1 生物防治
生物防治这门科学的产生从利用天敌防治有害生物开始。1888年,美国加州从澳大利亚引进澳洲瓢虫控制吹绵蚧取得了极大的成功,轰动国际昆虫学领域,由此开创了传统生物防治科学的新纪元。自此100多年来的发展,生物防治已在理论上和方法上成为具有较完整的基础理论体系和方法学的学科[1]。
1919年,Ｓｍｉｔｈ正式提出:通过扑食性、寄生性天敌昆虫及病原菌的引入增殖和扩散来压制另一种害虫的传统生物防治概念。1948年,Ｄｅｂａｃｈ从应用生态学观点出发将其引申为:寄生性、扑食性天敌或病原菌使另一种生物的种群密度保持在比缺乏天敌时的平均密度更低的水平上。1987年,美国国家科学院将生物防治的定义扩大为:利用自然的或经过改造的生物、基因或基因产物来减少有害生物的作用,使其有利于有益生物如作物、树木、动物和益虫及微生物[1]。
生物农药(ｂｉｏｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓ)是利用生物活体或者其代谢产物对有害生物进行防治的一类制剂,是生物防治的物质基础和重要手段[2]。生物农药包括生物体农药(ｏｒｇａｎｉｓｍｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓ)和生物化学农药(ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓ)。生物体农药指用来防除病、虫、草等有害生物的商品活体生物。生物化学农药是指从生物体中分离出的、具有一定化学结构的、对有害生物有控制作用的生物活性物质,该物质若可人工合成,则合成物结构必须与天然物质完全相同(但允许所含异构体在比例上的差异)。生物农药的种类较多,如按开发对象和来源分类,生物体农药可分为动物体农药(ｚｏｉｃｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓ),植物体农药(ｂｏｔａｎｉｃａｌｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓ)和微生物体农药(ｍｉｃｒｏｂｉａｌｐｅｓｔｉ ｃｉｄｅｓ);生物化学农药可分为植物源生物化学农药(ｂｏｔａｎｉｃｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓ),动物源生物化学农药(ｚｏｉｃｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓ)和微生物源生物化学农药(ｍｉｃｒｏｂｉａｌｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｅｓ ｔｉｃｉｄｅｓ)[3]。
2 微生物源农药
微生物农药具有开发利用途径多,不易产生抗性等特点。例如我国20世纪70年代研究生产的井冈霉素,具有高效、长效、安全、价廉等特点,25年来一直是控制水稻纹枯病的首选农药品种[4]。此外还具有下列优点:种类繁多,研发的选择余地大;对环境安全,无公害,无残留;专一性强,活性高,生产成本低,发酵工艺简单;对非靶标生物安全。
2.1 细菌类生物农药
拮抗细菌生防制剂的研究趋于活跃,主要用于防治植物土传病害,在全国的应用面积已超过亿亩[4]。细菌类100多种生物农药中苏云金杆菌(Ｂａｃｉｌｌｕｓｔｈｕｒｉｎｇｉｅｒｓｉｓ,Ｂ.ｔ.)是目前世界上用途最广,应用最成功的生物杀虫剂,占生防制剂总量90%以上。苏云金杆菌可防治棉铃虫、小菜蛾、松毛虫、玉米螟、菜青虫、烟青虫等20多种害虫,经济效益和社会效益显著,年产量达3万ｔ左右,年防治面积达300万ｈｍ2。目前国内外Ｂ.ｔ.发酵工艺多采用液体深层发酵(张立萍,2000)。我国也有通过固体浅层发酵方式大规模开放式生产(康卓,2001)[5]。技术采用发酵后处理工艺,共有4点创新:
①采用高毒菌种发酵;
②引入高产培养基;
③全部助剂均为天然可代谢物质,保证产品的残毒为零;
④低温浓缩技术(已申报发明专利)能耗降低50%以上,设备投资降低30%[6]。
张文[7]最近报道了从类产碱假单孢菌分离纯化出一种杀虫物质即一种胞外蛋白,对竹蝗、稻蝗等具极强的感染致死作用。除以上提到的杀虫细菌外,还有球形芽孢杆菌(Ｂ.ｓｐｈａｅｒｉｃｕｓ)、金龟子芽孢杆菌(Ｂ.ｐａｐｉｌｌｉａｅ)、蜡状芽孢杆菌(Ｂ.ｃｅｒｅｕｓ)和幼虫芽孢杆菌(Ｂ.ｌａｒｖａｅ)等[8]。
细菌中还有许多含抗菌物质。如在芽孢杆菌产生的抗菌肽中,多数抗细菌,少数抗真菌。Ｗａｋａｙａｍａ[9]等从蜡状芽孢杆菌(Ｂ.ｃｅｒｅｕｓ)中纯化出一种抗真菌环状多肽Ｍｙｃｏｃｅｒｉｎ,其抑菌谱广,活力强,能同时对丝状真菌和酵母起作用,且耐热性和稳定性好。裴炎等[10]最新报道从蜡状芽孢杆菌Ｓ 1菌中分离出抗真菌多肽ＡＰＳ 1环状多肽,浓度为2μｇ/ｍｌ即可抑制黑曲霉和瓜果腐霉。另一经常报道的抗菌细菌为枯草芽孢杆菌(Ｂ.ｓｕｂｔｉｌｉｓ),如刘殷等[11]从枯草芽孢杆菌中分离出抗真菌肤ＬＰ 1,为一种广谱抗真菌小肽,对瓜果腐霉病菌(ｐｙｔｈｉｕｍａｐｈａｎｉｄｅｒｍａｔｕｍ)、玉蜀黍赤霉病菌(Ｇｉｂｂｅｒｅｌｌａｚｅａｅ)、长柄链格孢(Ａｌｔｅｒｎａｒｉａｌｏｎｇｉｐｅｓ)和水稻稻梨孢(Ｐｙｒｉｃｕｌｏｒｉａｏ ｒｙｚａｅ)等有很强的抑制作用。孔建等[12]报道枯草芽孢杆菌Ｂ 903产生一种耐高温抗菌物质,有广泛的抑菌谱,包括土传镰刀菌(Ｆｕｓａｒｉｕｍａｘｙｓｐｏｒｉｕｍ)、气传植物病原菌如苹果轮纹病(Ｐｈｙｓａｌｏｓｐｏｒａｐｉｒｉｃｏｌａ)、番茄早疫病(Ａｌｔｅｒｎａｒｉａｓｏｌａｎｉ)和韧皮部病菌。近年来多肽类抗生素的研究日益受到重视,研究的进一步发展可通过基因定点突变技术对其分子结构进行修饰,以提高其活性。如Ｃｈｅｎ等[13]采用该技术修饰抗菌肽Ｍａｇａｌ ｎｉｎ2,使其活性提高了100倍,既方便,成本又低。
细菌中的非病原根瘤菌(Ｎｏｎｐａｔｈｏｇｅｎｉｃｒｈｉｚｏｂａｃｔｅｒｉａ)可作为植物激活剂诱导植物系统获得抗性(Ｒｈｉｚｏｂａｃｔｅｒｉａ ｍｅｄｉａｔｅｄｉｎｄｕｃｅｄｓｙｓｔｅｍｉｃｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ,ＩＳＲ)[14],它的作用结果与病原诱导的植物系统获得抗性(Ｓｙｓｔｅｍｉｃａｃｑｕｉｒｅｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ,ＳＡＲ)类似,可抵抗真菌、细菌和病毒,保护植物免受疫病危害。不同的细菌种类诱导不同的植物产生ＩＳＲ。ＩＳＲ的作用机制正在研究中。利用细菌进行植病生防往往受光照影响较大[15]。
2.2 真菌类生物农药
目前,在害虫的生物防治方面,真菌是研究、生产和应用最多的生物类群之一[16]。真菌类生物农药主要是生真菌,目前在世界上记载的约有100属,800多种,大部分是兼性或专性病原体。黄运霞等对从活虫体样品中分离虫生真菌进行了探索性研究表明,活虫样品的虫生真菌平均检出率为8.9%[17]。半知菌亚门集中了大约50%的杀虫真菌如白僵菌属(Ｂｅａｕｚｅｒｉａ)、绿僵菌属(Ｍｅｔａｒｈｉｚｉｕｍ)、被毛孢属(Ｈｉｒｓｕｔｅｌｌａ)、穗霉属(Ｎｏｍｕｒａｅａ)、拟青霉属(Ｐａｅ ｃｉｌｏｍｙｃｅｓ)、轮枝霉属(Ｖｅｒｔｉｃｉｌｌｉｕｍ)、棒孢霉属(ＣｕｌｉｎｏｍＸｅｓ)等。其中白僵菌应用最为广泛[16]。目前,科研生产中最常用的分离方法还是僵虫法,采用该法易于获得高毒力菌株[18]。利用选择性培养基可直接从土壤中快速分离白僵菌等微生物[19]。近年来绿僵霉[Ｍｅｔａｒｈｉｚｉｕｍ(Ｍｅｔｓｃｈ)Ｓｏｒｏｋｉｎ]研究广泛,全世界约有200多种昆虫被这种真菌感染致死。和白僵菌一样,它致病力强,效果好,对人、畜、作物无毒,因而具有广阔的应用前景。绿僵菌在生长过程中会产生一系列的“环状六肽毒素”(Ｃｙｃｌｉｈｅｘａｐｅｔｉｄｅｔｏｘｉｎｓ),Ｓａｍｕｅｌｓ等[20]发现,把此类混合物注人Ｍａｎｄａｃａｓｅｘｔａ的五龄幼虫体内,立刻引起虫体瘫痪及肌肉松驰。然而,和其他真菌杀虫剂一样,它的致死时间比化学杀虫剂长,因而影响了效果发挥。为解决这一问题,国外正在对绿僵菌的入侵机理进行深入研究。如Ｌｅｇｅｒ等[10]经克隆得到编码与绿僵菌致病有关的Ｐｒｌ(Ｃｈｙｍｏｅｌａｓ ｔａｓｅ)的基因,Ｐｒｌ预处理昆虫表皮后可增强随后的几丁质酶活性。绿僵菌对寄主的入侵机理相当复杂,需要进一步深人细致的研究。真菌杀虫剂的研究在我国有较长历史,对制剂的安全性、防治松毛虫和玉米螟等研究都做了大量工作,但工业化生产技术至今未解决,因而始终没有正式商品问世。
2.3 放线菌类生物农药
放线菌中的链霉素有许多用于生产杀虫抗生素,于1976年发现,不仅对线虫,而且对螨类、鳞翅目、直翅目、双翅目等害虫也有杀灭作用(Ｅｇｅｒｔｏｎ,1979)。最近发现的如刺糖菌素是由多刺糖多孢菌(Ｓａｃｃｈａｒｏｐｏｌｙｓｐｏｒａｓｐｉｎｏｓａ)产生的次生代谢产物(李荣贵,2003)[21],多刺糖多孢菌是一种新型的放线菌,它是由一位化学家在加勒比海度假时从一个废弃的甘蔗甜酒厂附近土壤中分离得到的,通过对其发酵液的抗蚊虫幼虫活性测定发现了刺糖菌素。由美国ｄｏｗＡｇｒｏｓｃｉｅｎｃｅｓＣｏｍｐａｎｙ生产的2.5%悬浮剂(商品名:菜喜)和58%悬浮剂(商品名:催杀)已获得我国农药的临时登记。主要防治鳞翅目害虫。其他如春雷霉素、井冈霉素、中生霉素、农抗120等。放线菌中的链霉素有许多用于生产杀虫抗生素,仅我国就研制了杀蚜素(Ｓｈａｙａｓｕ)韶、关霉素(Ｓｈａｏｇｕａｒｕｎｅｉｓｕ)、浏阳霉素(Ｌｉｕｙａｎｇｍｅｉｕｓ)、南昌霉素(Ｎａｎ ｃｈａｎｇｍｅｉｓｕ)等[8]。最著名的为阿维菌素(Ａｖｅｒｍｅｃｔｉｎｓ,简称Ａｖｍ),已于1976年由美国Ｍｅｒｃｋ公司研究人员在日本Ｋｉ ｔａｓａｔｏ研究所提供的Ｓｔｒｅｐｔｏｍｘｅｓａｖｅｒｍｉｔｉｌｉｓ发酵中发现。Ａｖｍ是一种杀消化道线虫和外寄生虫的高效广谱驱虫剂。它不仅对线虫而且对蜱螨类(Ａｃａｒｉｎａ)、甲虫类(Ｃｏｌｅｏｐｔｅｒａ)及磷翅目(Ｌｅｐｉｄｏｐｔｅｒａ)、直翅目(Ｏｒｔｈｏｐｔｅｒａ)、双翅目(Ｄｉｐｔｅｒａ)和膜翅目(Ｈｙｍｅｎｏｐｔｅｒａ)害虫也有杀灭作用。近年来在这方面的研究主要集中在以该化合物为先导化合物合成新的化合物,从中新发现双氢阿维菌素(Ｉｖｅｒｍｅｃｔｉｎ),性能优于阿维菌素,并已商品化[22]。
链霉菌作为农用抗生素杀菌有应用广泛。如我国的井冈霉素(Ｊｉｎｇｇａｎｇｍｅｉｓｕ)、农抗120(Ｎｏｎｇｋａｎｇ120)、赤霉素(Ｇｉｂ ｂｅｒｅｌｌｉｎ)、春雷霉素(Ｋａｓｕｇａｍｙｃｉｎ)、中生霉素(Ｚｈｏｎｇｓｈｅｎｇｍｅｉｓｕ)等[23],对植物细菌性病害及某些真菌性病害有很好的防治效果。国外报道的抗菌素有:ＢｌａｓｔｉｃｉｄｉｎＳ,Ｐｏｌｙｏｘｉｎ,Ｍｉｌｄｉｅｍｙｃｉｎ等[24]。
迄今已发现能抑制作物病原菌的放线菌素28种,其中13种已商品化生产,2种正处于试产阶段[25]。
微生物体农药的研究并不只局限于原微生物的分离和人工培养。自20世纪90年代以来,新一代重组微生物的研究和开发成果显著。重组微生物是指利用基因工程技术修饰微生物本身基因,以提高其对害虫的感染力,或与异源病毒重组以扩大寄主范围,或将外源激素、酶和毒素基因导入杆状病毒基因组以增强其致病作用(张兴,2002)。目前,国外已有不少新型微生物农药投入市场,如采用质粒修饰与交换技术开发的新型Ｂｔ杀虫剂Ｆｏｉｌ、ｃｏｎｄｏｒ和ｃｕｅｌｅｓｓ,利用基因转移与“生物微囊”技术开发的杀虫剂荧光假单孢菌制剂ＭＶＰ、Ｍ Ｔｒａｋ、Ｍ Ｐｅｒｉｌ等(叶纪明,刘绍仁等1999)[26]。随着该研究的深入发展,也有可能产生重组真菌、重组线虫、重组微孢子虫,这些重组微生物农药均属于生物体农药(张兴,2002)。但重组微生物也存在着与植物体农药相同的潜在隐患———基因污染,因此对其研究和应用也应慎重。
3 问题与展望
我国生物农药研究开发工作从20世纪50年代末开始起步,从菌种引进、自然筛选、工业化生产、产品质量标准、大田应用推广,经过长时间的淘汰筛选,已经形成一批各具特色的科研单位,研制的产品也纷纷上市。但是生物农药并没有被广泛地应用到植物保护生产中。目前我国的植物病虫害防治的现状是化学农药为主,生防农药为辅的防治模式,微生物农药在农药领域的份额仅占1%。分析原因,主要表现在以下几个方面:
①微生物农药产生药效慢,没有化学农药见效快,病虫害一扫光的气势。
②微生物农药药效不稳定,易受环境的影响,在不适宜的环境中,容易降低防效。
③我国微生物农药生产工艺落后,生产成本高,剂型单一,质量不稳定,没有达到物美价廉的档次。
④环境保护和可持续发展的宣传不到位,农户没有意识到环境污染的严重性。
生物农药种类繁多,研究领域广,我国在生物农药科研方面的投入与国外各大农药公司相比要少得多。因此,我国的生物农药研究和开发要根据现有的基础和优势有针对性发展。微生物体及寄生类天敌应作为生物农药的主要研究对象;昆虫性信息素应是动物源生物化学农药发展的重点;微生物源生物化学农药发展的侧重点应是抗生素;植物源生物化学农药开发费用低,材料易得,开发途径好,效果好,作用机理特殊,应充分重视。
参考文献 略
