时间:2024-05-24
赵晨心, 陶光耀
(贵州农业职业学院, 贵阳 551400)
贵州省位于云贵高原东侧,因其地理位置的特殊性,容易发生气象灾害,对农业生产造成巨大影响[1]。尤其是因低温引发的霜冻灾害。譬如2005年在铜仁万山发生的低温灾害,凝冻使得农作物严重减产;习水、遵义县、水城县因其气候特点被划分为重级凝冻区[2]。因此,本文对于冰核细菌的探究能更好地指导生产,为减少凝冻灾害的发生提供一定的参考。
当自然界中的水结冰时,冰核细菌为其形成更多冰晶提供模板。它的存在可以在较高温度下诱发水冻结成冰,加重农作物和植物冻害。
水的常见存在形式有三种(液态、固态、气态)。在温度下降到0 ℃的情况下,小体积纯水仍然能维持液态,不会立刻结冰[1]这个纯水所具备的能力叫做过冷力(president)。将液态水变成固态水的物质叫冰核,它们的存在会诱发植物体细胞间隙的水结冰,从而使霜冻更严重。冰核在自然界中种类有两种:同质冰核和异质冰核,它们不同之处在于同质冰核由水分子构成的,而非水分子构成异质冰核。在合适的温度下,同质冰核和异质冰核两者都能使水分子以它们为模板聚集结冰。
气象学家瓦伊尔、vail和施恩(Schnen)于1972年第一次将冰核菌分离出来,其作用是催化水在低温-1 ℃到-2 ℃时结冰,冰核活性极高[3]。同年秋天,假单胞属(Pseudomonas)的冰核细菌也被Fresh R.分离得到[4]。我国从1986年开始进行冰核菌的研究,主要对国内冰核菌的致病机理、原理、关键类群等进行了深入的研究。国内专家学者从我国辽宁、山东等地的植物中分离出3个属17个种的冰核细菌[5]。其中6个种是首次记录的新种。其中,菠萝欧文氏菌(Erwiniaananas)和丁香假单胞菌(P.syringae)是我国优势种。冰核细菌在不同作物上分布的种类不同,分布具体情况见表1,不同地区的季节气候会影响冰核细菌的存在,冰核细菌在不同地区处于不用季节的分布情况见表2。
表1 冰核细菌在不同种类的作物上分布情况
表2 冰核细菌在不同季节气候上的分布种类和分布情况
1988年科学家首次发现冰核真菌,它是具有冰核活性的地衣真菌,自从冰核细菌在1991年被报道以来,人们对于冰核真菌的研究关注度越来越高。
中国农业科学院重点实验室于1993年开展对冰核真菌的研究,在1993年到1996年这4年间分离筛选出4株冰核真菌。1997年至1998年间,张敏等[6],韦建福[9]等从蚕豆中分离出来的冰核细菌,在一定温度下也有极强的冰核活性,证明冰核真菌对比冰核细菌而言,冰核真菌处于温度不同的环境、酸碱性不同的环境中以及紫外线的环境中时,其对高温更稳定、对酸碱适应性更强,并且对紫外线更加不敏感[6]。
霜冻对农作物有冻害作用,能在短时间内损坏大面积的农作物,造成农作物质量变劣,减产等重大损失。在人们的传统观念中,大家认为霜冻是由于低温和植物对低温的敏感性引起的。但是霜冻的发作机制研究还不完善。从1974年科研人员从植物的叶片中分离到冰核细菌开始,人们对霜冻的研究才有了新的思路,随着越来越多的研究人员探索冰核细菌的特性,人们对于冰核细菌的了解越发深入,但植物霜冻的发生跟植物表面是否存在冰核细菌有很大的影响。当植物表面有冰核细菌腐生时,植物处于0 ℃至-3 ℃的温度条件下,其细胞间水会被冰核细菌诱发结冰,从而发生霜冻[7]。冰核菌在自然界分布非常普遍,能诱发水在植物体细胞间冻结,从而导致植物霜冻加重[8]。综上所述,冰核细菌因为其特性,不仅能诱发植物霜冻的发生,随着气温的降低,冰核细菌还能加重霜冻危害的程度。因此,最重要的是防除冰核细菌。
冰核细菌的研究始于1972年,因其与霜冻的发生发展有直接联系,人们对于冰核细菌的研究已经不能停留在现有的阶段,已经朝着分子方向进发。专家学者研究发现单个结构基因决定了冰核细菌的成冰核活性。该基因的存在与否关系到冰核活性的表达是否完整。
我国平均每年因为霜冻灾害造成的粮食和果蔬损失金额巨大。因此,防御霜冻、减轻冻害程度和减轻冻害面积成为亟待解决的问题。据科研学者研究发现,植物遭受冻害的严重程度,是由植物体上的低温、植物抗冻能力以及冰核细菌的数量这三个因素共同决定[9],因此要对症下药。
根据冰核细菌的性质,药剂防治冰核细菌具有药效高、见效快的特点,因此,防治冰核细菌造成的冻害可以使用适合的杀菌剂。云南地区的研究人员早在1990~1997年间通过实验测试筛选出防治效果好的药剂,最后进行田间防霜实验,取得了良好的效果。这一系列防霜药剂也运用到常规防护中[10]。目前,杀菌剂已在玉米(Zeamaysl)、马铃薯(SolanumtuberosumL.)和西红柿(LycopersiconesculentumMill)等作物上取得了优异的成绩[11]。经多年田间小区试验,农大防霜剂对草生欧文氏菌(E.herbicola)、丁香假单胞菌(P.syringae)和菠萝泛菌(P.ananatis)均有明显的抑菌效果。
化学试剂虽然能够高效防除冰核细菌,但操作方法不当,也会造成污染环境和药害等一系列问题。因此,根据可持续发展的原则,绿色无污染的防治方法无疑成为更适合社会发展形势的方法。微生物防霜技术的用药持效期长、对农作物不易产生药害、对环境无不良影响等优点已经征服国内外学者。国内外的专家学者通过平板稀释法从植物体上分离提纯出多种微生物,并通过平板对峙法筛选拮抗菌。
冰核细菌具有成冰活性高、能诱发水结冰等特点,科学家从中获得新的灵感,因此,冰核细菌在许多领域被开发利用。
应用冰核菌成为新的报告基因,它通过冰核菌可以诱发水结冰性质的冰核活性。主要调控细菌、植物基因某些特性的表达。
冰核细菌具有快速诱发细胞间隙水结冰的特性,根据其反应迅速的特性,将冰核细菌运用到食品检测中有重要的价值。例如,在食品中利用冰核基因对沙门氏菌进行快速检测,在待测食品中加入沙门氏菌特异性噬菌体中注入冰核基因,检测其冰核活性,如果有冰核活性,则说明食品中存在沙门氏菌。
根据冰核细菌能在0 ℃以下的温度下增快水结冰速率的特点,可将冰核细菌应用于食品冷冻中,冰核细菌的存在能催化细胞间隙的冰晶迅速增长,使得食品在0 ℃以下能快速进入冷冻状态,能够更好的保鲜。譬如冰核细菌在基围虾低温贮藏保鲜中起到重要作用[12]。在食品冷冻浓缩和冷冻干燥中也应用了冰核细菌[13]。
根据冰核菌的特性,科研人员制作了人工增雪催化剂,而碘化银是传统人工增雪消雾催化剂中使用频率最高的一种。但是碘化银容易污染水体,并且易燃,将冰核蛋白应用于人工降雨、降雪中能够减轻资源损耗,对环境无污染、无公害。
冰核细菌可利用其冰核活性使昆虫体内的水结冰,可破坏昆虫的细胞组织,使昆虫死亡。张新建等[14]所构建的基因工程菌,能够在昆虫体内大量繁殖,使虫体结冰,最终冻死昆虫,并且跟传统杀虫剂方法相比,该种防治方法具有见效快,无污染,安全性高等优势。
霜冻因其破坏大、传播快等特点闻名于世。农作物会因此遭受低温冻害,导致农作物产量变少,并造成严重的经济损失。而冰核细菌的存在会促进植物体细胞间隙水分子聚体结冰,使得霜冻危害发病急、危害重。为了尽可能地降低霜冻造成的危害,就要从根本上解决问题,降低冰核细菌的数量或者抑制冰核细菌的活性已经成为重要的研究课题。贵州气候的复杂性和年均冬季气温的多变性也给冰核细菌的分离提供新的挑战,根据笔者收集到的资料证明冰核细菌的存在受到气温的影响,如果冬季温度升高,则不会发生霜冻,收集冰核细菌将变得困难。特别是在做田间防霜实验时,田间温度的多变性和田间环境的复杂性会阴影拮抗菌的防治效果。因此,笔者建议在做防霜实验时,需在实验室建立完备的实验设备,才能提高筛选拮抗菌的效率,从而筛选出防控效果好的拮抗菌,为大田防霜实验提供后续支撑,以期更好地指导实践生产,取得良好的经济效益。
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