具有农药活性的微生物挥发性有机物研究进展

田宇曦 闵勇 杨自文 周荣华 王开梅

摘要：具有農药活性的微生物产生的挥发性有机化合物种类丰富，产生菌株多样，功能多样，应用性不亚于微生物产生的非挥发性化合物，是一类重要的功能化合物。对具有农药活性的微生物挥发性有机化合物种类、产生菌株、分离检测方法、农药活性和应用进行了综述，并提出问题和思考，旨在为具有农药活性的微生物挥发性有机化合物的开发应用提供参考。

关键词：农药活性;微生物;挥发性有机化合物;固相微萃取

中图分类号：S481+.8;S154.34         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）21-0016-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.21.003           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress of Microbial Volatile Organic Compounds with Pesticide Activity

TIAN Yu-xi，MIN Yong，YANG Zi-wen，ZHOU Rong-hua，WANG Kai-mei

（Hubei Biopesticide Engineering Research Center，Wuhan 430064，China）

Abstract： Microbes with pesticide activity produce a wide variety of volatile organic compounds，which produces diverse strains，diverse functions，and non-volatile compounds with practicability similar to those produced by microorganisms. They are an important class of functional compounds. The species，strains，separation and detection methods，pesticide activity and application of microbial volatile organic compounds with pesticide activity were reviewed;and problems and considerations were put forward. The aim was to provide reference for the development and application of microbial volatile organic compounds with pesticide activity.

Key words： pesticide activity; microbes; volatile organic compounds; solid-phase microextraction（SPME）

挥发性有机化合物是指在20 ℃、1个大气压的条件下能够完全蒸发变为气相的绝大多数为液体物质，且为脂溶性，水溶性极低的碳基化合物[1]。由微生物代谢产生的天然非化学合成的挥发性有机化合物英文简称mVOCs（Microbial volatile organic compounds）。

1  具有农药活性的微生物的挥发性有机物（mVOCs）的类型

因为微生物代谢过程受条件影响较大，不同条件下微生物代谢产生的mVOCs种类有差异，mVOCs种类多样，大致可分为醛类、酮类、醇类、酯类和有机酸类[2，3]，部分见表1。

2  产生mVOCs的具有农药活性的微生物种类

目前研究报道较多的产生mVOCs具有农药活性的微生物主要是真菌还有细菌，这些微生物能杀线虫、诱导植株抗病、抑制病原真菌、病原细菌等。细菌里挥发性杀线虫优势菌有芽孢杆菌属、变形菌门还有放线菌门，其次是异常球菌-栖热菌门和拟杆菌门[13]，如24 h杀马铃薯腐烂茎线虫活性达到100%的有枯草芽孢杆菌[14]。调节植物生长发育和诱导植物对病虫害产生系统抗性的芽孢杆菌菌株如解淀粉芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌[15-17]，对病原真菌有拮抗致死作用的枯草芽孢杆菌[18]和链霉菌[19]。真菌里能抑制或杀死多种植物病原真菌、细菌、线虫、昆虫还有人体病原菌的有Muscodor albus，能抑制植物病原真菌、细菌和卵菌的甘薯长喙壳菌[20]和促进生菜幼苗根长、芽长和鲜重增长的尖孢镰刀菌[21]等。

3  mVOCs的分离检测方法

因为挥发性物质容易挥发，且组分结构差异大。分析检测前必须要有有效的方法收集挥发性物质，这方面研究较多，目前已有多种方法用于收集和前处理挥发性物质，国内外收集挥发性化合物比较成熟的方法大致分为3类：借助辅助仪器、吸附材料，如吸附剂法[22-26]、吸附丝法[27]、固相微萃取法（SPME）[28，29]等;依据相似相容原理，如溶剂浸提法[30]、溶媒萃取法[31]等;根据物理性质，如吸附热脱捕集法[32，33]、水蒸气蒸馏法[31]等。为了达到定性定量测定的目的，避免样品采后被污染，样品的收集和分析仪器联用。其中SPME法是近年来发展起来的一种新型的无溶剂样品前处理技术，是通过萃取纤维富集样品中的挥发性物质，再用气相色谱-质谱（GC/MS）技术分析和鉴定，用标准普库检索分析结构，最后通过购买相应的商业纯品试剂验证功能活性。此项技术优于传统方法的地方有：无需溶剂，快速简单，经济无毒，精确度灵敏度高，能方便地与GC/MS设备联用。SPME法根据待测物质挥发性、机制、探针固定相涂层的性质还可以分为2种方式：顶空式固相微萃取和浸入式固相微萃取[28]。

4  mVOCs的农药活性与应用

目前对微生物源挥发性有机物的研究受到国内外的关注，开发和利用这些天然的、非化学合成的气体物质逐步成为研究热点，这些微生物代谢产生的挥发性有机物有的可以作为信号物质调节植物的生理代谢，比如促生、诱导系统抗病性，如某些植物内生真菌施加到土壤环境中不仅可以促进植物生长，而且可以诱导植物幼苗提高防御能力，减少病害发生[34];有的可作为化学信息素引诱或趋避昆虫和其他无脊椎动物，比如吸诱线虫等;对于微生物生物防治领域最为重要的一点是，某些微生物产生的挥发性有机化合物能抑制或者杀死病原真菌、线虫、细菌以及昆虫，可用于防治植物病虫害[20]，因为这类挥发性有机物在生物防治领域的重要经济价值，其主要被开发用作生物农药。

为了开发新型土壤熏蒸剂或研发其先导化合物，李志芳等[11]采用单因素分析法和Plackett-Burman设计法优化杀线虫菌株韦氏芽孢杆菌MC67的液体发酵条件，使发酵液挥发物杀线虫活性达到98.2%。开发土壤熏蒸剂实际应用中，李倩[20]将该菌在封闭的发酵罐中发酵培养，然后将产生的大量挥发性物质通过气泵导入温室、大棚等封闭、人工控制的环境中施用，可以避免菌株直接接触土壤、农产品或寄主植物而产生的风险，优于当前灌根或者喷施的生物或化学试剂，避免引发农药残留、环境污染等问题，更适合有害生物的综合防治。短小芽孢杆菌AR03菌株分泌的挥发性有机物对烟草黑胫病菌和赤星病菌均有一定的抑制效果，有潜力作为开发抗真菌代谢物和新药物的重要微生物资源[35]。

5  问题与思考

研究报道，一般而言，具有农药活性的微生物代谢产生的挥发性有机物的抑菌防病作用不是某一种或几种物质的独立行为，而是众多挥发性物质协同作用的结果[36]，挥发性有机物发挥作用的机制有的是直接作用，有的是通过影响病原菌的质膜渗透性、氨基酸转移体系或者体内酶活，有的是通过抑制竞争者生长，还有的是充当传播化学信号的作用等[20]。但是总的来说，深层次的作用机制和作用模式研究并不是太多，这也是未来需要加强的。比如，对于枯草芽孢杆菌这种研究普遍的生防菌株，其挥发性产物和非挥发性产物一样，都是重要的生防资源，但是其作用机制和生防途径还有待深入研究。

参考文献：

[1] PAGANS E，FONT X，S？魣NCHEZ A. Emission of volatile organic compounds from composting of different solid wastes：abatement by biofiltratio[J].Journal of  Hazardous Materials，2006，131（1-3）：179-186.

[2] 赵伟睿，马海乐，刘  斌.微生物挥发性物质及其在食品工业中的应用[J].食品科技，2009，34（8）：32-37.

[3] 梁华正，张  燮，饶  军，等.微生物挥发性代谢产物的产生途径及其质谱检测技术[J].中国生物工程杂志，2008，28（1）：124-133.

[4] XU C K，MO M H，ZHANG K Q.Soil volatile fungistasis and volatile fungistatic compounds[J].Soil Biology and Biochemistry，2004，36：1997-2004.

[5] ZOU C S，ZHOU J P，GU Y Q，et al.Possible contributions of volatile-producing bacteria to soil fungistasis[J].Soil Biology and Biochemistry，2007，39：2371-2379.

[6] ROBINSON P M，MCKEE N D，THOMPSON L A A，et al.Autoinhibition of germination and growth in Geotrichum candidum[J].Mycological Research，1989，93：214-222.

[7] 陳利军，胡孔峰，史洪中. 一株木霉菌挥发性物质的抑菌活性测定及成分分析[J].生物技术，2010，20（4）：78-79.

[8] FARAG M A，RYU C M，SUMMER L W，et al.GC-MS SPME profiling of rhizobacterial volatiles reveals prospective inducers of growth promotion and induced systemic resistance in plants[J].Phytochemistry，2006，67：2262-2268.

[9] RYU C M，FARAG M A，HU C H，et al.Bacterial volatiles promote growth in Arabidopsis[J].Proc Natl Acad Sci，2003，100：4927-4932.

[10] 周  勇.苏云金芽孢杆菌BRC-XQ12菌株挥发性物质对松材线虫的作用[D].福州：福建农林大学，2012.

[11] 李志芳，顾英琦，莫明和，等.产挥发性杀线虫物质韦氏芽孢杆菌MC67菌株培养条件的优化[J].中国生物防治，2009，25（4）：339-347.

[12] 郝玉娥，牟贵平，何爱桃，等.挥发性物质诱吸线虫的土壤细菌系统多样性特征及其挥发物鉴定[J].微生物学报，2011，51（11）：1454-1460.

[13] 董琼娥.挥发物杀线虫细菌及其应用研究[D].昆明：云南大学，2015.

[14] 刘玮玮，季  静，王  超，等.枯草芽胞杆菌挥发产物的杀线虫活性评价及成分鉴定[J].植物病理学报，2009，39（3）：304-309.

[15] RYU C M，FARAG M A，HU C H，et al. Bacterial volatiles promote growth in Arabidopsis[J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2003，100（8）：4927-4932.

[16] RYU C M，FARAG M A，HU C H，et al. Bacterial volatiles induce systemic resistance in Arabidopsis[J].Plant Physiology，2004，134（3）：1017-1026.

[17] FARAG M A，RYU C M，SUMNER L W，et al. GC-MS SPME profiling of rhizobacterial volatiles reveals prospective induces of growth promotion and induced systemic resistance in plants[J].Phytochemistry，2006，67（20）：2262-2268.

[18] CHAURASIA B，PANDEY A，PALNI L M S，et al. Diffusible and volatile compounds produced by an antagonistic Bacillus subtilis strain cause structural deformations in pathogenic fungi in vitro[J].Microbiological Research，2005，160（1）：75-81.

[19] BOUKAEW S，PLUBRUKAM A，PRASERTSAN P. Effect of volatile substances from Streptomyces philanthi RM-1-138 on growth of Rhizoctonia solani on rice leaf[J].Biocontrol，2013， 58（4）：471-482.

[20] 李  倩.甘薯长喙壳菌的多样性及其产生挥发性有机化合物的活性研究[D].北京：中国农业大学，2015.

[21] MINERDI D，BOSSI S，MAFFEI M E，et al. Fusarium oxysporum and its bacterial consortium promote lettuce growth and expansin A5 gene expression through microbial volatile organic compound（MVOC） emission[J].FEMS Microbiology Ecology，2011，76（2）：342-351.

[22] MEDEIROS A B P，ASHOK P，VANDENBERGHE L P S，et al.Production and recovery of aroma compounds produced by solid-state fermentation using different adsorbents[J].Food Technology and Biotechnology，2006，44（1）：47-51.

[23] 候慧波，李新岗，马养民，等.2种吸附剂对油松挥发物的吸附效果比较[J].西北林学院学报，2006，21（2）：134-137.

[24] STAUDT M，BERTIN N，FRENZEL B，et al. Seasonal variation in amount and composition of monoterpenes emitted by young pinus pinea trees-implications for emission modeling[J].Journal of Atmospheric Chemisty，2000，35（1）：77-99.

[25] KLEINHENTZ M，JACTEL H，MENASSIEU P. Terpene attractant candidates of Dioryctria sylvestrella in maritime pine （Pinus pinaster） oleoresin，needles，liber，and headspace samples[J].Journal of Chemical Ecology，1999，25（12）：2741-2756.

[26] ZHANG Q H，SCHLYTER F，BATTISTI A，et al. Electrophysiological responses of Thaumetopoea pityocampa females to host volatiles：implications for host selection of active and inactive terpenes[J].Journal of pest science，2003，76（4）：103-107.

[27] 朱金炎，侯鏡德，冯建跃.吸附丝法用于茉莉花茶香气的研究[J].江西农业大学学报，1992，14（3）：284-289.

[28] 戚军超，周海梅.固相微萃取-气质联用技术在天然产物挥发性成分分析中的应用[J].信阳师范学院学报（自然科学版），2005， 18（4）：471-474.

[29] 李丽华，郑  玲，刘晓松.固相微萃取气质联用分析茉莉花的香气成分[J].化学分析计量，2006，15（2）：37-39.

[30] CHEN Z，KOLB T E，CLANCY K M. The role of monoterpenes in resistance of Douglas fir to western spruce budworm defoliation[J].Journal of Chemical Ecology，2002，28（5）：897-920.

[31] 何培青，张金灿，蒋万枫，等.不同方法收集番茄叶挥发性物质的GC/MS指纹图谱比较[J].西北植物学报，2005，25（9）：1868-1872.

[32] 徐伟玲，赵云荣，王文领.吸附热脱附-气质联用技术分析烟丝中挥发及半挥发性成分[J].化学研究，2006，17（1）：92-94.

[33] 杨兰萍，郭友嘉，戴  亮，等.用吸附一热脱捕集进样法研究茉莉花香释放过程中化学成分[J].色谱，1994，12（2）：110-113.

[34] 刘贵友，邹  瑶，顾杨霞，等.内生真菌对连作花生土壤尖孢镰刀菌的拮抗作用[J].江苏农业科学，2016，44（12）：171-174.

[35] 王  静，曹建敏，陈德鑫，等.短小芽孢杆菌AR03挥发性有机物的抑菌活性及其组分分析[J].中国农业科学，2018，51（10）：1908-1919.

[36] KUMAR S，KAUSHIK N. Metabolites of endophytic fungi as novel source of biofungicide：a review[J].Phytochemistry Reviews，2012，11（4）：507-522.