE 38.2
一个未知肽链 NRPS nrsABCDEF 15.0
bacillibactin NRPS dhbABCDEF 12.8
dipeptide bacilysin NRPS bacABCDE 6.9
polyketides
macrolactin PKS mlnABCDEFGHI 53.9
bacillaene PKS baeBCDEGHIJLMNRS 74.3
difficidin PKS dfnMLKJIHGFEDCBXYA 71.1
在解淀粉芽孢杆菌 FZB42 中，能够合成次级代
谢产物的基因总长为 340 kb，约占总遗传力的 8.5%，
是枯草芽孢杆菌的两倍［8］。而且在枯草芽孢杆菌中
没有发现负责合成脂肽 bacillomycin D，聚酮化合物
difficidin 和 macrolactin 以及一种未知肽链的相关基
因簇［7］。
同样的，解淀粉芽孢杆菌 UCMB5036 的基因组
序列中也包含了非核糖体肽合成酶（non-ribosomal
peptide synthetase，NRPS） 和 聚 酮 合 酶（polyketide
synthase，PKS）基因簇 ：surfactin、fengycin、diffici-
din、bacilysin、macrolactin、bacillaene、bacillomycin
D 和 bacillibactin，这些基因簇负责菌株次级代谢产
物的产生。此外，菌株 UCMB5036 基因组中还包含
其他功能的基因 ：分解代谢的植物来源的化合物、
耐重金属和药物、运动和趋化、根定植，以及其他
可以使细菌具有植物共生优势的功能［5］。
1.3 核糖体合成途经的相关基因
与脂肽和聚酮化合物相比，蛋白质类及酶类的
抑菌物质合成所涉及的基因就相对简单许多，并且
合成过程也很明确，遵循一般蛋白质的核糖体合成
过程。值得注意的是，在枯草芽孢杆菌中羊毛硫抗
生素 lantibiotics（mersacidin 和 subtilin）是常见的由
核糖体合成的细菌素，但是解淀粉芽孢杆菌 FZB42
却不能合成这种物质，基因组中没有相应的编码基
因，但是却有阻碍其合成的基因簇［4］。
2015,31(6) 39陈哲等：解淀粉芽孢杆菌抑菌机制的研究进展
2 抑菌机制的研究
目前，关于抑菌物质的抑菌机理有一定的研究，
但还是没有形成完整的体系。一般来说，抑菌物质
可能在会在 3 个方面起作用 ：对病原菌的生长起到
抑制作用 ；诱导植株的体内基因和免疫系统发生变
化 ；抑菌物质使得拮抗菌具有一定特性，通过菌体
的运动定殖在植株根部，发挥抑制作用。
2.1 对病原菌的作用
抑菌物质对病原菌的抑制主要体现在对其菌丝
生长的抑制，以及对孢子萌发的影响这两方面。
解淀粉芽孢杆菌 YN- 1 能够抑制棉花枯萎病菌，
用菌株发酵液的粗提物处理病原菌，结果表明，YN
-1 菌株粗提液能够造成该病原菌的菌丝消融、变细，
菌丝膜发生破裂，原生质体凝集渗漏，菌丝体扭曲
变形，形成泡囊结构，孢子的产生受到严重抑制［9］。
利用高效液相色谱 HPLC 分析发现，解淀粉芽
孢杆菌 SWB16 能够分泌脂肽类抑菌物质芬枯草菌素
和伊枯草菌素。试验证明，这两种物质可以抑制球
孢白僵菌生长 ：一方面对孢子发芽及生长具有明显
的抑制及破坏作用，绝大多数分生孢子裂解，出现
内容物外溢现象 ；另一方面，菌丝前部生长端出现
膨大现象，菌丝体出现多处出现瘤状畸形，菌丝生
长受到明显抑制［10］。
通过试验发现，用纯脂肽芬枯草菌素 fengycins
处理串珠镰刀菌后，菌丝体内出现较大的囊泡，部
分菌丝顶端破裂，菌丝 膜 也 会 受 到 破 坏。 但 是，
fengycins 不容易破坏串珠镰刀菌孢子的膜透性。此
外，还发现卵磷脂很可能是 fengycins 在膜上的作用
靶标，并且，fengycins 能够抑制串珠镰刀菌分泌的
磷脂酶 A2 的活性，该性质很可能也在 fengycins 的
抑菌活性中起到了一定作用［11］。
2.2 对植株的作用
当菌株在植物根际定殖或大量繁殖时，抑菌物
质可能会促使植物体内发生改变。例如，诱导免疫
系统中的酶发生变化，或者系统抗病性发生变化。
有研究者对拮抗细菌 C-02 防治棉花黄萎病的机
理展开了研究。结果表明，菌株 C-02 处理棉苗后，
棉叶中植株防御性酶系中的苯丙氨酸解氨酶 PAL、
过氧化物酶 POD 和多酚氧化酶 PPO 的活性提高幅
度大，维持时间长，提高了棉苗系统防御能力，降
低了病原菌侵染的可能性［12］。
诱导性系统抗性（ISR）是由寄生在植物根部的
有益菌，或者称为植物生长促进菌诱导植物产生的、
对逆境和病害的系统抗性。研究表明，当受到温度
或者水分胁迫时，植物的诱导性系统抗病性（ISR）
水平会下降 ；如果事先用解淀粉芽孢菌株 S499 对
植株进行处理，就能够降低这种负面影响。分析证
实，在低温情况下，解淀粉芽孢杆菌 S499 菌株的
surfactin 产量会显著提高，增加菌株在植株根部的
定殖能力，从而使得植物诱导性系统抗病性 ISR 的
水平能维持平衡。许多试验表明，surfactin 与菌株
在植物根际的活动，包括定殖能力、丛集运动以及
生物膜的形成有关得以实现［13］。
2.3 抑菌物质自身的抑制作用
解淀粉芽孢杆菌分泌的抑菌物质有很多种，常
见的种类分为脂肽类物质、聚酮类物质还有具有蛋
白活性的抑菌物质。它们可以通过影响菌体自身的
丛集运动、定殖能力、生物膜形成能力，促使菌体
在植物根际大量繁殖或者定殖，进而起到保护作用。
目前研究较多的是脂肽类的抑菌物质，解淀粉芽孢
杆菌 SQR9 可以合成 bacillomycin D 和 fengycin 两种
脂肽，对香蕉枯萎病菌有显著的拮抗作用。根据菌
株 SQR9 分合的两种物质，研究构建了两种突变体 ：
bacillomycin D 合成能力受到阻碍的突变体 SQR9M1，
对尖孢镰刀菌有轻微的抑制作用 ；fengycin 合成能力
受到阻碍的突变体 SQR9M2，其抑菌能力等同于野
生型菌株 SQR9。此外，通过在根部的原位实验以及
定量 RT-PCR 实验证实，bacillomycin D 有助于生物
膜的形成［14］。
解淀粉芽孢杆菌 FZB42 的自发 GFP 荧光的突变
体 FB01mut 可以用来研究菌株在不同物种中的定殖
情况。在玉米中，突变体 FB01mut 主要定殖在初生
根外表细胞的表面以及初生根和侧根的交界处 ；而
突变体 FB01mut 在拟南芥定植定植时，优先定殖于
根尖 ；对于浮萍，突变体 FB01mut 通过形成生物膜
定殖在叶子和根部，从定殖菌的浮萍植株上只提取
到了表面活性素 surfactin［15］。
还有研究者采用绿色荧光蛋白标记解淀粉芽孢
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杆菌 FZB42 发现，该细菌定植在不同物种的植物的
根的表面表现不同。为了阐明哪些基因是根定植的
关键，实验构建了一系列突变体，即 abrB-、sigH-、
sigD-、nrfA-、yusV、RBAM017410、sfp、pabB-、
pznA-和degU。用共聚焦激光扫描显微镜进行扫描
分析发现，野生型菌株大量定殖在根尖和侧根的表
面，而突变体定殖在根尖的能力受到了影响，并且
大多数突变体不能在侧根定殖。其中，sfp、pabB-、
pznA-和 degU 基因被敲除的突变体菌株影响了细菌
形成生物膜的能力以及菌体的群集运动，从而影
响其在根部定殖的能力，这与大多数研究结果一
致。有趣的是，菌株在植物根部的定殖能力依赖于
生物膜的形成能力及群集运动。例如，试验中构建
的 6 个突变体，abrB-、sigH-、sigD-、 nrfA-、yusV 和
RBAM017410，它们在根部的定殖能力显著下降，但
是却没有影响菌株生物膜的形成，而且突变株 nrfA-
和yusV 虽然不能在根尖或者或侧根定殖，但是却可
以定殖在细胞边缘及根的表面［16］。
为了研究菌株和根系表面接触的分子机制，采
用 cDNA 为基础的消减抑制杂交，在解淀粉芽孢杆
菌 B55 中鉴定出了 7 个上调的差异表达 DNA 片段。
进一步试验表明，在解淀粉芽孢杆菌 B55 和水稻根
部共培养 1 h 之后，ansB（天门冬氨酸氨 - 裂合酶）
和 odhA（2- 酮戊二酸脱氢酶 E1 组分）基因的 RNA
表达上调 ；随着菌株和植物互相作用的时间增长，
odhA 基因呈连续上调表达，而 ansB 则在 2 h 后发生
下调表达，这表明与水稻根部接触的早期，ansB 的
上调表达是瞬间。可以看出，在细菌与植物根际相
互作用的初期，会受到植物根系分泌物和根际微生
物表面接触的影响，这一时期是根际细菌定殖根部
的关键时期，同时也开始促进植物的生长［17］。
需要注意的是，尽管我们能够将抑制机理大致
分为以上 3 种情况，但是在大自然中，抑菌物质在
病原菌、植株和菌体三者之间发挥抑制作用一定依
赖一个复杂而精细的调控网络，这个网络是我们今
后研究的主要任务，尤其是在分子水平上的抑菌原
理还需要进行更透彻的研究，包括基因表达和蛋白
质组学的研究等，逐渐构建出完整系统的抑菌调控
体系，为抑菌物质更好的发挥作用奠定良好的分子
基础。
3 展望
到目前为止，解淀粉芽孢杆菌的抑菌作用研究
已经广泛开展，但是生物体是复杂多变的，仍然有
很多东西是未知的，并且利用解淀粉芽孢杆菌进行
生物防治的前景十分广阔，所以要加强对抑菌物质
的分子研究。未来，抑菌物质的分子研究应该集中
在以下几个方面 ：研究抑菌调控体系，明确抑菌物
质在病原菌、植株和菌体三者之间发挥作用的机制；
改良合成抑菌物质的相关基因，使菌株产生更多的
抑菌物质，从而有更强的抑菌能力 ；找到抑制病原
菌生长的关键基因，将其转入到植物中，使得植物
本身具有抵抗病原菌的能力 ；使用高表达的宿主菌
进行抗菌物质的高效表达，开展抑菌物质生物制剂
的研究，包括制剂的规模化生产、储存条件、存活
期限、施用方法以及施入土壤后的存活条件和繁衍
系数等方面 ；还可以通改造已知抑菌物质的结构，
人工合成抗菌物质，从而在植物真菌的生物防治中
发挥不亚于天然抑菌物质的作用［18］。
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（责任编辑 狄艳红）