【行业研究】微生物农业(3):微生物农药有望替代化学农药

发布时间:2020-12-17

农药是农业生产中必不可少的生产资料,在保护农作物免受有害生物危害、改善农作物的抗劣性能和促进农业增产方面起着重要作用。自20世纪中叶以来,化学农药的广泛使用很大程度上解决了部分病虫害对农业生产的危害,同时大大降低了劳动强度,提高了劳动效率,对农业的发展做出了巨大的贡献。然而,随着社会的进步和科学技术的发展,人们逐渐认识到化学农药的弊端和局限性。长期广泛施用和不合理的用药,造成了诸如农药残留、环境污染、食品安全、病虫害抗性等一系列问题,因此亟需研发新型高效低毒的环境友好型生物农药。生物农药指非人工合成的,具有杀虫、杀菌、除草、抗病毒等的生物活性物质或生物制剂,另外,部分天然产物简单的化学修饰产物也包含其中,而且所占比重不小如甲氨基阿维菌素、乙烯利等。目前,生物农药的研发越来越受到各国的重视,我国政府已经将生物农药列为“中国21世纪议程” 的优先项目。生物农药分为植物源、动物源农药和微生物农药。其中,研究和使用最为广泛的无疑是微生物农药。

微生物农药占全世界生物农药产品的90%左右,是生物防治的重要手段[39]。随着微生物农药研究的深入和应用技术的发展,微生物农药的种类和数量越来越多,在促进农业可持续发展中发挥越来越重要的作用。微生物农药与化学农药相比其优势主要体现在以下几个方面:一是作用效果更强,作用对象产生抗药性的几率较低;二是选择性强,在杀灭病虫害的同时不会危害作物及人畜的健康;三是来源广泛,药源充足,能够很大程度上解决天然产物所面临的药源问题;四是易于降解,无残留,有利于生态环境保护[40]。微生物农药包括活体微生物农药和微生物次级代谢产物。在活体微生物农药当中,细菌微生物农药所占的市场份额最大,达到74%。其次是真菌和原生动物,分别占10%和8%,病毒微生物农药占5%,其它微生物农药占3%。目前,在美国EPA注册的活体微生物农药大约有72种,其中包括细菌农药35种,真菌农药15种,基因工程农药6种,转基因植物农药8种,原生动物农药1种,酵母农药1种以及病毒农药6种。而在我国,应用较多的主要有细菌农药、真菌农药和病毒农药。除此之外,微生物次级代谢产物应用于农业生物活性被称为农用抗生素,农用抗生素研究开发在美、日等国均已列入国家重点科研规划。日本、前苏联已先后开发了多氧霉素、有效霉素、植霉素、木霉素等品种。我国从20世纪50年代起已筛选出不少农用抗生素新品种,如多效霉素、春雷霉素、华光霉素、中生霉素等。现有登记注册的抗生素品种23种,产品170个[41]。

活体微生物农药

细菌微生物农药

细菌微生物农药被广泛用于控制植物细菌真菌疾病、线虫、昆虫及杂草等病害和草害。细菌广泛存在与土壤当中,物种丰富。无论是芽孢细菌还是无芽孢细菌都被证明对于一系列的农业病虫害具有广谱有效的作用。其中最著名的生物农药是作为农用杀虫剂的苏云金杆菌Bacillus thuringiensis (Bt)。Bt是一种杆状细菌,由Berliner于1911年首先从德国的携带苏云金杆病毒的地中海粉螟中分离得到,因从德国苏云金省发现、分离而得名,至今已近百年历史[41]。其常见的作用机制是产生δ-内毒素引起毒血症而导致的虫体死亡。在芽孢生成时,Bt产生高特性的杀虫蛋白δ-内毒素,其进入毛虫、甲虫等害虫或其幼虫体内时,与消化道当中的细胞结合,进而对细胞进行破坏,造成害虫不能进食而死亡。在过去50年间,Bt一直被作为商业杀虫剂使用,是应用最为广泛、最为成功的微生物杀虫剂。尽管在此期间科学家们又研制了多种微生物杀虫剂,但都没有取代Bt的地位。Bt已被注册用于超过90种害虫,并且使用时间无限制,可在收获前使用,也可用于清洁剂在农产品运往超市前使用。Bt作用对象的不同取决于其菌株和亚种的不同,如苏芸金芽胞杆菌以色列亚种Bacillus thuringiensis israelensis (BtI)对双翅目害虫具有十分显著的杀虫作用,未来的应用前景十分广阔[42]。

微生物农业(3):微生物农药有望替代化学农药

拮抗细菌(来自网络)

B. subtilis是研究将最为广泛的细菌杀菌剂。美国食品和药品监督管理局(USFDA)确认B. subtilis为公认安全的益生菌,因此可考虑充分挖掘其作为细菌农药的潜力。当处于恶劣极端环境条件时,B. subtilis可产生极耐休眠状态的芽孢来适应诸如高温、酸碱及缺水和寡营养的环境,这些芽孢可以帮助细菌生存下来,而这种生存机制也可用于工业发酵生产[43]。经研究发现,B. subtilis作为杀菌剂的作用机制主要有以下几个方面:首先,B. subtilis可产生具有杀菌作用的脂肽、细菌素和非肽类抗生素等物质,这些物质可破坏细胞壁和细胞膜、改变细胞膜通透性造成胞内物质外漏、破坏菌丝体和孢子结构或抑制蛋白质合成等;其次,B. subtilis可与病原菌争夺营养和生存空间,生存竞争是其拮抗植物病原菌的重要作用机理之一。B. subtilis可以在植物根际、体表、体内和土壤中快速和大量繁衍,有效地排斥、阻止和干扰病原菌侵染植物,从而达到抗菌效果。第三,许多B. subtilis可促进植物种子、幼苗和根系的生长发育,或诱发植物自身的抗病潜能,增强植物的抗病性,从而间接地减少病害发生[44]。

除Bt和B. subtilis外,还有多种细菌可用于微生物农药来预防和控制植物病虫害和草害。例如B. pumilus, Pseudomonas spp.和Streptomyces spp.等能够与根基病菌进行生存竞争、产生抗菌物质、促进植物和根的生长,从而抵御植物病害,提高作物产量。由于细菌物种数量巨大、繁殖速度快,发酵技术较为成熟,因此,细菌微生物农药具有十分广阔发展潜力和应用前景。

真菌微生物农药

真菌微生物农药可用来控制由其它真菌、细菌、线虫和昆虫等引起的植物病虫害,同时也可预防和控制草害。真菌在自然界分布十分广泛,几乎无处不在,很多真菌共附生于植物和动物体表和体内。目前已证实一些真菌种属可以作为活性显著的生物农药来使用,但需要适宜的环境条件来促使其生长发挥作用[42, 45]。

微生物农业(3):微生物农药有望替代化学农药

拮抗木霉(来自网络)

真菌微生物农药多种多样,其作用于靶标生物的方式和机制也不同。最为常见的作用方式包括生存竞争、寄生作用及产生活性次级代谢产物。两种最为常见的两种商品化真菌微生物农药为木霉Trichoderma spp.和白僵菌Beauveria bassiana,广泛应用于苗圃、大田当中的蔬菜和作物。其中,木霉主要作为杀菌剂使用,而白僵菌主要作为杀虫剂使用。木霉是自然界中最为常见的真菌之一,许多有益木霉能够寄生于植物根际周围,而对植物没有危害,正是这种共附生关系使其成为作用显著的微生物农药。它们在生长过程中与病原真菌争夺营养、空间,产生化学防御物质使寄主抵御病害,同时促进根的生长。除此之外,在特定的环境条件下,它们可以攻击或者寄生于病原菌,达到杀菌目的。已被用于防治水稻纹枯病,棉花枯萎病,花生、甜椒、茉莉等的白绢病,蔬菜猝倒病、枯萎病、立枯病等病害。目前我国已有2个木霉菌产品获得农药登记[46]。白僵菌可以寄生于许多昆虫体内,能寄生于蚜虫、蓟马和粉虱等700多种昆虫和13种螨类,用于防治马尾松毛虫、玉米螟和水稻叶蝉等害虫。在玉米心叶末期使用白僵菌防治玉米螟虫,防治效果可达85%~93%,对抗药性的粉虱已具有很好的杀虫作用,不同菌株可以攻击的昆虫种类并不相同。白僵菌的孢子附着并生长于在昆虫表皮,在此过程中产生酶蛋白来攻击和溶解昆虫表皮,并且逐渐渗透进入昆虫体内生长,以昆虫体内组织为食,释放出毒素。随着昆虫死去,白僵菌会从粉红色变为棕色,最后昆虫体内都充满了菌株[47]。

病毒微生物农药

目前主要选择昆虫病毒中的杆状病毒来制备杀虫剂。杆状病毒是一类只感染昆虫及节肢动物的病毒,具有很强的特异性,大多数只感染几种蝶类的幼虫,由于其对其余生物包括人类的影响很小,因此可以作为很好的微生物杀虫剂。杆状病毒作为生物农药应用最多的是包涵体病毒,包括核多角体病毒属(NPV)和颗粒体病毒属(GV)。由于其外面包裹了一层蛋白质外壳,能够保护其不易在环境中分解。当病毒侵入昆虫体内后,其蛋白质外壳溶解释放出核酸,核酸在宿主细胞内进行病毒颗粒复制,产生大量的病毒粒子,形成“病毒加工厂”,进而在宿主中不断传播,被侵染的昆虫几天内无法进食,导致昆虫死亡,进而宿主细胞破裂,病毒继续传播于寄主之间。国际上最为著名的病毒杀虫剂为苹果蠹蛾颗粒体病毒(CpGV)。该病毒于20世纪60年代首次发现,现在销售量仍然占全世界病毒杀虫剂的一半以上。该病毒通常与诱导交配中断的信息素联合使用,减少化学杀虫剂的使用量。我国昆虫病毒的开发利用虽然起步较晚,但发展迅速,当前我国病毒微生物杀虫剂主要用于防治桑毛虫、棉铃虫、菜青虫、小菜蛾、斜纹夜蛾等害虫。2013年,甘蓝夜蛾核型多角体病毒杀虫剂获得欧盟2008/889标准有机认证,这是目前我国首家获得此认证的病毒杀虫剂产品,标志着我国病毒杀虫剂研发取得了长足进步。

微生物农业(3):微生物农药有望替代化学农药

生物农药代表未来的方向

农用抗生素(微生物次级代谢产物)

由微生物产生的对其无明显生理功能,或并非是其生长和繁殖所必需的小分子物质称为微生物次级代谢产物,在农业上,把用于防治有害生物的微生物次级代谢产物称之为农用抗生素。农用抗生素从功能上来看可分为杀菌农用抗生素、杀虫农用抗生素、除草农用抗生素。其中杀菌农用抗生素种类较多,部分医用抗生素被当做农用抗生素使用,这里只介绍专用于农业杀菌的抗生素,主要有甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂(strobilurins)、灭瘟素(blasticidin)、春雷霉素(kasugamycin)、多抗霉素(polyoxin)、灭粉霉素(mildiomycin)和有效霉素(validamycin)等。杀虫农用抗生素主要有阿维菌素(avermectins)、米尔贝霉素(milbemectins)、浏阳霉素(polynactin)和多杀霉素(spinosyns),均为放线菌次级代谢产物,而诸如B. thuringiensis和Photorhabdus luminescens等细菌也被认为是杀虫农用抗生素的潜在生产者。除草农用抗生素主要是最为我们熟知的双丙氨膦(bilanafos)。除此之外,尽管国内外一直对抗病毒农用抗生素进行研究,也发现了一些具有潜力的活性物质,但均未达到注册水平。下面我们将选取几种代表性的农用抗生素进行介绍。

杀菌农用抗生素

甲氧基丙烯酸酯类(strobilurins)杀菌剂是非常具有潜力杀真菌农用抗生素。1977年,Anke等人从野生蘑菇Strobilurus tenacellus中分离得到2个该类物质strobilurins A和B,在离体实验中,它们对多种植物病原真菌表现出了显著活性。但在随后的田间试验中,它们并没有表现出预期的活性,其原因是两个化合物对光不稳定。为了寻找对光稳定的抗真菌作用显著的strobilurins类化合物,科学家们对其进行了一系列的结构修饰,保留了先导化合物中活性基团b-甲氧基丙烯酸酯,通过交换与双键结合的苯基、嘧啶基等基团,相继开发出了嘧菌酯(azoxystrobin),污菌酯(trifloxystrobin),唑菌胺酯(pyraclostrobin),醚菌酯(kresoxim-methyl),啶氧菌酯(picoxystrobin),氟嘧菌酯(fluoxastrobin)等多种strobilurins类杀真菌农用抗生素,它们对高等和低等真菌都具有显著的杀菌作用。其作用机理是通过阻止细胞色素b和c1之间的电子传递而抑制线粒体的呼吸作用,并对螨类呼吸链也具有相同水平的电子传递抑制作用[48]。

春雷霉素(kasugamycin)分离自土壤放线菌Streptomyces kasugaensis,它是以盐酸盐形式进行商品化销售,首先在日本上市。其作用机理是抑制了氨酰-tRNA结合mRNA-核糖体蛋白复合体,进而阻止蛋白质翻译的起始。春雷霉素主要作为杀真菌农用抗生素使用,但是对于部分细菌病害也具有很好的作用[49]。

20世纪50年代后期,日本因汞制剂停止生产使用而开始加强农用抗生素的研究。在此背景下,灭瘟素(blasticicdin S)研发成功,用于防治稻瘟病,效果显著,商品名为Blasticidin-S。灭瘟素(blasticidin)链霉菌 Streptomyces griseochromogenes产生,它对多种植物病原真菌和铜绿色假单胞菌Pseudomonas sp.等细菌具有显著的抑制作用,其通过抑制蛋白质合成系统来发挥杀菌作用[48]。除此之外,日本科学家发现灭瘟素还具有抗病毒能力,能强烈抑制烟草花叶病毒(TMV)核酸的合成[50]。

世界范围内应用多抗霉素(polyoxin)类杀菌农用抗生素主要成分为polyoxin B (JMFA)和polyoxorim (BSI,pa ISO)。Polyoxin B分离自土壤链霉菌Streptomyces cacoai varasoensis。Polyoxorim (polyoxin D) 是以其锌盐的形势开发为商品[51]。我国的多抗霉素以多抗霉素B为主要成分的制剂,其作用机理是干扰病原菌细胞壁几丁质的生物合成,芽管和菌丝接触药剂后,局部膨大、破裂、溢出细胞内含物,而不能正常发育,导致死亡。还具有抑制病原菌产孢和病斑扩大的作用。可广泛应用于防治黄瓜霜霉病、白粉病、人参黑斑病、苹果和梨的灰斑病以及水稻纹枯病等许多种真菌性病害[52]。多抗霉素对哺乳动物毒性很小,对病原菌之外的生物几乎没有作用,是一种绿色环保的生物农药。

除此之外,世界各国还研究开发了诸如米多霉素(miliomycin)、纳他霉素(natamycin)、灭粉霉素(mildiomycin)和有效霉素(validamycin)等杀菌农用抗生素。我国研制成功并在生产上推广应用的杀菌农用抗生素主要有:井冈霉素、公主岭霉素、多效霉素、庆丰霉素、农抗120、武夷菌素等10多个品种。井冈霉素于70年代研发成功,目前每年使用面积近1000万公顷,是生产上用于防治水稻纹枯病的主要药剂;农抗120防治瓜果蔬菜和粮食作物的枯萎病、腐烂病、茎枯病、白粉病等有很好的作用。公主岭霉素对禾谷类作物黑穗病、水稻恶苗病、稻曲病防效显著[50]。

杀虫农用抗生素

在杀虫农用抗生素中,阿维菌素无疑是其中最为著名的。阿维菌素是由Streptomyces avermitilis产生的十六元大环内酯类化合物的混合物,其发酵天然产物共有8个组分,维菌素是由阿维链霉菌产生的一类结构相似的混合物,共有8个组分,其中B1 的杀虫活性最高,而毒性最小。目前开发的阿维菌素主要成分为avermectin B1a和avermectin B1b,能够杀灭蚜虫、螨虫、毛虫、蠕虫和多种寄生虫,广泛用于观赏林、棉花、柑橘、坚果、蔬菜和西红柿等作物[51]。其作用靶体为昆虫外周神经系统内的γ-氨基丁酸(GABA)受体。阿维菌素能促进γ-氨基丁酸从神经末梢的释放,增强γ-氨基丁酸与细胞膜上受体的结合,使进入细胞的氯离子增加,细胞膜超极化,从而导致神经信号传递受抑,致使麻痹、死亡。其次,阿维菌素具有高生物活性,对害虫具有触杀和胃毒作用,无内吸性,但有较强的渗透作用。由于哺乳动物以γ-氨基丁酸介导的神经位于中枢神经系统,阿维菌素不容易通过血脑屏障进入中枢神经系统,故而具有高选择性和高安全性,在常用剂量下,对人、畜安全,不伤害天敌,不破坏生态。但是近年来越来越多的研究证实,谷氨酸门控的氯离子通道是阿维菌素更为重要的生理靶标[53]。

多杀霉素(spinosyns)是分离自多刺甘蔗多孢菌Saccharopolyspora spinosa 的杀虫活性化合物。它的商品化有效成分为spinosyn A和spinosyn D的混合物,命名为spinosad (约85% A和15% D)。多杀霉素作用机制独特,它激活烟碱乙酰胆碱受体从而释放出烟碱,延长作用时间,通过刺激害虫的中枢神经系统而导致非功能性的肌肉收缩、衰竭,并伴随颤抖,害虫因长时间的兴奋过度,导致神经肌肉疲劳最终瘫痪死亡。除此之外,多沙霉素还可钝化γ-氨基丁酸(GABA)受体,从而使害虫神经系统过度兴奋,提高杀虫活性。多沙霉素对鳞翅目、双翅目和缨翅目害虫具有显著的杀虫活性,对鞘翅目、直翅目、等翅目等特定种类害虫也有一定作用,但对刺吸式口器害虫和螨虫防效不理想[54]。多沙霉素对哺乳动物和鸟类细胞毒性很低,但对鱼类有轻微毒性,对蜜蜂有较强的毒性。多沙霉素是以水性悬浮剂形式出售,当期干燥时,毒性将消失,并且分解十分迅速。土壤表面的残留在光照条件下会快速分解,而处于土壤下层的残留会被微生物迅速分解[55]。

米尔贝霉素(milbemectins)是从吸水链霉菌属金泪亚种(Streptomyce hygroscopicussubsp. aureolacrimosus)发酵产物中提取的一类十六元大环内酯混合物,以milbemycin A3 and milbemycin A4按3:7的比例存在[51]。米尔贝霉素杀虫谱较广,对多种蚜虫、毛虫、螨虫和肠道寄生虫均具有较好的防治效果。其作为杀虫抗生素已在日本、欧美等多个国家登记,有乳剂、悬浮剂和可湿性粉剂等剂型,并且作为安全、高效、对环境友好的杀虫杀螨剂,已被美国环保局推荐使用。米尔贝霉素作用原理是刺激神经末梢释放GABA,促进其与抑制性运动神经元的突出后膜相结合,引起谷氨酸门控的Cl-通道的开放,从而使Cl-内流增加,带负电荷Cl-引起神经元休止电位超级化,使正常的动作电位不能释放,导致昆虫麻痹死亡[56]。

随着环保意识的增强,杀虫农用抗生素作为一类高效、低毒、低残留、对环境无公害的生物农药,具有十分广阔的发展潜力,必将产生显著的社会、经济和生态效应。因此,加快杀虫农用抗生素的开发产业化及推广应用具有十分重要的意义。

除草农用抗生素

除草农用抗生素近年来得到广泛研究,其具有以下优点:首先,化学结构新颖,一般为化学合成难以发现的潜在的新型植物毒性化合物;其次,与活性微生物除草剂相比,更易储存、利于剂型加工、使用方便且受环境干扰较小;第三,一般为多靶标作用位点和方式,不容易引起杂草抗性的产生;第四,易于在环境中降解,大多对哺乳动物低毒,对非靶标生物较安全;最后,开发和登记等费用低。

最为著名的除草农用抗生素是第一个开发成商品除草剂的双丙氨膦 (Bilanafos)。它是20世纪80年代初由日本明治制果公司研发的,最初是从土壤链霉菌产生的一种有机磷三肽化合物。双丙氨膦是谷酰胺合成酶抑制剂,可引起氨的积累,抑制光合作用过程中的光合磷酸化作用,从而起到除草作用。双丙氨膦本身并不直接起作用,必须被靶标植物代谢成为膦化麦黄酮(phosphinothricin)后才产生活性,广泛用于防除一年生和多年生禾本科杂草及阔叶杂草[57]。

从以上介绍来看,微生物农药虽然存在一些局限性,但由于其资源易得、安全、环保、长效、无残留等优点,在我国经济可持续发展和国家大力发展绿色农业的大背景下,加大微生物农药的研究,对于我国农产品的安全性和出口农产品提供保障具有十分重要的意义。

来源:绿色农业科技

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