产2,4―二乙酰基间苯三酚的微生物研究进展

摘要：在土壤环境中，大多数2，4-二乙酰基间苯三酚（2，4-DAPG）是由荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）产生的。它在生物防治中具有重要作用。对近年来2，4-DAPG的生物合成及调控机理，2，4-DAPG在诱导系统抗性（ISR）的机制，2，4-DAPG的生物反应模式、生态效应，荧光假单胞菌农田生物防治应用实例等相关研究进行了综述。

关键词：荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）；2，4-二乙酰基间苯三酚（2，4-DAPG）；植物病害；生物防治

中图分类号：Q939.96 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）08-1905-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.001

Abstract： In most cases， 2， 4-diacetylphloroglucinol （2，4-DAPG） were secondary metabolites produced by Pseudomonas fluorescens in soil. It was shown that this compound played an important role in biological control for the soil transmissible plant disease. In this paper， the authors summarized the recent discoveries in the research works that focused the biosynthesis of 2，4-DAPG， the mechanisms for the regulation of 2，4-DAPG synthesis， the role of 2，4-DAPG in inducing plant systemic resistance， the biological effect of 2，4-DAPG on pathogens， the ecology of 2，4-DAPG producing bacteria， and the field studies on biological control with 2，4-DAPG producing pseudomonads.

Key words： Pseudomonas fluorescens；2，4-diacetylphloroglucinol（2，4-DAPG）；plant disease；biological control

自然环境中2，4-二乙酰基间苯三酚（2，4-DAPG）主要来自荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）的次级代谢产物。它不仅能对抗植物病原菌，还能促进植物根系分泌氨基酸，诱导植物系统抗性反应。而荧光假单胞菌是植物根际普遍存在的一种微生物类群，具有分布广、数量多、繁殖快、竞争定殖力强的特点。因此，有效利用产2，4-DAPG的荧光假单胞菌有望成为极具应用前景的植物病害生物防治手段。

1 2，4-DAPG的生物合成及调控机制

合成2，4-DAPG的基因簇由8个phl操纵子编码。进化生物学研究表明，荧光假单胞菌2，4-DAPG合成基因簇属于直系遗传，但是很多假单胞菌在进化的过程中失去了产生2，4-DAPG的能力。尽管大多数phl基因簇总体上还是保持了完整性，然而其在直系遗传过程中至少发生过3次基因水平转移或重组事件[1]。

在参与合成2，4-DAPG的8个phl操纵子中，只有1个操纵子编码合成酶系统（phlACBD）。其中PhlD是合成2，4-DAPG前体（PG、MAPG）的关键基因。phlACBD的下游基因phlE编码输出蛋白，其上游基因phlF、phlG和phlH编码转录调节因子，这些转录因子通过结合启动子区域抑制操纵子表达[2]。Tian等[3]的研究发现，EmhABC转运系统对荧光假单胞菌2P24的2，4-DAPG的产生也具有一定作用。

目前国际上对来自龙爪稷根际的荧光假单胞菌Pf-5、2P24、CHAO的2，4-DAPG生物合成调控机制研究已较为深入。phlACBD在荧光假单胞菌Pf-5中大量表达，其产量通常是野生型菌株的2倍。2，4-DAPG的合成受植物分泌物等宿主因素的影响，其中RpoDσ因子对假单胞菌CHA0菌株合成2，4-DAPG起关键作用[4]。对荧光假单胞菌2P24菌株研究表明，gidA基因（PM701）或者trmE基因 （PM702）的缺失会导致菌株合成2，4-DAPG和其前体物质（PG、MAPG）的能力大幅下降。这些基因突变虽然对phlA基因的转录没有影响，但能降低phlA和phlD基因的蛋白表达水平。gidA和trmE突变体都不能合成间苯三酚（PG）但可以将PG转化成MAPG，再转化成2，4-DAPG。PhlD的超表达则可以使突变体恢复PG和2，4-DAPG的合成能力。这表明，GidA和TrmE极可能在转录后水平正调控2，4-DAPG的生物合成[5]。另一研究发现，假单胞菌株2P24的Gac/Rsm信号途径能够通过RetS调控的小RNA RsmX和RsmZ在转录后水平调控2，4-DAPG合成基因的表达[6]。此外，psrA基因则可能通过激活RpoS来抑制2，4-DAPG生物合成[7]。

越来越多的研究表明，群体效应（Quorum-sensing，QS）系统也会影响2，4-DAPG的产生，mvaT、mvaV、hfq通过PcoI/PcoR系统调节生防菌2P24生物膜和2，4-DAPG的合成基因的表达水平，影响其在小麦根部的定殖和生防作用[8，9]。

2 2，4-DAPG在诱导系统抗性（ISR）中的作用 产2，4-DAPG的假单胞菌能够诱导植物系统抗性（ISR）。分子遗传学证据表明，2，4-DAPG是诱导植物系统抗性的关键分子[10]。通过对假单胞菌WCS417r诱导模式植物拟南芥的ISR过程进行研究后发现：WCS417r处理植物7 d后，植株根部有97个基因的表达水平发生了改变，接着在叶片接种丁香假单胞菌，相比于不用WCS417r菌株处理的对照组，WCS417r通过乙烯和茉莉酸依赖的信号转导途径诱导ISR相关基因表达[11，12]。

3 植物病害对2，4-DAPG的响应方式研究

植物病原菌往往通过各种防御机制抵御外来不良环境因子。这些机制包括有害分子的酶分解机制、有害分子靶基因的突变进化机制、毒物的转运外排机制等。Kwak等[13]使用模式生物酿酒酵母来模拟研究2，4-DAPG对植物真菌病害的作用机制。通过对突变体的遗传学、生物化学的研究，该课题组发现细胞膜的通透性、活性氧水平的调控和细胞内环境的动态平衡均受2，4-DAPG作用影响，这暗示2，4-DAPG可作用于植物真菌病原菌的多种基本生理过程。

4 产2，4-DAPG假单胞菌的微生物生态学研究

Powers等[14]发现2，4-DAPG可以抑制枯草芽孢杆菌生物膜相关基因的表达，从而减缓其生物膜形成过程。这表明2，4-DAPG极可能在环境中对微生物群落结构起调节作用。最近的研究结果表明，天然土壤中，产2，4-DAPG的假单胞菌所具有的抗菌广谱活性是由地表植物群落组成和多样性共同决定的[15]。水稻田间试验表明，在土壤中施用甲胺磷会导致假单胞菌对水稻纹枯病的拮抗作用活性显著下降，具有phlD基因的微生物多样性和丰度会显著降低。这表明，大量施用甲胺磷会通过破坏假单胞菌群落多样性而增加植物感染纹枯病的风险[16]。这些微生物生态学的研究为人们理解2，4-DAPG产生菌和植物病害之间的相互作用提供了新的理论依据，也为其生防应用提供了新的思路[15]。

5 产2，4-DAPG的荧光假单胞菌的应用研究

利用产2，4-DAPG的荧光假单胞菌进行农业病害防治的经典案例是小麦全蚀病的防治。全蚀病是全球范围内小麦最严重的根部病害。研究发现，荧光假单胞菌株产生的广谱抗生素2，4-DAPG可显著抑制全蚀病病原菌Gaeumannomyces graminis var. tritici。在小麦全蚀病衰退的土壤中可以检测到大量的2，4-DAPG产生细菌[10]。可以想象，多年甚至几十年来，Gaeumannomyces graminis var. tritici都一直面对2，4-DAPG这一“敌人”，但科学家们发现在这些土壤中，抵抗和耐受2，4-DAPG的全蚀病原菌却始终没有出现，甚至在长期小麦单作的田间也没有出现。产2，4-DAPG的假单胞菌在抑制烟草根黑腐病、番茄根腐病、黄瓜猝倒病、水稻穗枯病、红辣椒疫病等病害中都能有效发挥作用[17，18]。

产2，4-DAPG的假单胞菌高效防控植物病害的原因可能包括：①2，4-DAPG作用于多个细胞过程使其攻击病原菌的途径具有多样化，病原菌出现抗逆性几乎不可能；②病原菌只有在假单胞菌增殖的寄生阶段才会被暴露在高浓度的2，4-DAPG中，而在病原菌其他的生活环境中并不存在，它们以腐生的方式生活在根际，此时环境中的2，4-DAPG浓度极低。因此降低了对病原菌的选择压力[10]。

6 问题与展望

虽然理论上荧光假单胞菌通过产生2，4-二乙酰基间苯三酚（2，4-DAPG）具有抑制多种病害的潜力，但在实际应用过程中也存在一些问题，例如气候、土壤条件、土壤微生物功能群本身的因素可能加速病害的传播、抑制生防作用效果；另一方面，诱导寄主植物产生对病原菌的系统抗性受植物种类、植物生理阶段及外界环境条件的影响较大[19]。因此在制定生物防治策略的过程中，应结合作物轮作、增施有机肥、改善土壤微生物功能群等综合措施。

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