生物农药研究进展

生物农药研究进展由于控制全球化合物生物积聚的呼吁越来越强烈、新化学农药开发耗资巨大和周期延长、农业害虫对化学农药抗药性日益增强，以及生物技术飞速发展带来的冲击,当今农药研究、开发和生产应用等正面临选择方向挑战，生物农药以其独特的优势迎来了新的发展机遇。1生物农药的发展在农药的发展历史中,生物农药是最古老的一类。《周礼·秋官》就有“莽草熏之”“焚牡菊，以灰洒之”等防治害虫的记述;古罗马也有使用藜芦防治忍鼠类和昆虫的民间传说。19世纪以来,开发应用生物成分防治有害物逐渐从以经验上升到科学试验阶段，如除虫菊、鱼藤和烟草的应用。20世纪早期,微生物学的发展，特别是苏云金杆菌(Bacillusthuringiensis，以下简称Bt)的发现促进了微生物农药的开发。20世纪30年代以来，几类植物内源激素先后被发现和利用，20世纪40年代后，由于有机合成化学农药的发展,使生物成分农药的研究开发被相对忽视而发展缓慢，这段时期基于B.popillae、Bt的产品在美国上市.20世纪60年代，化学农药的弊端暴露出来,生物农药的研究又受到重视.在最近的几十年中，生物农药得到了长足发展，如农用抗生素、活体微生物农药等[15,30]。20世纪末，植物农药(或转基因植物农药)等的出现,极大丰富了生物农药的内容。2　生物农药的内涵不同学者、不同机构、组织对生物农药的内涵意见不同。过去，生物农药就是指“微生物农药”。后来，其概念发展为“相对于化学农药而言的天然资源的生理活性物质，用于农药的有微生物、植物(除)虫菊”、菸碱等)、昆虫(性引诱剂、变态激素等)”[11]。FAO(中文名称)(1988)将其定义为生物害物控制剂(Biologicalpestcontrolagents)，包括生物化学农药和微生物农药，将传统的鱼藤酮、烟碱等具有直接毒性的物质排除在生物农药之外。《中国农业百科全书———农药类》中生物农药(biogenicpesticides)是指利用生物资源开发的农药；狭义概念，指直接利用生物产生的天然活性物质或生物活体作为农药；广义概念，还包括按天然物质的化学结构或类似衍生结构人工合成的农药。随着科技的发展,生物农药的内涵发生了巨大变化,英国作物保护委员会根据来源将生物农药分为五类,来自微生物、植物、动物的相关基因也包括在内。美国环保署农药部(EPA)将生物农药(Bio-pesticides)分为三大类，其中一类为植物农药(Plant-pesticides)或转基因植物农药———将基因植入植物体内的农药，使得生物农药的概念进一步地得到延伸。2001年农业部参考FAO和EPA的定义界定了生物农药的内涵，加强了我国生物农药的管理工作。在这些定义中,完全仿生物合成的化合物、人工合成与天然产物相同的化合物、人工合成的衍生物(如烯虫酯、米满等)、转基因植物，以及鱼藤酮、烟碱等具有直接毒性的天然产物农药的归属存在分歧。笔者认为，张兴等(2002)对生物农药内涵的界定较为科学。8 生物农药是可以用来防治病、虫、草等有害生物的生物体本身及源于生物，并可作为“农药”的各种生理活性物质.在对概念范畴界定时,将完全仿生物合成的农药、人工合成的相同化合物(天然产物)、转基因植物以及鱼藤酮、烟碱等具有直接毒性的天然产物农药列为生物农药；而人工合成的衍生物(如烯虫酯、米满等)不属生物农药。3　生物农药的研究与利用生物农药的研究和利用，前人从不同侧面有过精彩的论述，以下按来源对生物农药进行概述。3.1　植物源农药概述据统计，全世界至少有25万种不同植物，而在化学性质上进行过调查研究的仅占10%,作为农药研究的更少。1959年版的《中国土农药志》就包括220种植物农药[13]。植物源农药包括植物体内的次生代谢物质和转基因植物农药[4]。1977年就报道，植物中次生代谢物质超过40万种；主要有糖苷类、萘酮类、酚类、萜烯类、生物碱类、甾类、黄酮类、香豆素类、异丁基酚胺类、蛋白质类、酸类、噻吩类等化合物[2，4，20]。3.1.1　植物源杀虫剂Grainge和Ahmed(1988)报道，约有2400种植物具有控制害虫的生物活性，我国对杀虫植物研究也取得相当大的成就[4，13，19，24]。植物杀虫有效成份主要是生物碱类、萜烯类、萘醌类、黄酮类，甾类等[20，22，24]；对昆虫具有毒杀、拒食、引诱、驱避、绝育、调节昆虫发育等作用[3，4，20，23]。生物碱类是植物中最毒的成份[20]，对昆虫具有毒杀、拒食和抗生活性，主要有烟碱、百部碱、藜芦碱、苦参碱、喜树碱、次喜树碱、乌头碱等，多数已在我国登记[56]；在国外，烟碱、藜芦碱、尼鱼丁等很早就已使用[6，22]。萜烯类主要具有拒食、内吸、毒杀、麻醉、忌避及一定的生长抑制作用，代表性的有川楝素、印楝素、苦皮藤素、闹羊花素Ⅲ等[20]，此外还有茶皂素。国外印楝素已商品化，国内川楝素、印楝素、苦皮藤素、茶皂素等已商品化。萘醌和黄酮类广泛存在于植物中，对昆虫表现为拒食和抗生作用[20]，代表性种类有胡桃醌[20]、类鱼藤酮、鱼藤酮[6]、苦参素等；后两种在我国已商品化。甾类具有拒食、毒杀和抗生作用，主要有Nic-1和Nic-2，及植物质蜕皮酮、羊角扭总甙[20]。羊角扭总甙已在我国实用化。光活化毒素和植物精油是植物源杀虫剂中两类独特的成份.光活化毒素在光照下对害虫的杀伤力成几倍甚至上千倍的提高，是具有发展前景的一类物质。植物精油是一类分子量较小的植物次生代谢物质，主要分为萜烯类、芳香族类、脂肪族类和含氮含硫化合物，主要对昆虫具有驱避或引诱、拒食、抑制生长发育、毒杀等作用。茴芹油、香茅油、桉树油、天竺葵油、茉莉油、柠檬草油、桔油等已在美国商品化，国内商品化种类极少。3.1.2　植物源杀菌剂与植物源杀虫剂相比，植物杀菌剂研究较少[2]。Wilkins等曾报道有1389种植物有可能作为杀菌剂。8 植物中的抗毒素、类黄酮、特异蛋白、有机酸、酚类化合物，以及诱导产生的抗菌活性物质均有杀菌或抗菌活性，诱导产生的抗菌活性物质化学结构类型有:豌豆类、异黄酮、苯并呋喃衍生物、芪类、呋喃乙炔类、多烯、番薯酮、三萜烯、倍半萜烯、异香豆素等。植物源混合脂肪酸[14]、小檗碱在我国已商品化，MAP在日本已工业化生产[27]。3.1.3　植物源除草剂植物源除草剂主要是利用植物的异生相克物质。植物产生的某些次生代谢物质，释放到环境中能影响附近同种或异种植物的生长,包括刺激或抑制作用。目前已在30多个科的植物中发现了上百种具有除草活性的物质，主要是肉桂酸衍生物、香豆素类、醌酚酸、鞣酸、类黄酮、萜类、甾族、脂肪酸及生物碱等。它们有不同的作用机制，是开发除草剂的潜在资源。除草效应最好的实例是从万寿菊中提取的α-三噻吩，但未见实用化。3.1.4　植物内源激素植物激素是植物的正常代谢产物，常从产生部位移动时作用部位调节自身生长发育过程的非营养性微量活性物质。它在植物界普遍存在，不同激素具有不同的调节生理功能，植物内源激素主要类型有生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类和脱落酸、乙烯等，大多数已商品化。芸薹素内酯是近年来开发的一种甾类植物激素，人工合成后在生产上广泛应用[13]。3.1.5　植物农药20世纪末,在世界范围内，转基因植物的研究十分活跃[17]；1996年，第一个具有昆虫抗性的转Bt基因玉米在美国上市[15]。目前投入市场的转基因作物主要为大豆、王米、棉花、马铃薯及南瓜等，转基因植物的主要性状为耐除草剂、抗虫害和病害。目前，EPA登记的植物农药(Plan-IncorporatedProtectants)有9种(8种为转Bt基因，1种转马铃薯卷叶病毒复制酶基因)，涉及玉米、棉花和马铃薯。我国农业基因工程研究起始于80年代初，目前研究的转基因植物达47种，并有6种已被批准进行商业化生产，但未实行农药登记。3.2　微生物农药概述微生物农药的微生物类群包括细菌、真菌、病毒、原生动物、线虫等。按照用途，包括微生物杀虫剂、微生物杀菌剂、微生物除草剂、微生物生长调节剂、微生物杀鼠剂、微生态制剂等。3.2.1　微生物杀虫剂主要包括细菌杀虫剂、真菌杀虫剂、病毒杀虫剂、原生动物杀虫剂和昆虫病原线虫制剂[9]，以及抗生素杀虫剂。目前筛选的杀虫细菌约有100多种，其中日本金龟子芽孢杆菌(B.popillae)、缓病芽孢杆菌(B.lentimor-bus)、球形芽孢杆菌(B.sphericus)和苏云金芽孢杆菌(Bt)等得到实际应用[7，9，28]，后两者在我国登记使用。Bt是细菌杀虫剂中的代表，目前已鉴定了70个血清型，82个亚种，是世界上用途最广、开发时间最长、产量最大、应用最成功的微生物杀虫剂。目前已发现杀虫真菌约100多属800多种，8 其中以白僵菌、绿僵菌、拟青霉、虫霉等应用较多[9]，全世界先后有50多个产品登记注册[16]。球孢白僵菌(Beauveriabassiana)具有很好开发前景[21]，并在多个国家商品化[16]。此外，美国还登记大链壶菌(Lagenidiumgiganteum)、金龟子绿僵菌(Metarhiziumanisopliae)用于害虫的防治；块状耳霉菌(Conidioblousthromboides)在我国商品化。目前已分离到的昆虫病毒有1200多种，已有60余种昆虫病毒被引入大田试验，我国也有20多种进入田间试验,应用最多的有核型多角体病毒(NPV)和颗粒病毒(GV)[25，27]。早在20世纪70年代以前就有20多个国家对30多种病毒杀虫剂进行登记注册、生产和应用[9]；EPA目前登记注册有7种NPV病毒杀虫剂和1种GV病毒杀剂。我国棉铃虫多角体病毒登记最早，到目前为止登记病毒杀虫剂7种。原生动物杀虫剂中主要为微孢子虫，约有200种，常用的有蝗虫微孢子虫(Nosemalocustae)、玉米螟微孢子虫(N.pyrausta)和枞色卷叶蛾微孢子虫(N.fumiferanae)等[9].在我国,利用蝗虫微孢子虫控制草原蝗虫具有较好的前景[1]。已报导对害虫有寄生作用的线虫有100多种，重要的有格氏线虫(Steinernemaglaseri)和斯氏线虫(S.carpocapsae),后者在美国、加拿大、前苏联进行了大量研究，应用潜力很大[9]。我国研究、应用较多的有六索线虫、斯氏线虫等[1]。抗生素防治农业害虫的研究始于20世纪50年代，发现抗霉素A具有杀虫、杀螨活性；20世纪60年代后，相继筛选出紫莱霉素(porfiromycin)、四抗菌素(Tetranactin)等有实用价值的杀虫抗生素。近几年中报道抗生素约3000多种，其中杀虫抗生素占5%左右[28]，包括阿维菌素(Avermectin)[5，25]、多杀菌素(spinosad)[5]。密尔比霉素(milbemycin)[25]、thuringiensin[17]；阿维菌素被认为是微生物源天然产物研究的突破性进展.我国自杀蚜素报道以来，相继报道了浏阳霉素、韶关霉素、南昌霉素、梅岭霉素等。国内外较重要的杀虫抗生素有抗霉素A、杀蝶素、杀螨素、日光霉素、密尔比菌素、阿维菌素、伊维菌素、越霉素、潮霉素、杀蚜素、浏阳霉素、韶关霉素、南昌霉素、梅岭霉素等[29]。3.2.2　微生物源杀菌剂直接利用活体微生物进行生物防治的研究很多，目前作为农药开发的杀菌剂主要集中于芽孢杆菌、假单胞菌、链霉菌、木霉、拟青霉等[7]。世界各国已有25种以上的真菌杀菌剂产品注册或投放市场[16]；EPA作为生物杀菌剂登记的细菌种类有8种，真菌种类8种；我国登记细菌种类6种，真菌种类1种。此外，病毒外壳蛋白和弱毒株、卫星RNA也用于植物病毒病防治。ToMV弱毒株M11-6、RNA：CMVP1等在生产上有一定实用价值.在我国,淡紫拟青霉(Paecilomyceslilacinus)也被用于防治植物线虫[26]。微生物代谢产物始于1959年日本应用杀瘟素-S(BlasticidinS)引防治稻瘟病[5]，至今世界上已发现了近百种农用抗生素。我国主要有链霉素、井冈霉素、公主岭霉素、农抗120、武夷霉素、春雷霉素、中生菌素、华光霉素等[1]，近年又相继开发出宁南霉素、天柱菌素等。此外，8 菇类蛋白多糖对植物病毒病有较好的作用效果。将病原菌激发子作为农药进行应用是近年来生物农药的重大进展，Harpin蛋白是一个成功的例子。微生物次生代谢物在国内外均得到广泛应用。3.2.3　微生物源除草剂杂草的病原微生物主要包括放线菌、真菌、病毒等,最常见的真菌病原如锈菌、镰刀菌、炭疽病菌等[15],应用较为成功是Colletotrichumsp，已商品化多个产品；我国曾开发出鲁保一号。放线菌产生的具除草活性抗生素主要有Antibiotic-SF-2494[25]、茴香霉素和双丙氨磷，双丙氨磷在日本已商品化[27]，并在我国登记。3.2.4　微生物源植调剂赤霉素、细胞分裂素是微生物产生的重要植调剂，利用发酵获得脱落酸是降低生产成本的重要途径；1990年日本TORAY公司首先利用微生物发酵进行脱落酸的规模化生产。3.3　动物源农药概述动物源农药主要用于害虫的防治,包括动物毒素、昆虫激素、昆虫信息素和天敌动物等；研究最为活跃的是昆虫信息素、动物毒素和昆虫神经肽。昆虫信息素又称昆虫外激素,大多是长链不饱和烃的醇、酯、醛、酮和环氧化物具有引诱、刺激、抑制、控制摄食或产卵、交配、集合、报警、防御等功能。最早从鳞翅目昆虫发现，1965年发现了3种，1980年已知数百种，至20世纪90年代已广泛应用(主要是鉴定结构后合成)[1，18]。美国已有几十种昆虫信息素用于农业害虫防治，我国也在棉铃虫等害虫上应用。动物毒素是动物产生的对有害生物具有毒杀作用的活性物质，研究多集中于蜘蛛毒素和黄蜂毒素，为人们开发新型杀虫剂提供新的思路。已鉴定化学结构的动物毒素不少，例如阿根廷蚁产生的防卫毒素、大胡蜂产生的曼达拉毒素、异足索沙蚕产生的沙蚕毒素，以及斑蝥产生的斑蝥素等。昆虫激素是由昆虫内分泌腺体产生的具有调节昆虫生长发育功能的微量活性物质。主要有脑激素(蛋白质或多肽化合物)、蜕皮激素(胆甾酮结构化合物)和保幼激素(萜类化合物)三类。保幼激素在国内进行了大量应用研究[1]，保幼激素类似物methoprene早在1975年作为化学农药在美国登记。在日本，将家蚕羽化激素人工遗传基因导入酵母菌中发酵产生羽化激素获得成功。昆虫神经肽是一个比较活跃的领域，自1975年鉴定第一种神经肽结构，到1990年已鉴定昆虫神经肽8类，共40多种；目前主要是基础性研究，离实用化还有相当的距离。天敌动物是对有害生物具有寄生性或捕食性的昆虫，通过商品化繁殖、施放起防治作用。国际上已商品化生产的天敌昆虫有130多种，主要种类为赤眼峰、丽蚜金小蜂、草蛉、瓢虫、螳螂、小花蝽、捕食螨等[18]，但在我国还未实行农药登记。3.4　生物化学农药8 生物化学农药是一类重要的农药,通常包括信息素、激素、昆虫生长调节剂等。氨基甲酸酯类、沙蚕毒素类和拟除虫菊酯类以天然产物为先导化合物合成的农药，可以说是农药研究的划时代突破[31]，但不属生物农药范畴；大部分昆虫生长调节剂、外源激素等最初从生物体分离而得，后人工合成类似物[8]，虽属生物农药范畴,但不是真正意义上的生物农药，本文不再概述。4生物农药研究展望随着人们对化学农药弊端和环保重要性的进一步认识、生物农药内涵的扩展和新技术的不断出现，生物农药将是21世纪农药研究重点，以下几个方面将会受到重视。作用机制独特的生物农药.生物农药的作用机理与化学合成农药有很大的不同，作用机制独特的农药品种将是研究开发的热点之一，如生长调节物质、行为调控化学物质等。新的作用机制发现将为农药发展提供新的思路，如Harpin等蛋白类物质。生物与化学方法相结合，开发生物化学农药。生物农药为化学农药的创制提供了先导化合物,通过对生物农药(包括微生物农药)进行化学结构改造，创制新农药。拟除虫菊酯和沙蚕毒素农药的合成是经典事例；最近的有杀虫剂AC303630(以吡咯霉素有效基团作为先导化合物)，杀菌剂ICI5504A、BAS-490F和SSF-126(以抗生素Stuobilurin为先导化合物)，依维菌素和埃玛菌素(由avermectin结构改造而来)。生物技术向生物农药研究渗透[12]。随着细胞工程、基因工程技术的日趋成熟,转基因植物(植物农药)是其中一重要方向[8]，包括具有农药作用的转基因植物(目前以转Bt抗虫棉最成功)和抗农药(除草剂)转基因植物[10]。此外，利用细胞工程改造、生产生物农药也会成为热点[9，10]。此外，生物农药资源的开发、生物农药商品化技术,以及生物农药与化学合成农药的联合使用技术研究等，都会在21世纪生物农药研究中受到重视。8 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