生物农药的研究与利用

摘    要：　指出了生物农药主要包括植物源农药、动物源农药和微生物源农药。对生物类农药的发展现状和生物农药的研究与利用进行了综述, 并对我国生物农药的发展前景进行了展望。

　　关键词：　生物农药; 病、虫、草害; 无公害防治;

　　Abstract：　There are three kinds of biological pesticides, including botanical pesticides, animal pesticides and microbial pesticides.The current situation, research status and utilization of biological pesticides were reviewed.The prospect for the development of biological pesticides in China was forecasted.

　　Keyword：　biological pesticides; diseases; insects; grass damage; pollution-free prevention;

　　1 引言

　　农药对于现代农业来说十分重要, 在防治农作物病、虫、草害, 保证农作物正常生长, 提高单位面积产量等方面均起着举足轻重的作用。从当前发展状况来看, 化学类农药具有种类多、见效快、价格便宜等优势, 因此, 在农业生产中的病虫害防治方面, 除少数试点生态农业区和试验田使用生物农药以外, 绝大多数区域仍主要使用化学类农药。但长期化学类农药的滥用所造成的环境污染已经危及田间许多有益生物, 同时也已严重威胁到人类健康甚至生命。此外, 由于部分化学类农药的过度使用已经导致部分害虫产生了耐药性, 从而更加猖獗。所幸的是, 这一领域已经引起了社会的广泛关注, 尤其近些年, 随着人们的健康意识、环保意识及食品安全意识的日益增强, 化学类农药生产及应用在全球范围内正普遍被限制甚至被淘汰, 这恰巧为生物农药的发展提供了广阔的空间。

　　2 生物农药的概念及发展史

　　2.1 生物农药的概念

　　生物类农药 (biological pesticides) , 简称生物农药, 与传统化学类农药迥然不同, 其涵义十分广泛。然而, 早期生物农药的范畴却仅限于“微生物农药”[1]。后来, 其概念逐步得到了延伸和扩展, 即凡用作农药的微生物制剂、天然生理活性物质 (包括动物和植物产生的) 都属于生物类农药。联合国粮农组织 (FAO) 给出的定义认为:生物害虫控制剂 (biological pest control agents) , 包括生物化学类农药和微生物类农药。在《中国农业百科全书》 (农药类) 中, 生物农药则被定义为应用生物类资源开发的农药。狭义的生物农药是指由生物直接产生的天然活性物质或直接将生物活体本身用作农药;而广义的生物农药除此之外还应包括根据天然活性物质的结构或其类似结构、衍生结构等经人工合成的农业药剂。

　　随着生命科学的飞速发展, 生物农药的概念也被赋予了新的涵义, 英国作物保护委员会按来源将生物农药分作五类, 即微生物、植物、动物与农药相关基因也被补充进来。美国环保署农药部 (EPA) 却将生物农药分作三类, 其中有一类是植物农药 (Plant-pesticides) , 即将被用作药物的蛋白基因转入植物体内, 其表达产物便是目的农药, 也被称作转基因植物农药, 从而进一步拓展了生物农药的概念。2001年中国农业部综合了当时不同定义进一步明确了生物农药的概念, 加强了我国生物农药的管理工作。综上所述, 无论如何定义, 生物农药实质应是活体生物本身或来自于生物的生物活性物质。生物农药与传统化学农药区别的关键就在于有无化学类结构, 是否来源于生物体。由此可见, 生物农药相对科学、确切的定义应该是:可用来杀灭或抑制病、虫、草等有害生物的生物类药剂, 包括活体生物本身及可作为“农药”的且来源于生物的各种生物活性物质 (换言之, 这些物质既要具有作为“农药”的生物活性, 更要在生产、加工、使用及对环境的安全性等方面符合有关“农药”的法规) 。

　　2.2 生物农药的发展史

　　生物农药有着悠久的发展历史。在我国, 早在2000多年前就有应用, 《周礼·秋官》中就有“焚牡菊, 以灰洒之”、“莽草熏之”等防治有害生物的记载;在古罗马, 人们很早就知晓用藜芦来防治昆虫和忍鼠等有害生物。19世纪以后, 用于防治有害物生物类物质的开发和应用已逐渐步入科学试验阶段, 例如除虫菊酯、鱼藤酮、烟碱等的应用。到了20世纪前期, 微生物学迅速发展, 尤其是苏云金杆菌 (Bacillus thuringiensis, Bt) 的发现, 极大地促进了微生物类农药的开发和应用。而20世纪30年代以后, 由于几类内源性植物激素的相继发现, 加之40年代有机合成和化学农药出现, 在一定程度上阻碍了生物农药的发展。尽管如此, 基于B.popi、Bt的产品仍旧在美国顺利上市。而到了20世纪60年代, 化学类农药的弊端逐渐凸显出来, 生物类农药又重新受到人们的重视。尤其是最近几十年, 生物类农药的发展相当迅速, 利用生物类农药进行植物病、虫、草害的防治也取得了很多成功[2,3,4,5,6,7,8]。在世纪之交, 植物类农药 (也称转基因植物农药) 等相继出现, 又一次将生物农药的研究推向高潮。相信在不远的将来, 生物农药有望替代或很大程度上替代传统化学农药。

　　3 生物农药的研究与利用

　　3.1 植物源农药

　　3.1.1 植物源生物活性物质类农药

　　目前此类农药越来越多, 主要包括植物源毒素, 即植物本身产生的能杀灭或有效抑制害虫等有害生物 (例如使害虫拒食、抑制害虫生长发育等) 的生物活性物质;植物内源性激素类, 如乙烯、细胞分裂素、赤霉素、芸苔素内酯、脱落酸等;植物来源的昆虫激素, 如早熟素等;异株克生类物质 (即由植物体产生的能抑制周围其他生物生长的物质) ;防卫素类, 如豌豆素等。

　　植物源杀虫剂方面研究成果并不多。就杀虫有效成分而言, 植物源杀虫剂主要有生物碱类、萜烯类、萘醌类、黄酮类, 甾类等[9,10]。这些物质对昆虫具有毒杀、使其拒食、引诱、驱避、使其绝育、抑制其生长发育等作用。田新湖等的研究表明, 鱼藤酮等能有效防治茶假眼小绿叶蝉[2];周顺玉等研究发现, 鱼藤酮、藜芦对茶尺蠖和茶毛虫具有很好的防效[8]。对于植物源杀菌剂, 尽管很多植物都有可能作为杀菌剂, 但开发出来的产品不多。这可能主要是因为, 此类杀菌剂往往是在植物体内中间多谢过程中产生的, 而当人们研究植物源杀菌剂化学成分时, 通常过分强调中间代谢物或植物抗毒素本身, 而这些物质则是植物在接触相应病原体以后才在体内合成并积累的。而且, 大多数情况下, 这类杀菌剂只有在离体后方才有效, 另外, 此类杀菌剂在发挥作用时通常会伴随着发生植物药害, 同时还难以重复[11]。关于植物源除草剂, 有报道称具有除草活性的植物大约有100多种, 而且, 从许多植物中分离出了的具有除草活性的生物活性物质已有100余种, 主要有肉桂酸、醌酚类、香豆素类等, 其中有些已被开发为除草剂, 其中, 从万寿菊中提取的α-三噻吩等植物源农药是除草效果最好的实例之一[11];此外, 张玲敏等研究发现, α-三噻吩能通过抑制相应酶活力有效抑制白纹伊蚊幼虫的生长发育[12]。

　　3.1.2 植物体农药

　　植物体农药是利用植物本身作为载体, 经基因修饰或改造后获得的可用作农药的重组体。据统计, 自1983年转基因植物问世以来。至今已成功开发出500余种转基因植物, 并已经过田间试验, 在商业生产应用中已获得批准的大约有90余种, 其中除草剂和抗病虫方面约占80%[13]。

　　目前, 具有抗虫作用的基因不多, 主要有Bt蛋白基因、淀粉酶抑制基因、蛋白酶抑制剂基因以及几丁质酶基因等。而抗病类转基因植物也取得了一些成果, 例如, 目前已成功开发出抗叶锈病转基因小麦[14,15]。

　　3.2 动物源农药

　　3.2.1 动物源生物活性物质类农药

　　动物源生物活性物质类农药主要用于害虫的防治, 包括动物毒素、昆虫激素、昆虫信息素等。此类农药最常见的为昆虫性信息素类。据统计, 全世界现已合成昆虫性信息素1 000多种, 已商品化的有280多种。目前, 在对蚜虫的报警信息素[16]、花蓟马的聚集信息素[17], 大豆食心虫和甜菜夜蛾性信息素[18,19]等方面已经取得了较大的成果。动物源毒素是在动物体内合成的、能有效杀灭或抑制有害生物的成分。目前, 研究较多的动物有蜘蛛、黄蜂等。

　　3.2.2 动物体农药

　　动物体农药主要是指通过施放并以寄生于有害生物的的方式或以捕食有害生物的方式而起防治作用的动物体。主要包括商品化的天敌昆虫、捕食螨以及采用各类技术改造的天敌类动物等。目前, 在国际上大约有130余种天敌动物已经商业化生产, 主要包括丽蚜金小蜂、赤眼峰、瓢虫、草蛉、小花蝽、螳螂、捕食螨等。另外, 值得一提的是, 随着基因工程等的发展, 抗药性或不育性基因的转基因的研究、高能辐射导致雄虫不育的研究等也取得了一些成果[21]。广义上讲, 这些均属于动物体农药。

　　3.3 微生物农药

　　3.3.1 微生物源生物活性物质类农药

　　微生物源生物活性物质类农药是指由微生物合成的各类抗生素及毒素等, 例如赤霉素、井冈霉素、梅岭霉素、双丙氨磷等, 对相应植物病、虫、草害等有很好的防治效果。自20世纪80年代发现一种被称作粗皮侧耳菌的真菌的菌丝能产生相应毒素以杀灭线虫以来, 已经发现90多种能产生杀灭线虫毒素的真菌, 包括子囊菌、担子菌等[22]。此外, 蔡良勇等发现喷洒适量的赤霉素促进烟叶生长[23];杨媚等的研究表明, 井冈霉素能有效抑制水稻纹枯病菌的生长发育[24]。

　　3.3.2 微生物体农药

　　微生物体农药是指用来防治有害生物的活体微生物。细菌类微生物体农药制剂主要有Bt (苏云金杆菌) 、亚宝 (枯草杆菌) 、力宝 (假单胞杆菌) 、增产菌 (蜡状芽孢杆菌) 等。真菌类微生物体农药制剂主要有白僵菌 (广谱型, 主要用于防治农、林、果类中的30余种有害生物) 、绿僵菌 (用于地下害虫的防治) 、淡紫拟青霉 (用于线虫的防治) 、毒力虫霉 (用于蚜虫的防治) 、蜡蚧轮技菌 (用于桃蚜、白粉虱的防治) 等。最近, 昆虫饲养自动化技术进展很快, 病毒离体生产工艺不断开发, 使病毒杀虫剂重新受到重视, 特别是核多角体病毒 (NPV) 。昆虫的寄生性线虫主要集中在小杆总科内, 其研究的重点是斯氏线虫和异小杆线虫。这些线虫主要是其体内携带的共生细菌导致昆虫致病死亡, 同时线虫也分泌一些抑制昆虫免疫系统的活性物质。原生动物中, 主要是利用微孢子虫来防治害虫和杂草, 并有产品问世。微生物体农药研究的范围很广, 近年来, 新一代重组真菌、重组孢子虫等均在研究之中, 并且研究开发成果显着。

　　4 生物农药的发展前景

　　在我国, 生物农药的发展应集中于植物类农药和微生物类农药。目前, 微生物类农药尤其是Bt, 发展相当迅速, Bt研究得较为清楚, 而且其丰富的资源, 便捷的工业化生产线, 与其他生物类农药配合使用时超强的协同效应, 都为其快速发展提供了充足的条件。而且, 现已研制出在农作物、森林 (包括市区园林) 等的主要有害生物防治方面Bt相关产品, 对水稻、棉花、蔬菜等农作物及经济林、果园等的主要害虫的杀灭潜力日益凸显。因此, 从Bt出发, 研发新型低毒、高效、廉价杀虫制剂具有十分重要的实践意义。

　　植物本身就是农药的重要来源。在我国, 植物类农药的研发同样具有特别重要的意义。植物的种类繁多, 其体内各类反应过程十分复杂。某一种有杀虫潜力的植物含有用于杀虫的物质有很多种, 不同杀虫成分的杀虫方式又各不相同, 即便同一杀虫方式, 其杀虫成分也有区别。因此, 植物类农药具有十分广阔的研究前景。我国拥有丰富的植物资源, 植物种类在10万种以上, 然而大部分植物中用于生物防治的活性成分与其构效关系的研究相当不足, 同时, 在结构的修饰和仿生合成等方面的创新性成果也不多, 这与我国植物类农药研究的科技力量薄弱、经费不足等有很大关系。因此, 今后我国在这一领域应注重科研队伍建设, 加大资金投入, 调整研究策略 (例如提倡剂型多样化等) , 努力在该领域取得新的突破。

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