综述：芽孢杆菌及其衍生物在作物保护中的应用与未来挑战

《Discover Plants》：Applications and future challenges of Bacillus and its derivatives in crop protection

　　摘要：许多害虫和疾病影响着农业和商业作物，导致潜在的产量损失。研究表明，微生物生物控制剂，如芽孢杆菌属（Bacillus）物种，是合成农药的有效替代品，有助于实现可持续的害虫和疾病管理。从经济和生态角度来看，芽孢杆菌属物种都发挥着至关重要的作用，因此研究和开发工作应集中在识别最有价值的物种上，并开发创新技术以探索其潜力。用于控制粮食作物各种疾病的主要物种包括枯草芽孢杆菌（B. subtilis）、解淀粉芽孢杆菌（B. amyloliquefaciens）、苏云金芽孢杆菌（B. thuringiensis）和类芽孢杆菌（B. paramycoides），其中苏云金芽孢杆菌主要用于管理昆虫害虫种群。这些芽孢杆菌物种除了具有控制疾病和害虫的能力外，还具备促进植物生长的作用，因为大多数研究发现它们能够提高作物产量。此外，这些物种产生的几种表面活性剂也被用于控制害虫和疾病。芽孢杆菌物种通过多种机制抑制病原体的生长，包括抗菌作用、酶的产生、铁载体（siderophore）的生成以及系统诱导的抗病性（systemically induced disease resistance）。当芽孢杆菌物种与植物、病原体或环境相互作用时，会表现出有益的特性。为了优化其在实际应用中的效果，深入理解不同菌株如何促进害虫和病原体的控制以及植物生长非常重要。此外，确定影响其效果的关键因素将有助于提高其实际应用效果。本文旨在回顾芽孢杆菌物种在控制作物疾病和害虫以及促进植物生长方面的潜在效果，为研究人员提供有关使用不同芽孢杆菌物种管理各种作物害虫和病原体的信息。

1 引言
作物受到多种植物病原体的影响，这显著降低了作物的质量和产量[1]。据估计，在发展中国家，每年56.5%的产量损失是由疾病、昆虫和杂草共同造成的[2]。有多种害虫管理方法可供选择，包括农业措施、物理方法、生物方法、生物技术方法、农药使用以及其他管理策略[3]。然而，由于病原体产生了抗药性，并且能够在农药无法到达的土壤深处存活，合成农药并不真正有效[4]。此外，无节制地使用化学农药会对环境造成严重破坏，并扰乱生态系统，从而降低农业的可持续性[5]。如今，研究人员正专注于寻找环保的替代品来管理害虫和疾病，并通过综合植物疾病管理（IPDM）实现可持续的作物生产[3]。在所有IPDM工具中，生物控制被认为是一种有潜力且可持续的方法。“生物控制”这一术语是由加州大学的Hary Smith提出的[3, 6]。他将其定义为通过天敌或引入的天敌的作用来抑制昆虫种群[6]。早期最广泛引用和接受的定义是由Baker和Cook提出的：“通过一种或多种生物体，自然地或通过操纵环境、宿主或拮抗剂，或者通过大量引入一种或多种生物体，减少病原体/寄生虫的接种密度/致病活性[7]”。生物控制也被定义为利用有益微生物将植物病原体和/或昆虫害虫的数量降低到经济阈值水平（ETL）以下，以最小化作物产量损失[8]。生物控制害虫和疾病的主要步骤是选择潜在的生物制剂，了解其作用机制，并开发有效的制剂[9]。
微生物在塑造土壤系统健康和植物发育方面也起着重要作用[10]。在微生物生物控制剂（MBCAs）中，芽孢杆菌属属于厚壁菌门（Firmicutes），是一类革兰氏阳性、杆状、能形成内孢子、过氧化氢酶阳性的细菌，含有多种抗菌化合物[11, 12]。芽孢杆菌物种非常普遍，存在于多种生态位中，包括空气、表面、土壤、水、植物根际以及动物胃肠道中[13, 14]。根据最新版的《Bergey系统细菌学手册》，已经鉴定出142种芽孢杆菌物种，而且这一数字仍在增加[15]。它们表现出抗菌、杀虫和促进生长的作用，并且能够缓解非生物胁迫[16, 17]。据报道，芽孢杆菌属抑制植物病原体生长的机制包括竞争、铁载体产生、抗生素生成、水解酶以及系统获得性抗性（SAR）和诱导的系统抗性（ISR）的激活[18]。
近年来，芽孢杆菌物种及其相关的脂肽（表面活性剂）被探索其在农业、生物技术和工业中的应用（图1）。芽孢杆菌物种被用作生物刺激剂或生物肥料，通过作为磷酸盐/钾的溶解剂和固氮剂来促进植物从环境中吸收养分[19]。此外，还有文献记载它们参与了植物激素的生物合成和生产[16, 20]。多项研究记录了芽孢杆菌物种对多种作物（如豆类、谷物、香料、蔬菜、油料作物等）的生长和产量的有益影响[19, 21, 22, 23]。然而，关于芽孢杆菌在提高蔬菜和田间作物产量方面的作用的数据很少，因为体内和体外试验的结果存在差异[18]。还观察到，当通过植物接种将MBCAs重新引入土壤时，只有1%到2%的根际细菌对植物生长有积极作用[18]。尽管芽孢杆菌属在多种作物系统中具有有益效果，但仍有一些因素需要研究，这些因素会影响不同物种/菌株在作物中的生长促进和抗菌活性，并明确选择最佳菌株的特征和方法。

图1
这张图片的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图片显示了芽孢杆菌及其相关脂肽（表面活性剂）在农业、生物技术和工业中的应用。图片还展示了关于芽孢杆菌物种及其相关表面活性剂的生物合成和组学研究。

尽管有许多关于芽孢杆菌物种的综述，但大多数内容仅限于其益生菌功能或针对特定疾病或在特定作物系统中的效果[16, 18, 24]。因此，本综述重点关注芽孢杆菌属及其衍生的表面活性剂在促进植物生长（PGP）、管理植物疾病和昆虫病原体效应方面的不同机制，并强调了新的宿主-植物相互作用方法以及各种芽孢杆菌物种在作物健康管理中的效率，同时指出了未来研究的潜在领域。

2 芽孢杆菌属：一般特征和潜在应用
芽孢杆菌属最初由Ferdinand Cohn及其同事在1872年鉴定，包含超过两百个已知的物种和亚种[25]。它被归类为厚壁菌门（Firmicutes）。根据显微形态和扫描电子显微镜特征，芽孢杆菌是杆状（图2）、革兰氏阳性、过氧化氢酶阳性且为需氧或兼性厌氧细菌[26]。芽孢杆菌物种能够抵抗恶劣的环境条件，由于它们广泛的生理能力和形成内孢子的能力而广泛存在[27]。芽孢杆菌是土壤和根际中占主导地位的属，占革兰氏阳性细菌种群的95%[28]。此外，芽孢杆菌物种在内生细菌群落中也很常见[18]。先前的研究表明，芽孢杆菌既可以是致病细菌，也可以是非致病性的有益生物[18]。对芽孢杆菌属的全面研究表明，其大多数物种及其副产品可以被认为是安全的，适用于特定的环境应用[29]。因此，由于它们在各种环境中的快速生长能力、释放生物活性化合物的能力以及形成内孢子的能力（这些内孢子是非常耐受的结构），芽孢杆菌物种在商业化方面越来越受欢迎[30]。它们可以方便地制成制剂并保存，确保其长期的有效性。芽孢杆菌物种可以在植物根际区和土壤中存活，而不会对其他有益微生物产生不利影响[30]。有益的芽孢杆菌菌株包括枯草芽孢杆菌（B. subtilis）、B. safensis、B. pumilus、B. amyloliquefaciens、B. megaterium、B. thuringiensis、B. licheniformis、B. cereus和B. velezensis[24, 31]。

图2
这张图片的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图片显示了在扫描电子显微镜研究下枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的杆状形态（改编自Ito和Akiyama [32]）。

3 芽孢杆菌物种在植物疾病控制中的应用
芽孢杆菌物种因其产生的生物活性化合物而普遍存在，使其成为农业中有效的微生物生物控制剂。因此，芽孢杆菌属可以作为农用化学品（如合成杀菌剂）的替代品，以促进整体植物生长并作为对抗植物疾病的拮抗微生物剂（表1）[29]。更具体地说，它们通过产生抗生素、水解酶、挥发性有机化合物（VOCs）、诱导ISR以及竞争生态位和养分等方式抑制植物病原体的生长，从而直接或间接影响疾病动态[57]。芽孢杆菌物种通过利用植物根或叶部的养分在植物表面和土壤中定殖。芽孢杆菌物种的多方面作用不仅抑制了疾病的发展，还促进了植物生长，展示了它们在生物控制和促进植物健康方面的双重作用（图3）。表1总结了各种芽孢杆菌物种在植物疾病/病原体管理中的作用。几种菌株表现出多种有益机制，强调了它们在农业应用中的多功能性和有效性。这里总结了芽孢杆菌物种对多种植物病原体的潜在作用模式。

表1 用于生物控制各种植物病原体的芽孢杆菌物种的非详尽列表

图3
这张图片的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图片展示了芽孢杆菌物种的拮抗作用和促进植物生长的作用。有益微生物在根部的定殖会触发多种与生长相关的抗真菌特性的诱导，从而抑制根病原体的发展，提高根腐病抵抗力并改善植物生长。

3.1 对养分和定殖的竞争
在自然生态系统中，对养分等基本资源的激烈竞争很常见。这种由争夺资源控制的生物体驱动的竞争促进了生物控制过程。与根部相关的微生物在根部表面竞争有利位置，这种现象被认为是由于养分竞争，特别是对碳的竞争[58]。细菌群落的竞争能力很大程度上取决于其在根际中养分吸收和代谢的效率，因为根际中的底物有限。此外，土壤微生物还会竞争铜、铁、锌和锰。当生物可利用的铁稀缺时，竞争尤为激烈，尽管铁对植物生长和发展非常重要[59]。包括MBCAs在内的微生物会产生低分子量的铁载体，具有螯合铁的能力。这些铁载体能够在铁限制条件下溶解并吸收三价铁离子，从而导致土壤中铁缺乏，进而抑制其他土壤细菌的生长[60]。芽孢杆菌属（Bacillus spp.）对植物疾病的抑制主要源于其竞争性定殖和抗菌物质的释放。研究表明，包括芽孢杆菌在内的有益微生物定殖在植物根系或叶片上，能够显著增强对土传病原体的生物防治效果[61]。芽孢杆菌为合成农药提供了一种可持续的替代方案，其已被证实具有对抗植物病原体的生物控制效果。例如，B. amyloliquefaciens FZB42对番茄中的Fusarium oxysporum表现出显著的拮抗作用，减少了病害严重程度并促进了植物健康生长[62]。B. subtilis QST 713能有效保护豌豆等作物免受Fusarium spp.和Ralstonia solanacearum的侵害，提高了植物的抗性和产量[63]。此外，还有研究表明B. licheniformis SB3086和B. pumilus GB34在小麦和玉米中也能有效防止Fusarium spp.及其他病原真菌的感染[64]。趋化性是指细菌对其环境中化学梯度的直接响应[65]，这一特性对于细菌的定殖至关重要。植物根系会释放多种有机分子，如糖类、氨基酸、核苷酸、多胺、脂肪酸、甾醇、酚类、有机酸和植物生长调节剂等（作为根际分泌物）[66]。这些化合物对于芽孢杆菌有效竞争养分和栖息地至关重要，最终有助于保护植物免受植物病原体的侵害。遗传和环境因素共同调节这些引诱剂和抗菌物质的数量和成分。存在于香蕉根际的B. subtilis N11对香蕉根系释放的分泌物表现出明显的趋化性，从而促进其定殖并抑制病原体[67]。此外，B. cereus YL6对苹果酸、草酸、柠檬酸和琥珀酸具有趋化性，这增强了其定殖植物根系和抑制病原体的能力[68]。不同菌株的芽孢杆菌在植物表面表现出不同的定殖模式，并占据不同的位置。它们通过形成簇（通常称为微菌落）来定殖根系和叶片。形成类似纤维的丝状结构是初期附着过程的一个组成部分[67]。研究发现，芽孢杆菌能产生类似纤维的丝状物，在对抗植物疾病的微生物生物控制中起关键作用。例如，B. subtilis N11常出现在香蕉根系周围；该菌对香蕉根系释放的化学物质有明显的趋化反应。将B. subtilis B246施用于牛油果花后，2小时内即可观察到类似纤维的丝状物，这证明了B. subtilis B246能够有效附着在牛油果花柱区域[69]。另一种菌株B. cereus YL6对卷心菜根系具有趋化性，并能抑制卷心菜的多种组织（如皮层细胞和维管束）。B. cereus YL6在卷心菜中的定殖是一个渐进过程，涉及细菌从根表面向内部组织，再向茎和叶部的迁移[35]。细菌主要栖息在根伸长区和分化区、侧根以及根交汇处。芽孢杆菌对土传疾病的有效防护依赖于其在根系内的定殖和持续存在，这很大程度上得益于生物膜的形成[70]。表面活性蛋白在生物膜发育和根系定殖过程中起关键作用[70]。细菌可以聚集形成类似生物膜的微菌落[71]。某些细菌可能占据细胞间隙和维管束周围的区域。B. velezensis SQR9常栖息在主根的外层，即根系特化和生长区域以及侧根与主根连接处[72]。此外，植物来源的多糖也作为细胞外基质合成的碳源，促进生物膜的形成及其在根系中的定殖。B. subtilis通过一组名为gan operon（ganSPQAB）的五个基因利用植物来源的半乳聚糖（galactan）促进植物根系的发育[73]。当半乳聚糖分解时产生的β-1,4-半乳糖苷键会解除对该操纵子的抑制。这一过程受到复杂的调控机制的影响，包括正反馈和负反馈。半乳聚糖促进了根相关多细胞群落（即生物膜）的发展。细菌利用植物多糖作为碳源生成细胞外聚合物基质，这对生物膜的形成至关重要。这种基质在分子层面起到粘合作用，有助于细菌细胞与其他细胞及表面的附着。Luo（2015）的研究表明，B. subtilis 916在稻鞘枯萎病引起的病斑上形成了强烈的生物膜，并有效定殖了受R. solani感染的稻鞘[74]。此外，研究发现bacillomycin和表面活性蛋白在B. subtilis 916对抗R. solani的过程中具有不同的但互补的功能，这些功能通过生物膜形成和定殖实现[75]。芽孢杆菌定殖后，会触发直接和间接过程，包括胞外多糖（EPS）的合成、生物膜的形成以及溶菌酶的生成，从而有效附着于植物表面并促进植物发育，提供对病原体的防御[75]。

3.2 抗生素
在农业中应用芽孢杆菌衍生物制剂是一种减少对合成化学物质依赖的可行策略，有助于实现环保和可持续的疾病管理方法。芽孢杆菌能产生多种类别的抗生素，包括肽类抗生素、脂肽、聚酮类化合物、萜类化合物和异香豆素[76]。它们是肽类抗生素的丰富生产者，这类抗生素有多种形式，如碱性肽、氨基糖苷类抗生素以及环状或线性寡肽[77]。这些肽通常具有较低的分子量，呈疏水性或环状结构，可能含有D-氨基酸等成分，从而增强对植物感染的抗菌效果。

3.3 肽类抗生素
肽类抗生素是由细菌合成的复杂抗菌剂，对于抑制多种病原体（包括细菌、真菌和病毒）的增殖至关重要。抗生素可以根据其生物合成途径和结构特征进行分类。核糖体合成并在翻译后修饰的肽（RiPPs）是由特定基因编码的肽，在翻译后经过修饰以获得生物活性[78]。这些修饰可能包括添加不寻常的氨基酸、环化或形成二硫键。这些直接由基因编码的肽在翻译后经过修饰才能发挥作用。例如，如lantibiotics、bacilysin和subtilosin等细菌素，对多种植物病原体具有破坏性作用。Lantibiotics是一类含有特殊氨基酸（如lanthionine）的细菌素。由B. amyloliquefaciens和B. subtilis合成的bacilysin对多种植物疾病具有抗菌作用，因此在农业上具有应用价值。另一种来自B. subtilis的肽类抗生素subtilosin对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均具有强大的抗菌作用[79]。

3.4 非肽类抗生素
除了肽类抗生素外，芽孢杆菌还产生多种结构多样、作用机制各异的非肽类抗生素（NRPs），包括聚酮类化合物、萜类化合物、异香豆素和其他代谢产物[80]。非核糖体肽（NRPs）由多酶复合体（non-ribosomal peptide synthetases，NRPSs）产生。这些肽通常含有氨基酸，可以形成环状或线性结构[81]。它们具有脂质尾部与肽部分的连接，赋予其独特的表面活性和抗菌能力。著名的NRPs包括iturin、fengycin和表面活性蛋白。Iturin是一种含有β-氨基脂肪酸链的环状七肽，通过破坏真菌细胞膜发挥强效抗真菌作用[81]。它们是有效的生物农药，能保护植物免受真菌病原体的侵害。B. subtilis和B. amyloliquefaciens能产生iturin。含有β-氨基脂肪酸链的环状七肽具有强效抗真菌作用，可作为优秀的植物保护剂。Fengycins的溶血活性低于iturin和表面活性蛋白，但仍具有显著的抗真菌效果，尤其对丝状真菌有效，通过破坏其细胞膜发挥作用。B. subtilis和B. velezensis能产生fengycin。表面活性蛋白是具有优异表面活性的环状脂肽，能破坏微生物细胞膜，具有抗菌、抗病毒和抗支原体作用。B. subtilis和B. licheniformis是表面活性蛋白的主要生产者[81]。聚酮类化合物包括bacillaene、difficidin、oxidifficidin和macrolactins等。聚酮类化合物对细菌具有显著抗菌效果，有时也具有抗真菌作用。Difficidin对多重耐药菌株具有广泛的抗菌效果，通过抑制细菌病原体的蛋白质和核酸合成来阻碍其生长和繁殖[82]。B. subtilis和B. amyloliquefaciens是这些化合物的生产者。这些化合物对多种微生物具有显著抗菌效果，有时也具有抗真菌作用。萜类化合物和异香豆素是五环萜类化合物，能保护芽孢杆菌孢子免受氧化应激。其他化合物如3,3′-neotrehalosadiamine、bacisubin和bacilysocin也具有不同程度的抗菌或抗真菌效果。B. subtilis和B. pumilus能合成这些化合物。芽孢杆菌抗生素不仅能直接限制病原体的增殖，还能刺激植物的系统抗性，从而增强植物对多种感染的防御能力，这涉及细胞壁成分的改变、致病相关蛋白（PRPs）的合成以及与抗性相关的植保素的产生[83]。芽孢杆菌已被有效用于管理细菌性和真菌性疾病。B. subtilis QST713（Serenade）产生的抗生素组合能够抑制多种病原体，如番茄中的Botrytis cinerea和Xanthomonas campestris pv. vesicatoria[83]。同样，在黄瓜中，B. amyloliquefaciens FZB42能够控制由iturin和fengycin抑制的Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum的生长（后者会破坏其细胞膜）。在水稻中，B. pumilus INR7对引起稻瘟病的Magnaporthe oryzae具有抗菌作用（见表1）。该菌株产生的bacilysin和fengycin能抑制病原体生长并增强植物抗性[84]。最近的研究扩展了我们对芽孢杆菌抗生素产生涉及的遗传和生化途径的理解。基因组测序和功能基因组学已鉴定出负责这些抗生素生物合成的基因簇。多种芽孢杆菌物种（如B. velezensis [20]、B. subtilis [85]、B. thuringiensis [86]、B. amyloliquefaciens [87]和B. paramycoides [88]的完整基因组序列已收录于GenBank数据库中。B. velezensis FZB42的完整基因组序列显示存在产生多种抗生素（如bacillomycin、fengycin和表面活性蛋白）的基因簇[89]。生物技术方法的进步也促进了芽孢杆菌抗生素产量的提高，这对开发更有效的微生物生物控制剂具有重要意义。

3.5 水解酶
由于芽孢杆菌具有产生多种水解酶的潜力，这些酶能够降解植物病原体的细胞壁，因此它们受到了广泛关注。芽孢杆菌产生的水解酶包括几丁质酶、葡聚糖酶、蛋白酶和纤维素酶[18]。其中，几丁质酶尤为重要，因为它能降解几丁质中的β-1,4-糖苷键，而几丁质是真菌细胞壁中的重要多糖[90]。细菌通常合成几丁质酶以获取能量，因此细菌几丁质酶有助于控制由植物病原真菌引起的疾病[91, 92]。研究表明，B. subtilis具有显著的几丁质酶产生能力，能够抑制土壤中常见的真菌病原体F. oxysporum[92]。Harvianti和Kasiamdari从土壤样本中提取了产几丁质酶的B. cereus，并证明了其对引起稻鞘枯萎病的R. solani的抑制效果[93]。几丁质酶（也称为GHs，即糖苷水解酶）能降解几丁质中的β-1,4-糖苷键[90]。几丁质酶还对碳和氮的循环利用至关重要[94]。产生几丁质酶的芽孢杆菌可作为生物防治剂（BCAs）来抑制植物病原体，因为几丁质是真菌细胞壁的组成部分[95]。葡聚糖酶选择性作用于真菌细胞壁中的葡聚糖，导致细胞降解和真菌死亡。Kashyap等人[96]强调了B. amyloliquefaciens[96]产生的β-1,3-葡聚糖酶的作用。这种酶在减轻大麦中由Blumeria graminis引起的粉霉病的严重程度方面发挥了关键作用。Ribeiro等人[97]证明，产生葡聚糖酶的B. subtilis菌株对Sclerotinia sclerotiorum（一种危害多种作物的坏死性真菌）具有有效性[97]。葡聚糖酶是一类糖苷水解酶（GHs），能够水解α-和β-1,3-葡聚糖中的糖苷键。α-1,3-葡聚糖在某些真菌中通过促进营养生长起着重要作用[98]，而β-1,3-葡聚糖则是仅次于几丁质的真菌细胞壁的主要成分[99]。这些葡聚糖在真菌细胞壁中的重要性在于提供结构支持；此外，它们还可以作为营养来源。如前所述，芽孢杆菌属（Bacillus spp.）是α-和β-1,3-葡聚糖酶的丰富生产者。另一方面，蛋白酶可以分解对病原体结构和功能至关重要的多种蛋白质，从而削弱病原体的防御能力。Iftikhar等人[100]发现，B. thuringiensis产生的蛋白酶对引起幼苗猝倒病的Pythium ultimum具有极强的抑制作用[100]。Mishra等人[101]指出，产生蛋白酶的B. pumilus菌株显著抑制了导致马铃薯晚疫病的Phytophthora infestans的繁殖[101]。多种水解酶的共同作用增强了芽孢杆菌属的生物防治效果。Wang等人[102]记录了一种同时产生几丁质酶和葡聚糖酶的B. subtilis菌株对引起葡萄灰霉病的B. cinerea具有更强的生物防治活性[102]。Dong等人[103]报告说，产生几丁质酶、葡聚糖酶和蛋白酶的B. velezensis有效控制了导致多种作物萎蔫的Verticillium dahliae[103]。遗传学和分子工具的最新进展为了解芽孢杆菌属中水解酶的调控和表达提供了新的见解[104]。利用CRISPR-Cas9技术提高了B. subtilis中几丁质酶的产量，从而增强了对引起番茄早疫病的Alternaria solani的生物防治效果[104]。Song等人[74]通过转录组分析确定了B. amyloliquefaciens中产生水解酶的关键调控基因，为通过基因改造提高生物防治效果奠定了基础[74]。这些酶的存在可能提高芽孢杆菌属对多种植物病原体的抵抗力。

3.6 诱导的系统抗性（ISR）
芽孢杆菌属还可以在植物中诱导系统抗性，为植物病害的管理提供了一种可持续的方法。其机制包括抗生素的产生、植物防御途径的激活以及有效的根际定殖。来自不同作物的多种实例突显了基于芽孢杆菌的微生物杀菌剂（MBCAs）在农业中的潜力[83]。系统抗性是一种重要的生物学机制，使植物能够增强对多种病原体的防御能力。芽孢杆菌属通过产生抗生素化合物（如fengycin、bacillomycin和iturin）来诱导系统抗性，这些化合物可以直接抑制病原体。例如，B. subtilis产生的脂肽可以抑制病原体并通过刺激防御相关途径来触发系统抗性[105]。此外，芽孢杆菌属还可以通过激活植物激素（如茉莉酸和乙烯）来激发植物防御途径，这两种激素在系统抗性中起着关键作用。B. amyloliquefaciens FZB42通过激活这些信号途径，在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中诱导系统抗性，从而增强了对假单胞菌（Pseudomonas syringae）的抵抗力[106]。芽孢杆菌属的有效根际定殖以及随后的生物膜形成也对维持系统抗性至关重要。B. velezensis在植物根上形成坚固的生物膜，可能通过系统抗性增强植物抵抗土壤传播病原体的能力[107]。已有研究表明，B. subtilis能够诱导番茄中对F. oxysporum真菌病的系统抗性。使用B. subtilis菌株GB03可以增强防御相关基因的活性，并提高抗真菌化学物质的合成，显著降低病害的发生率[108]。同样，在黄瓜中，B. amyloliquefaciens SQR9能够诱导对Pseudomonas syringae pv. lachrymans的系统抗性。它促进了活性氧（ROS）的积累，并提高了与防御相关的酶活性（包括过氧化物酶和多酚氧化酶），从而增强植物抵抗力。B. pumilus INR7在水稻中诱导系统抗性，提供对稻瘟病菌（M. oryzae）的保护。这种系统抗性的激活与防御基因的过表达和PRPs的积累有关[84]。最近的转录组分析表明，B. cereus AR156通过调节多种防御相关基因的表达，为拟南芥的增强防御能力做好了准备[109]。这些酶的存在可能提高芽孢杆菌属对多种植物病原体的抵抗力。

3.6 诱导的系统抗性（ISR）
芽孢杆菌属还可以在植物中诱导系统抗性，为植物病害的管理提供了一种可持续的方法。其机制包括抗生素的产生、植物防御途径的激活以及有效的根际定殖。来自不同作物的多种实例突显了基于芽孢杆菌的微生物杀菌剂（MBCAs）在农业中的潜力[83]。系统抗性是一种重要的生物学机制，使植物能够增强对多种病原体的防御能力。芽孢杆菌属通过产生抗生素化合物（如fengycin、bacillomycin和iturin）来诱导系统抗性，这些化合物可以直接抑制病原体。例如，B. subtilis产生的脂肽可以抑制病原体并通过刺激防御相关途径来触发系统抗性[105]。此外，芽孢杆菌属还可以通过激活植物激素（如茉莉酸和乙烯）来激发植物防御途径，这两种激素在系统抗性中起着关键作用。B. amyloliquefaciens FZB42通过激活这些信号途径，在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中诱导系统抗性，从而增强了对假单胞菌（Pseudomonas syringae）的抵抗力[106]。芽孢杆菌属的有效根际定殖以及随后的生物膜形成也对维持系统抗性至关重要。B. velezensis在植物根上形成坚固的生物膜，可能通过系统抗性增强植物抵抗土壤传播病原体的能力[107]。已有研究表明，B. subtilis能够诱导番茄中对F. oxysporum真菌病的系统抗性。使用B. subtilis菌株GB03可以增强防御相关基因的活性，并提高抗真菌化学物质的合成，显著降低病害的发生率[108]。同样，在黄瓜中，B. amyloliquefaciens SQR9能够诱导对Pseudomonas syringae pv. lachrymans的系统抗性。它促进了活性氧（ROS）的积累，并提高了与防御相关的酶活性（包括过氧化物酶和多酚氧化酶），从而增强植物抵抗力。B. pumilus INR7在水稻中诱导系统抗性，提供对稻瘟病菌（M. oryzae）的保护。这种系统抗性的激活与防御基因的过表达和PRPs的积累有关[84]。最近的转录组分析表明，B. cereus AR156通过调节多种防御相关基因的表达，为拟南芥的增强防御能力做好了准备[109]。此外，微生物挥发性有机化合物（VOCs）在系统抗性中的重要性日益受到关注，但在这个领域的研究还很少。一项研究表明，芽孢杆菌产生的挥发性化合物（包括乙醛和2,3-丁二醇）可以激活植物的系统抗性，从而通过系统信号传导增强植物的抗病原体能力[110]。

4 芽孢杆菌属：生物杀虫剂的潜在来源
许多研究已经使用芽孢杆菌属来对抗昆虫害虫，但迄今为止只有少数几种取得了成功（表2）。例如，Bacillus thuringiensis（Bt）是一种属于芽孢杆菌属的需氧细菌，以其杀虫能力而闻名。对Bt的研究主要集中在它的杀虫效果上。许多研究表明，由于根际和内生Bt菌株的存在，植物不仅能够生长，还能增强对病害和害虫的抵抗力[123]。Bacillus thuringiensis主要产生两类毒素，即cyt蛋白和cry蛋白[124]，这些毒素也被称为δ-内毒素。毒素通常在细菌的静止生长期产生，与孢子形成同时发生，并在目标昆虫的消化道中被蛋白酶触发。除了cry蛋白和cyt蛋白外，Bacillus thuringiensis还在其营养生长期合成寄生孢素以及营养性和分泌性杀虫蛋白[125]。来自Bt菌株EG2158的Sip蛋白对鞘翅目昆虫幼虫具有高效杀虫作用[126]。Bacillus thuringiensis产生的主要毒素由cry基因编码，这些基因产生的肠道cry蛋白毒素具有广泛的杀虫效果。目前已发现超过800个cry基因，分为75个家族，40个cyt基因分为3个家族，146个营养性杀虫蛋白基因分为4个家族[127]。

表2 用于对抗昆虫害虫的各种芽孢杆菌属的列表
Bacillus thuringiensis通过产生晶体蛋白（δ-内毒素）和其他在细菌生长和孢子形成阶段产生的毒素来发挥其毒性[128]。这些毒素对哺乳动物具有高度选择性，因为毒性测试表明，摄入这些毒素（δ-内毒素）不会导致溶解，并且在摄入后迅速被降解，因为人类和动物没有识别这些毒素所需的受体。当通过实验室动物口服给药时，未检测到毒性。此外，在接触Bacillus thuringiensis cry蛋白的大鼠中，未观察到感染或皮肤损伤的迹象[129]。相比之下，摄入cry蛋白的昆虫会经历紊乱并最终死亡。据信，Bt毒素通过识别昆虫中肠上皮细胞表面的目标受体或分子来发挥作用。昆虫幼虫通过消化酶激活cry蛋白，导致肠道细胞膜中产生毒素，从而引起肠道麻痹并最终导致幼虫死亡[128]。Cry蛋白特别针对多种威胁粮食作物的昆虫物种，尤其是鳞翅目（Lepidoptera）、鞘翅目（Coleoptera）和双翅目（Diptera）昆虫。此外，也有研究表明cry蛋白对膜翅目（蜜蜂和黄蜂）和线虫具有毒性[129]。
将Bacillus thuringiensis作为生物杀虫剂的应用已经显示出与合成杀虫剂相当的效果，因此它已成为强调无化学农药方法的IPM（综合害虫管理）策略的基本组成部分[130]。Bacillus thuringiensis（Bt）被广泛用作微生物杀菌剂（MBCA）来对抗重要的森林和农业害虫。Bt的杀虫特性归因于其分泌的δ-内毒素，即cry蛋白[126]。各种商业化的Bt制剂含有cry蛋白和干燥孢子的组合，已被批准用于有机农业，并且是IPM实践的重要组成部分[131]。例如XenTariR就是从Bacillus thuringiensis亚种aizawai ABTS-1857孢子（BTa ABTS-1857）中提取的，常用于控制多种作物上的毛虫侵害[131]。在李等人[132]的一项研究中，评估了Cry1Ac和Cry3Aa对豌豆蚜虫（Acyrthosiphon pisum (Harris)）的毒性效应，发现Cry1Ac被蚜虫的胃膜相关半胱氨酸蛋白酶（CP）完全消化，而Cry3Aa则部分被破坏[132]。因此，Cry1Ac能够与蚜虫的肠道上皮结合；这项研究表明其对蚜虫的毒性很小。
印度的研究机构IARI、NBAIR和IIHR对针对鳞翅目害虫的本土Bacillus thuringiensis菌株进行了基因分析和实验室及田间生物测定[133]。NBAIR已经开始使用本地Bacillus thuringiensis亚种kurstaki（Btk）菌株PDBCBT1和NBAIIBTG4进行液体发酵技术研究，这些菌株已获得生产和销售许可[133]。大量出版物证明了Btk制剂在印度条件下对卷叶虫、棉铃虫和鳞翅目害虫的有效性。液体Btk制剂被用于控制安得拉邦[134]、旁遮普邦[135]和特伦甘纳邦[136]的豌豆夜蛾（H. armigera）等害虫。在泰米尔纳德邦[137, 138]，各种商业化的制剂（如Delfin、Dipel、Biobit和Halt）有效控制了甘蔗上的茎蛀虫（Chilo infuscatellus）的数量。在印度安得拉邦，研究人员评估了Btk对柑橘害虫（Phyllocnistis citrella）的有效性，发现连续10天的应用后，柑橘叶矿虫的死亡率达到了100%[139]。此外，在卡纳塔克邦进行的田间试验表明，Delfin以1公斤/公顷的剂量使用时，可以减少柑橘蝴蝶幼虫（Papilio demoleus）的数量达90%[138, 140]。在甘蔗上，Bioasp（1公斤/公顷）可以将钻石背蛾（Plutella xylostella）造成的叶片损伤减少80%[142]。Subbanna等人[143]在北阿坎德邦喜马拉雅山区发现了45种Bt菌株，其中4种菌株在实验室条件下显示出对P. brassicae、H. armigera、S. litura和P. xylostella的显著杀虫效果，表明它们具有商业化潜力[143]。
除了农业应用外，Bacillus thuringiensis还被成功用于控制由双翅目昆虫传播的人类疾病。研究表明，Bacillus israelensis对多种媒介昆虫（如按蚊、登革热媒介Aedes和Haemogogus、基孔肯雅热媒介Aedes、黄热病媒介Aedes和寨卡病毒媒介Aedes）有效[144]。Bacillus israelensis的孢子和cry蛋白在弱阳光条件下也能有效毒杀双翅目昆虫的幼虫[145]。因此，Bacillus israelensis被认为是管理这些疾病媒介昆虫的环保选择。然而，俄罗斯生产的商业Bt制剂Bactoculicide以5公斤/公顷的剂量使用时，在工业垃圾堆中的蚊子（Aedes albopictus和A. aegypti）幼虫数量减少了90%，在排水沟中则减少了约2周[145, 146]。Bacillus thuringiensis在人类流行病学中的另一个重要应用是其遗传能力，可用于控制蜗牛（如Milax gagates），这些蜗牛是寄生蠕虫（如Angiostrongglus costaricensis、Angiostoma margaretae和Cryptosporidium parvum）的媒介。此外，Bt还对某些双翅目昆虫（如蚊子和苍蝇）和线虫（如Schistosoma mansoni）有效[144, 147]。这些菌株可以在相关国家用于测试对抗农业害虫。此外，Bt cry蛋白已被成功用于生物控制对兽医医学重要的线虫[148]。例如，某些Bt菌株对某些牛消化道线虫（如Haemonchus、Teladorsagia、Nippostrongylus和Ancylostoma）具有杀虫效果。某些Bt品种还对植物病原线虫（如Meloidogyne hapla）有效，这些线虫会造成严重的农业损失[149]。总之，Bacillus thuringiensis是一种具有多种杀虫特性的多功能细菌。它能够合成多种毒素，这使得它成为农业中控制昆虫害虫的有效工具。进一步研究这些毒素的作用机制可能会开发出更有效且环保的杀虫剂。此外，该领域的研究表明，Bt（苏云金芽孢杆菌）具有显著效果，它可以毒害并感染导致农作物损失的节肢动物，从而替代化学杀虫剂[144, 150]。此外，表2.5总结了其他几种用于对抗昆虫害虫的芽孢杆菌种类。

芽孢杆菌产生的挥发性有机化合物（VOCs）对植物保护和病原体抑制有重要影响。这些低分子量的小分子可以通过空气和土壤传播，影响微生物生态和植物健康。芽孢杆菌会释放多种VOCs，包括醇类、酮类、酯类和烃类。在这方面，已经对关键化学物质的抗菌特性进行了广泛研究，例如由枯草芽孢杆菌产生的2,3-丁二醇和丙酮，它们能够抑制许多植物病害的传播[110]。这些VOCs通过直接抑制病原体发育或建立植物的系统抗性来发挥作用。它们还能干扰病原体的细胞过程，降低其致病性并阻止其生长。例如，解淀粉芽孢杆菌会释放多种VOCs，有效抑制引起多种作物病害的镰刀菌的发育。除了直接的抗菌作用外，这些VOCs还能增强植物的免疫反应，因为它们能够诱导植物的系统获得性抗性（ISR）。研究还表明，枯草芽孢杆菌GB03释放的VOCs可以刺激拟南芥的ISR，从而增强植物抵抗丁香假单胞菌感染的能力[110]。

在番茄植株中发现的枯草芽孢杆菌会释放2,3-丁二醇和丙酮等VOCs，这些VOCs已被证明可以抑制灰霉菌的生长。这些VOCs不仅能够防止病原体的发展，还能激活植物的防御相关基因。同样，在黄瓜中发现的velezensis RC 218菌株也会释放多种VOCs，这些VOCs可以抑制丁香假单胞菌的发育，从而减轻病害症状[89]。pumilus INR7菌株在水稻中产生的VOCs可以作为对抗稻瘟病菌的防御化学物质。Choudhary等人的研究[84]指出，这些VOCs可以刺激水稻中防御酶和次级代谢产物的合成，从而提高植物抵抗病害的能力。

最近的研究对芽孢杆菌产生的特定VOCs及其作用机制有了更深入的了解。使用气相色谱-质谱（GC–MS）等先进方法，已经能够识别和量化这些挥发性化学物质。Zhou等人[151]利用GC–MS进行了研究，发现了由解淀粉芽孢杆菌产生的30多种不同的VOCs[151]。其中许多VOCs具有强大的抗真菌特性。此外，人们对芽孢杆菌VOCs在根际中的生态功能也越来越感兴趣。VOCs能够抑制病原体的生长并影响微生物群落的组成。据报道，VOCs还能促进有益微生物的生长，同时抑制病原体的生长。多种因素之间的复杂相互作用提高了植物的整体健康状况和抵抗病害的能力[152]。

芽孢杆菌是重要的植物生长促进根际细菌（PGPR），通过多种机制促进植物生长。它们合成植物激素，如生长素、细胞分裂素和赤霉素，通过磷酸盐溶解、固氮作用和铁载体合成来增加养分吸收，并通过ACC脱氨酶活性降低由压力引起的乙烯浓度。这进一步刺激了与植物发育相关的途径。作为微生物生物控制剂，芽孢杆菌可以抑制土壤传播的感染，建立系统抗性，形成保护性生物膜，并提高植物对盐分和干旱等非生物条件的抵抗力。

6. 芽孢杆菌作为植物生长促进剂
芽孢杆菌是重要的植物生长促进根际细菌，通过多种机制促进植物生长。它们合成植物激素，包括生长素、细胞分裂素和赤霉素，通过磷酸盐溶解、固氮作用和铁载体合成来增加养分吸收，并通过ACC脱氨酶活性降低由压力引起的乙烯浓度。这进一步刺激了与植物发育相关的途径。作为微生物生物控制剂，芽孢杆菌可以抑制土壤传播的感染，建立系统抗性，形成保护性生物膜，并提高植物对盐分和干旱等非生物条件的抵抗力。

6.1 养分有效性
有效的养分有效性可以促进植物生长并提高生产力。凭借其多功能性，芽孢杆菌通过利用各种生化机制（如无机矿物质的溶解、有机物质的酶促降解以及氮、磷、钾、锌和铁等必需养分的动员）在提高养分生物有效性方面发挥着重要作用[153]。芽孢杆菌属的成员产生有机酸、磷酸酶和螯合剂，将不可利用的养分形式转化为植物可利用的形式，从而提高土壤肥力[154]。这些生物活性促进了植物生长，提高了对非生物胁迫的抵抗力，并减少了对合成肥料的依赖，从而有助于环保农业的发展。与其他土壤微生物的共生相互作用有助于优化土壤健康。这为操纵和利用芽孢杆菌的分子和生化途径开发环保生物肥料提供了巨大机会。

磷在大多数土壤中通常以不溶性形式存在，因此这种重要的大量元素往往无法被植物吸收。这些细菌产生的有机酸（如葡萄糖酸、乳酸和柠檬酸）可以降低土壤pH值，从而将磷酸根释放到根际。此外，一些菌株（如苏云金芽孢杆菌）分泌磷酸酶，将有机磷化合物水解为植物可利用的形式[155]。这些过程显著促进了根系发育、种子萌发和整体植物生长。此外，溶解和矿化途径的同步决定了不同芽孢杆菌菌株对磷的吸收能力。例如，枯草芽孢杆菌和velezensis芽孢杆菌通过将大气中的氮转化为氨的形式进行生物固氮，植物可以轻松吸收这些氨[156]。一些芽孢杆菌菌株与根际中的固氮微生物协同作用，从而增加氮循环[157,158,159]。这种双重作用有助于减少对化学氮肥的依赖，实现可持续的作物生产力。

虽然钾和锌对酶激活、蛋白质合成和其他许多生理功能至关重要，但它们通常存在于不溶性土壤复合物中。据报道，解淀粉芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌等芽孢杆菌属的成员会释放螯合剂和有机酸，溶解含钾的矿物质（如长石[160]。产生螯合配体以及利用质子挤压和氧化还原系统的活动可以将锌从不溶性复合物中溶解出来，提高其植物的生物有效性[161]。这些活动还提高了养分可用性和代谢效率，以及植物的抗逆性。尽管铁对光合作用和其他代谢功能至关重要，但它通常是限制因素，因为它在土壤中只能以氧化态存在。芽孢杆菌属的成员通过合成铁载体分子（如铁螯合剂）来解决这个问题，使铁离子（Fe?）变得可利用[162]。例如，paramycoides芽孢杆菌和pseudomycoides芽孢杆菌会分解土壤中的有机物质，实现养分在生态系统中的循环利用[163]。它们通过产生细胞外酶（如纤维素酶、脂肪酶和蛋白酶）降解复杂的有机化合物，释放碳、磷和氮等关键养分[163]。这改善了土壤结构，增强了水分保持能力，为植物生长创造了最佳条件。

6.2 植物激素的产生
植物激素是调节植物在各种环境条件下生长和发育的关键信号分子。多种芽孢杆菌通过产生或调节植物激素（如生长素、赤霉素、细胞分裂素、乙烯调节剂和脱落酸（ABA）来促进植物发育[24, 164]。这种能力不仅提高了植物产量，还支持了植物的抗逆性和养分吸收。吲哚-3-乙酸（IAA）是最主要的生长素，在促进根系伸长、细胞分裂和分化方面起着基础性作用。许多芽孢杆菌菌株在植物-细菌相互作用过程中产生IAA作为次级代谢产物。IAA通常通过色氨酸依赖途径合成，植物分泌的色氨酸作为前体。这种相互作用形成了一个正反馈循环，促进了根毛形成、侧根分枝和养分吸收。例如，safensis FN13菌株在油菜中产生的IAA和胞外多糖被观察到可以增加根生物量并改善水分和养分吸收，从而提高整体植物活力[165]。细胞分裂素对细胞分裂、茎部发育、叶绿素合成和延迟叶片衰老至关重要。包括pseudomycoides芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌在内的芽孢杆菌菌株产生细胞分裂素，如玉米素和异戊烯基腺嘌呤，这些物质可以提高光合作用效率和养分动员[166]。这些激素在养分缺乏的土壤中特别有益，因为它们可以促进茎部伸长和生物量生产。研究表明，产生细胞分裂素的芽孢杆菌菌株显著提高了作物（包括水稻、小麦和生菜）的茎部重量和整体植物活力。

赤霉素调节种子萌发、茎部伸长、开花和结果。包括解淀粉芽孢杆菌、licheniformis芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌在内的芽孢杆菌菌株产生赤霉素（如GA3），这些物质可以促进细胞分裂和伸长[24]。应用产生赤霉素的芽孢杆菌菌株与作物（如番茄和生菜）的高度增加、提早开花和更高的果实产量有关[167]。赤霉素还有助于克服种子休眠，即使在非理想条件下也能实现均匀萌发和生长。乙烯常被称为压力激素，影响果实成熟和植物对压力的响应。然而，在压力条件下，乙烯合成的增加会抑制植物生长。包括枯草芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌在内的芽孢杆菌菌株通过产生ACC脱氨酶来缓解这一问题，这种酶可以降解乙烯的前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）[168]。这些细菌可以缓解由压力引起的生长抑制，促进根系伸长，并通过降低乙烯水平来增强植物抗性。这种机制在对抗盐分、干旱和重金属污染等非生物胁迫方面特别有效。

脱落酸（ABA）调控种子萌发、气孔关闭和抗逆性。某些芽孢杆菌菌株（如aryabhattai SRB02和amyloliquefaciens PMB05）产生ABA，可以促进根部和茎部生长，并提高植物对热、盐分和氧化胁迫的抵抗力[169]。芽孢杆菌产生多种植物激素的能力协同作用，优化了养分吸收和根系及茎部的发育[24]。这种全面的激素影响使芽孢杆菌成为可持续农业的有效生物肥料。

7. 芽孢杆菌属：抗菌脂肽“表面活性素”的来源
芽孢杆菌属产生多种抗菌脂肽，包括iturin、表面活性素和fengycin。由于脂肪酸碳链长度的不同和氨基酸组成的变化，这些分子有许多异构形式。它们具有环状结构，含有七到十个氨基酸残基[105]。其中，表面活性素因其抗病毒、抗菌、抗癌和降胆固醇活性而尤为重要[170]。表面活性素、pumilacidin、lychenisin和halobacilin属于表面活性素家族，由七个氨基酸与13到15个碳原子的β-羟基脂肪酸结合而成[171, 172]。这些脂肽有助于群体运动和生物膜的形成，特别是在产生表面活性素的菌株中，因为不产生表面活性素的菌株缺乏这些特性。iturin、表面活性素和fengycin以及kurstakin家族的代表都是公认的具有明确生物控制特性的环状脂肽[173]。Mohammadipour等人[174]发现，表面活性素而不是bacillomycin是对抗作物真菌病原体（如黄曲霉和C. gloeosporioides）的最强代谢产物[174]。

在另一项研究中，枯草芽孢杆菌BS-99由于iturin A和表面活性素表现出对蜡苹果果腐病Pestalotiopsis eugeniae的潜在活性[175]。Souto等人[176]报道，解淀粉芽孢杆菌同时产生表面活性素和iturin类似化合物，这两种物质对大豆立枯病（Rhizoctonia solani）具有拮抗作用[176]。这种拮抗脂肽被鉴定为表面活性素，它引起了菌丝的形态变化[177]。类似地，来自mojavensis菌株的Leu7-表面活性素也被观察到对产霉菌毒素的Fusarium verticillioides具有抗性[178]。另一方面，产生fungin的amyloliquefaciens WH1菌株被发现是对抗病原体的有效抗真菌剂[179]。表面活性素的抗菌活性通过其与革兰氏阴性细菌脂多糖壁的结合得以证明，导致在高浓度下形成孔洞并增加膜通透性[180, 181]。在较低浓度下，表面活性素能够穿透细胞膜并形成混合胶束。此外，在中等浓度下，它还会诱导形成离子传导孔洞，从而导致膜结构破坏[182]。正是这种作用机制似乎触发了激活芽孢杆菌细胞生物膜形成的基因级联反应[183]。在最近的研究中，观察到表面活性素的这种自我触发功能可能依赖于菌株类型。还有报道指出，表面活性素可以独立于脂肪酰链的相位插入细胞膜[184]，然而，较长的脂肪酰链长度增加了其亲油性，从而提高了表面活性素与膜的结合亲和力及其表面活性[185]。表面活性素不仅具有抗菌活性，还作为一种信号分子，通过激活多种防御机制（包括产生与病原体相关的蛋白质和植物激素）来增强植物的免疫力。这种诱导的系统抗性（ISR）提供了对多种病原体的广谱保护，为农业提供了一种可持续且环保的方法，减少了化学农药的需求[83]。基于表面活性素的产品（如生物农药和生物刺激剂）的开发，当整合到综合害虫管理（IPM）策略中时，可以促进更加坚韧和高产的农业系统。表面活性素是一种由某些枯草芽孢杆菌菌株产生的强效环状脂肽，由于其多样的工业应用潜力（从生物修复到制药），引起了极大的兴趣。为了利用其生物活性，理解调控表面活性素生产的机制是关键的第一步。本综述提供了关于表面活性素合成、调控及其在各个领域作用的见解。完全解析负责调节表面活性素生物合成的复杂信号分子和调控蛋白网络，可能有助于未来对这些网络进行操控，以优化其生产和更广泛的工业应用。未来研究的一个重要方向是加深对环境刺激与基因调控之间相互作用的理解，这将促进表面活性素生产的提高及其工业用途的多样化。

7.1 表面活性素的生物合成
表面活性素是一种强效的两亲性环状脂肽生物活性分子，具有抗真菌、抗病毒、抗肿瘤和杀虫特性，同时也可作为生物修复剂。图4总结了枯草芽孢杆菌中表面活性素生产的各个步骤。其结构上包含一个由Glu-Leu-Leu-Val-Asp-Leu-Leu组成的七肽环结构，该结构连接到一个β-羟基脂肪酸链上，通常位于C-13和C-16之间[151]。表面活性素是由一种称为非核糖体肽合成酶（NRPS）而不是核糖体合成的，核糖体通常负责合成典型的环状脂肽。NRPS是多模块的大型酶，由重复的模块组成。每个模块基本上是将一个特定氨基酸掺入肽骨架的部分[186]。每个模块至少包含三个催化结构域：第一个是腺苷酰化结构域（A域），负责选择和激活底物（特定氨基酸）；第二个是肽载蛋白（PCP），也称为T域，通过硫酯键将激活的底物转移到其灵活的4’磷 Pantetheinyl臂上，再传递到C域；第三个是缩合结构域（C域），通过在生长中的肽与下一个氨基酸之间形成肽键来生成酰基-S-PCP中间体，从而使链延伸到下一个模块[187]。A-T模块是起始模块，随后的C-A-T模块是延伸模块。终止模块的硫酯域（TE域）通过水解或肽的大环化释放完整的中间肽，生成环状或支链分子[188]。

图4
该图像的替代文本可能是使用AI生成的。

脂肪酸生物合成在枯草芽孢杆菌的表面活性素生产中起着关键作用，涉及多步骤的合成、修饰和激活过程。乙酰辅酶A通过支链α-酮酸代谢进行延伸循环，产生对膜结构和表面活性素生物合成至关重要的支链脂肪酸（BCFA）。这些脂肪酸被羟基化并修饰成3-羟基脂肪酸前体，然后通过脂肪酰辅酶A连接酶（FACS）的作用转化为辅酶A衍生物[189]。因此，表面活性素的生物合成脂质成分从初级代谢过程中被引入，并转移到表面活性素合成酶复合体中。N端缩合（CS）域启动脂质起始反应，将辅酶A激活的β-羟基脂肪酸连接到C-A-T起始模块的第一个氨基酸上，而不是经典的A-T结构，从而形成脂肽结构[190]。

通过对几种枯草芽孢杆菌（如B. velezensis、B. amyloliquefaciens、B. licheniformis、B. methylotrophicus和B. thuringiensis）的基因组测序[191]，发现了多个编码抗菌化合物（如脂肽和聚酮类）合成酶的生物合成基因簇（BGC）。表面活性素生物合成的基因调控由两个基因操纵子srf和sfp控制。srf操纵子由一个可诱导的操纵子srfA基序编码，该基序包含四个开放阅读框（ORFs），即srfAA、srfAB、srfAC和srfAD，它们共同编码七模块NRPS装配线。其中，srfAA、srfAB和srfAC编码将七个氨基酸整合到表面活性素肽环结构中的调控酶。srfAD是终端ORF，通过编码硫酯酶/酰基转移酶结构域来调控表面活性素生物合成的起始。它还充当修复酶，在NRPS组装过程中修复错误打印的T域[192]。另一方面，sfp基序位于srfA下游10 kb处，编码4’磷 Pantetheinyl转移酶（PPTase），作为NRPS的启动子[193]。表面活性素的合成是一个复杂机制的结果，涉及枯草芽孢杆菌分泌的细胞外信号因子，这些因子管理srfA基因的活性。这些信号因子主要参与细胞分化，并与主要调控因子的激活协调，从而产生具有不同功能的表面活性菌群。

信号级联系统ComQXPA控制着枯草芽孢杆菌的群体感应（QS）。群体感应是细菌根据其种群数量做出决策的通信系统，通过聚集信号因子（如肽）来协调其生物过程，当达到阈值时介导必要的响应[194]。在枯草芽孢杆菌中，关键的信号肽Com X是群体感应的一部分，它是一种调节表面活性素和 competence 细胞产生的信息素[195]。当细胞释放Com X时，它被附着在膜上的激酶Com P检测到，并使ComA磷酸化[196]。ComA的磷酸化还受到天冬氨酸磷酸酶（Rap）的调控，通过激活ComA-P来诱导表面活性素生产的途径，因为它与srfA操纵子的启动子位点结合，激活参与竞争、抗生素生产和降解酶分泌的多个基因的转录[197]。ComS也是群体感应级联ComQXPA的一部分，存在于srfAB ORF上，正向调控细胞的遗传竞争力[198]。另一个重要的信号分子是DegU（U-P），其中DegS是细胞质激酶，由DegQ与ComA-P协同激活，导致DegU的磷酸化。这种激活的DegU负责产生和分泌蛋白酶（aprE）并水解化合物分子，为表面活性素生产提供更多可吸收的肽[199]。第三个主要信号因子是Spo0A（Spo0A-P），它通过五个激酶（kinA-E）的磷酸化间接激活Spo0F和Spo0A[200]。KinA和KinB负责感知信号并激活spo0A-P蛋白。然而，KinA自身磷酸化并有效激活Spo0A，而当营养物质充足时KinB被CodY抑制；但在营养匮乏时，低GTP水平会激活它。KinC和KinD通过Spo0A的磷酸化触发生物膜的产生。在压力条件下，当Spo0A-P水平较高时开始孢子形成，而在Spo0A-P水平较低时促进生物膜生产和同类相食[201]。KinE的激活机制尚不清楚，但据认为受sigma-H因子（sigH基因）控制。除了ComX之外，其他因素如CSF（Competence and Sporulating Factor）和天冬氨酸磷酸酶（Rap蛋白，即Rap C、D、F和H）也间接调控表面活性素的生产[202]。CSF信号肽从枯草芽孢杆菌细胞外释放，通过寡肽渗透酶Opp（Spo0K）被识别并运输到细胞内，与Rap蛋白结合，导致ComA-P的去磷酸化，从而失活srfA基因，停止表面活性素的产生[197]。此外，在营养生长期结束时，spo0A的磷酸化会触发SinI蛋白的表达，该蛋白调节对孢子形成至关重要的碱性蛋白酶（aprE）的产生。SinI反过来抑制SinR，后者是一种抑制细胞外基质相关基因转录的抑制因子[203]。同时，合成的表面活性素作为一种旁分泌信号，其检测后细菌细胞开始产生更多的细胞外基质，导致生物膜的形成，因此它们不再响应ComX（最初触发表面活性素生产的信号分子），从而停止表面活性素的进一步生产[203]。

基因工程的进步为提高枯草芽孢杆菌中表面活性素的产量提供了有希望的方法。未来的研究可以集中在改良如B. amyloliquefaciens LL3[204]和B. subtilis 168[205]等菌株上，以改善生长、效率和表面活性素的生物合成。已经开发出一种产生高水平表面活性素的B. amyloliquefaciens菌株（MT45）[206]。诸如基因组缩减（如GR167菌株所示）、删除非必需基因以及增强关键生物合成途径等策略已经在提高表面活性素产量方面取得了显著成功[204]。此外，提高细菌对表面活性素的抗性、优化支链脂肪酸代谢以及重新定向代谢前体（如乙酰辅酶A）可以进一步提高产量。这些方法旨在克服低脂肽产量的挑战，使表面活性素的生物合成更加高效和经济，适用于大规模应用。

8 表面活性素生产的调控
已发现多种环境因素会影响表面活性素的产生。例如，碳源如葡萄糖、蔗糖和甘油已被证明会影响表面活性素的生物合成[207]。同样，氮源如氯化铵和蛋白胨也被证明会影响表面活性素的产量[208]。pH值也起着作用，存在不同的最佳pH条件[209]。此外，温度和氧气的可用性也是影响表面活性素生产的因素，有研究表明温度和氧气水平对最佳生产条件有影响[210]。表面活性素生产的调控涉及蛋白质、基因元件和酶的网络。表面活性素生物合成基因簇包含srfA操纵子，其中包含产生表面活性素的基因[211]。几种调控蛋白如DegU、AbrB和Spo0A通过管理srfA基因的活性来控制表面活性素的水平[212]。此外，σ因子如σD和σH也参与表面活性素的调控，σD对srfA基因的表达有影响[211]。值得注意的是，群体感应也控制表面活性素的产生。在研究较为深入的枯草芽孢杆菌中，ComA/ComP双组分系统作为一个群体感应系统，根据环境信号调节表面活性素的生物合成[213]。研究表明，ComA是参与表面活性素合成基因转录的激活剂，其活性可受细胞外信号和自诱导肽的影响[214]。表面活性素的产生受到翻译后修饰的显著调控，这些修饰影响生物合成酶的活性。影响表面活性素生物合成的重要翻译后修饰包括磷酸化、乙酰化和糖基化[211]。例如，DegU调节因子的磷酸化会影响其DNA结合亲和力，从而影响其调控作用，进而影响表面活性素的产生[215]。

8.1 影响表面活性素生产的环境因素
表面活性素的产生受到多种环境因素的影响，如碳源和氮源、pH值、温度和氧气。了解这些因素之间的相互作用对于实现工业应用中更好的表面活性素产量至关重要。因此，应进行更多关于环境感知背后的分子机制的研究，以开发改进不同行业中表面活性素合成和利用的方法。使用特定的碳源显著影响表面活性素的产量，这在枯草芽孢杆菌中得到了验证。葡萄糖、蔗糖和甘油是常见的碳源，据认为它们会影响表面活性素的生产[216]。观察发现，在表面活性素的合成过程中，与其他碳源相比，葡萄糖能增强其形成[208]。氮的可用性也显著影响表面活性素的生产。已经研究了氯化铵和蛋白胨等含氮物质对该化合物生物合成的影响[207]。为了获得最大的生长速率和表面活性素产量，已经找到了氮与碳的最佳比例和水平。pH值也会影响芽孢杆菌属细菌合成的产物量。不同的芽孢杆菌菌株对生产这种化合物的pH值有不同的最佳要求[209]。在发酵过程中保持最佳的pH条件对于实现高表面活性素产量至关重要。温度和氧气水平也会影响枯草芽孢杆菌的表面活性素生产。研究已经确定了表面活性素生物合成的最佳温度和氧气条件[210]。控制发酵参数，如搅拌和通气，对于维持最佳的氧气水平非常重要。

8.2 表面活性素生产的遗传调控
遗传调控在控制表面活性素的生产中起着关键作用。多种调控机制响应环境信号，协调表面活性素生物合成基因的表达，以确保满足各种生态和生理需求的最优生产水平。理解表面活性素生物合成中涉及的复杂调控机制对于开发其工业和生物技术应用至关重要。

8.2.1 转录调控因子
表面活性素生物合成的遗传调控包括一个转录调控因子网络，这超出了已知的调控因子DegU、AbrB和Spo0A。CodY被鉴定为一个全局转录调控因子，它通过对表面活性素生物合成的负调控来参与这一复杂的调控网络。Sun等人[212]证明，CodY直接抑制srfA的表达，而srfA是表面活性素合成中的关键基因。CodY的调控作用整合了信号，响应营养物质的变化，从而建立了表面活性素生产与细胞代谢之间的联系[212]。此外，PhoP作为另一个转录调控因子，在枯草芽孢杆菌中正向影响表面活性素的生产[217]。PhoP作为正向调控因子，通过直接结合到srfA的启动子区域来激活其表达。这种调控机制在磷酸盐限制条件下确保了表面活性素生产的增加，优化了可用磷酸盐资源的利用。增强的表面活性素生产不仅有助于营养物质的获取，还有助于细菌在磷酸盐受限环境中的生存。

表面活性素生物合成的遗传调控是多方面的，涉及一系列转录调控因子，如DegU、AbrB、Spo0A、CodY和PhoP[217]。这些调控因子响应环境信号和营养物质的可用性，协调表面活性素生物合成基因的表达，以调节枯草芽孢杆菌中的表面活性素生产。这一复杂的调控网络突显了细菌对多种条件的适应性及其根据周围环境微调表面活性素生产的能力。

8.2.2 Sigma因子
表面活性素生物合成的调控涉及sigma因子的复杂作用，它们在生物合成基因的转录控制中起着关键作用。虽然σD和σH是已广泛研究的参与表面活性素调控的sigma因子，但其他sigma因子如σA和σB也对此过程有所贡献。σA是负责维持基因转录的主要sigma因子，它通过调节参与表面活性素生物合成的调控基因的表达来间接影响表面活性素的生产[218]。这种调控作用强调了σA在响应环境信号时协调细胞过程（包括表面活性素生物合成）的广泛影响。此外，替代sigma因子σB已被确定为在营养限制和氧化应激等压力条件下表面活性素生产的关键调控因子[219]。σB通过调节应激响应基因的表达，间接影响表面活性素的生产，作为细胞应激响应机制的一部分，从而突显了其在适应变化环境条件中的作用。此外，Hoff等人[70]证明了σD在正向调控表面活性素生产中的重要性[70]。这一发现强调了sigma因子和转录调控因子之间的复杂相互作用，它们共同微调表面活性素生物合成，以确保细菌的生存和适应。

8.2.3 群体感应
在表面活性素生产的遗传调控中，群体感应机制与ComA/ComP两组分系统一起起着关键作用。受体相关蛋白（RAP）作为磷酸酶，通过调节主调控因子ComA的活性，参与群体感应介导的表面活性素生物合成控制[220]。通过调节ComA的磷酸化状态，RAP蛋白影响其转录活性，从而影响细胞密度变化对表面活性素生产的下游效应。此外，最近的研究揭示了小调控RNA（sRNA）在群体感应介导的表面活性素生产调控中的作用[221]。这些sRNA，包括RnaC和RnaIII，作为转录后调控因子，调节参与表面活性素生物合成的目标mRNA的稳定性或翻译。通过这种机制，sRNA有助于根据群体感应信号微调表面活性素的生产。

ComA/ComP两组分系统是群体感应的核心，直接参与响应细胞密度和细胞外信号的表面活性素生物合成调控[222]。该系统使枯草芽孢杆菌能够以群体依赖的方式协调表面活性素的生产，确保细菌群体内的生产水平同步。群体感应机制，包括ComA/ComP系统、RAP蛋白和sRNA的参与，共同参与表面活性素生产的遗传调控，使细菌能够根据环境信号和种群动态调整表面活性素的生产。

9 表面活性素在农业系统中的作用
表面活性素在农业中的作用主要体现在通过其抗菌和破坏生物膜的特性来促进植物生长和管理疾病。它对多种植物病原体表现出强烈的拮抗作用，并诱导植物的系统抗性。此外，表面活性素通过促进有益微生物群落的形成来改善土壤健康。这些特性使表面活性素成为可持续农业中有前景的生物控制剂。值得注意的是，表面活性素有助于抑制植物疾病并促进植物生长，解决了由Fusarium、Rhizoctonia和Clavibacter等病原体引起的重大作物损失[42, 223]。同样，Yokota和Hayakawa[224]报道了表面活性素对油菜黄化病的抗真菌活性，并观察到疾病抑制效果取决于浓度；过量使用会降低效果[224]。Valenzuela等人[225]还回顾了芽孢杆菌脂肽在生物控制和/或综合害虫管理中的作用。

在另一项研究中，Mnif[226]记录了表面活性素在体外和体内条件下对Fusarium solani的强抗真菌活性[226]。虽然表面活性素表现出强抗菌活性，但其抗真菌效果因菌株而异，其在植物中诱导系统抗性的作用也是复杂的[36]。关于表面活性素的直接抗菌效果与其在生物膜形成和植物防御诱导中的间接作用存在争议[227]。由于缺乏对表面活性素变体及其特定生物活性的全面分析，进一步复杂化了其在农业中的应用[228]。这些知识空白阻碍了表面活性素作为可靠生物控制剂的充分利用，可能限制了可持续农业的发展[229]。表面活性素的生物控制功能来源于其直接的抗菌活性、生物膜调节以及诱导植物系统抗性（ISR）。

表3 表面活性素在植物疾病管理中的作用
表面活性素是一种多功能且环保的生物控制分子，在抑制病原体、刺激植物免疫和微生物定植方面发挥着重要作用。通过环境和营养调节，可以可持续地提高其产量，其结构多样性为定制应用提供了可能。未来的研究应优先阐明ISR激活的分子基础，优化剂量和配方策略，并进行全面的田间试验，以充分利用表面活性素在可持续农业和综合疾病管理中的潜力。

10 挑战和未来方向
使用芽孢杆菌及其衍生物是管理和控制农业及商业作物害虫和疾病的有效且友好的方法。芽孢杆菌产生许多次级代谢产物，包括表面活性素，可用于害虫和疾病管理。然而，由于恶劣的气候条件，它们在田间条件下的稳定生长和发育仍然是一个问题。为了实现商业化，需要研究其作用机制、与其他害虫和疾病管理组分的兼容性、成本效益比以及在田间应用中的稳定性。

使用基于芽孢杆菌的生物农药的主要挑战是在受控实验室/温室环境与实际田间条件之间观察到的结果不一致。环境因素如温度、湿度和紫外线辐射会显著影响细菌在田间的稳定性和有效性。它们的效率可能受到其较短的保质期和在环境中的较低持久性的限制，因此需要更频繁的应用。尽管通常被认为是安全的（GRAS），但不当使用可能会导致与其他本土微生物的竞争，从而可能影响现有的微生物平衡。此外，使用苏云金芽孢杆菌（Bt）作为生物农药面临挑战，包括由于紫外线降解导致的低环境持久性、高特异性（宿主范围狭窄）以及昆虫抗性的快速发展。此外，高生产成本、复杂的配方要求和严格的注册程序也阻碍了其广泛应用。虽然通常被认为是安全的，但某些Bt制剂可能会影响非目标昆虫（例如传粉者或水蚤）或影响土壤微生物[250]。此外，虽然对人类通常是安全的，但某些芽孢杆菌菌株（如B. cereus）可能对免疫系统受损的人造成感染[251]。

为了解决这些挑战，当前的研究应集中在开发改进的、稳定的配方（例如通过微胶囊化）以及增强对芽孢杆菌与植物和环境相互作用的了解上。已经证明，使用完美的稳定剂配制活性产品并在田间条件下提高其性能是直接使用活细菌消灭植物害虫的有效替代方案。基于芽孢杆菌的生物制剂与其他农药联合使用时可能会对该细菌制剂产生不利影响。延长基于芽孢杆菌的生物制剂在运输和储存期间的保质期以及在田间应用时的效果也非常重要。为了在该环境中控制病原体，了解特定环境下的重要微生物的性质和作用机制是必要的。鉴于田间条件的复杂性，需要进行广泛的研究以全面理解和表征这些生物控制剂的机制。环境的变异性和监管障碍也限制了芽孢杆菌在害虫和疾病管理中的应用，需要开发能够在适宜条件下表现良好的稳健和适应性强的菌株[252]。为了确保田间应用中的生物安全性，需要进行彻底的风险评估，而土壤类型、气候和与农用化学品的相互作用可能会影响其效果。

芽孢杆菌及其相关脂肽被广泛用于对抗多种植物病原体和昆虫害虫。为了开发有效的商业芽孢杆菌或表面活性素产品，虽然进行了许多实验室和温室实验，但在不同气候条件下的田间实验仍然有限，这些实验在产品商业化之前是必须进行的。本文描述的潜在芽孢杆菌菌株的商业化及其在不知道其存在的偏远地区的农民中的采用需要进一步研究，因为这将显著降低经济和环境成本。此外，还需要探索各种芽孢杆菌菌株对害虫和病原体的系统发育多样性，以阐明孢子产生的遗传基础，并通过整合表达分析记录特定生态位的基因。我们可以通过采用创新的分子方法，如全基因组序列和宏基因组学，以及环境动态，来实现这一目标。为了保护全球粮食供应，未来的研究可以结合病原体抑制能力、昆虫死亡率以及在温室和田间的验证，以及芽孢杆菌商业化后的生物量生产。

11 结论
总之，基于芽孢杆菌及其衍生物的生物制剂在控制作物害虫和疾病方面发挥着重要作用。文献表明，许多芽孢杆菌菌株已被发现对广泛的植物病原体和昆虫害虫有效。此外，芽孢杆菌属菌种还被证明具有诱导植物系统抗性和促进植物生长的作用。它们还被用于生产多种抗菌化合物，如脂肽。因此，充分了解和掌握源自芽孢杆菌的衍生物对于开发高效且稳定的产品配方至关重要。在防治害虫和病原体方面，源于芽孢杆菌的表面活性剂因其独特的理化性质而发挥着重要作用。尽管最近的研究已经揭示了表面活性剂的生物合成机制及其多功能性，但在将其应用于害虫和疾病管理方面的应用仍需进一步探索。将芽孢杆菌与表面活性剂结合使用可以提升其防治效果。此外，芽孢杆菌的孢子形成能力使其能够在极端环境中存活。因此，为了在田间成功应用这些生物制剂，对其生态特性进行研究十分必要。在实际应用中，考虑其多样性、生态分布、作用机制以及所处环境因素，将有助于生物制品更好地适应可持续农业生产的需要。简而言之，确保农业生产力安全且盈利的可持续方法就是利用基于芽孢杆菌的生物制品来管理植物病原体和昆虫害虫。