生物農藥研究進展

王 丁,楊 雪,劉春雷，常慧萍,張麗琴

(河南財政金融學院 生命科學系，河南 鄭州 450046)

1 引言

農藥對于現代農業來說十分重要，在防治農作物病、蟲、草害，保證農作物正常生長，提高單位面積產量等方面均起著舉足輕重的作用。從當前發展狀況來看，化學類農藥具有種類多、見效快、價格便宜等優勢，因此，在農業生產中的病蟲害防治方面，除少數試點生態農業區和試驗田使用生物農藥以外，絕大多數區域仍主要使用化學類農藥。但長期化學類農藥的濫用所造成的環境污染已經危及田間許多有益生物，同時也已嚴重威脅到人類健康甚至生命。此外，由于部分化學類農藥的過度使用已經導致部分害蟲產生了耐藥性，從而更加猖獗。所幸的是，這一領域已經引起了社會的廣泛關注，尤其近些年，隨著人們的健康意識、環保意識及食品安全意識的日益增強，化學類農藥生產及應用在全球范圍內正普遍被限制甚至被淘汰，這恰巧為生物農藥的發展提供了廣闊的空間。

2 生物農藥的概念及發展史

2.1 生物農藥的概念

生物類農藥(biological pesticides)，簡稱生物農藥，與傳統化學類農藥迥然不同，其涵義十分廣泛。然而，早期生物農藥的范疇卻僅限于“微生物農藥”[1]。后來，其概念逐步得到了延伸和擴展，即凡用作農藥的微生物制劑、天然生理活性物質(包括動物和植物產生的)都屬于生物類農藥。 聯合國糧農組織(FAO)給出的定義認為：生物害蟲控制劑(biological pest control agents) ，包括生物化學類農藥和微生物類農藥。在《中國農業百科全書》(農藥類)中，生物農藥則被定義為應用生物類資源開發的農藥。狹義的生物農藥是指由生物直接產生的天然活性物質或直接將生物活體本身用作農藥；而廣義的生物農藥除此之外還應包括根據天然活性物質的結構或其類似結構、衍生結構等經人工合成的農業藥劑。

隨著生命科學的飛速發展，生物農藥的概念也被賦予了新的涵義，英國作物保護委員會按來源將生物農藥分作五類，即微生物、植物、動物與農藥相關基因也被補充進來。美國環保署農藥部(EPA) 卻將生物農藥分作三類，其中有一類是植物農藥(Plant-pesticides)，即將被用作藥物的蛋白基因轉入植物體內，其表達產物便是目的農藥，也被稱作轉基因植物農藥，從而進一步拓展了生物農藥的概念。2001年中國農業部綜合了當時不同定義進一步明確了生物農藥的概念，加強了我國生物農藥的管理工作。綜上所述，無論如何定義，生物農藥實質應是活體生物本身或來自于生物的生物活性物質。生物農藥與傳統化學農藥區別的關鍵就在于有無化學類結構，是否來源于生物體。由此可見，生物農藥相對科學、確切的定義應該是：可用來殺滅或抑制病、蟲、草等有害生物的生物類藥劑，包括活體生物本身及可作為“農藥”的且來源于生物的各種生物活性物質(換言之，這些物質既要具有作為“農藥”的生物活性，更要在生產、加工、使用及對環境的安全性等方面符合有關“農藥”的法規)。

2.2 生物農藥的發展史

生物農藥有著悠久的發展歷史。在我國，早在2000多年前就有應用，《周禮·秋官》中就有“焚牡菊，以灰灑之”、“莽草熏之”等防治有害生物的記載；在古羅馬，人們很早就知曉用藜蘆來防治昆蟲和忍鼠等有害生物。19 世紀以后，用于防治有害物生物類物質的開發和應用已逐漸步入科學試驗階段，例如除蟲菊酯、魚藤酮、煙堿等的應用。到了20 世紀前期，微生物學迅速發展，尤其是蘇云金桿菌(Bacillus thuringiensis, Bt)的發現，極大地促進了微生物類農藥的開發和應用。而20世紀30年代以后，由于幾類內源性植物激素的相繼發現，加之40年代有機合成和化學農藥出現，在一定程度上阻礙了生物農藥的發展。盡管如此，基于B.popi、Bt 的產品仍舊在美國順利上市。而到了20世紀60 年代，化學類農藥的弊端逐漸凸顯出來，生物類農藥又重新受到人們的重視。尤其是最近幾十年，生物類農藥的發展相當迅速，利用生物類農藥進行植物病、蟲、草害的防治也取得了很多成功[2～8]。在世紀之交，植物類農藥(也稱轉基因植物農藥)等相繼出現，又一次將生物農藥的研究推向高潮。相信在不遠的將來，生物農藥有望替代或很大程度上替代傳統化學農藥。

3 生物農藥的研究與利用

3.1 植物源農藥

3.1.1 植物源生物活性物質類農藥

目前此類農藥越來越多，主要包括植物源毒素，即植物本身產生的能殺滅或有效抑制害蟲等有害生物(例如使害蟲拒食、抑制害蟲生長發育等)的生物活性物質；植物內源性激素類，如乙烯、細胞分裂素、赤霉素、蕓苔素內酯、脫落酸等；植物來源的昆蟲激素， 如早熟素等；異株克生類物質(即由植物體產生的能抑制周圍其他生物生長的物質)；防衛素類，如豌豆素等。

植物源殺蟲劑方面研究成果并不多。就殺蟲有效成分而言，植物源殺蟲劑主要有生物堿類、萜烯類、萘醌類、黃酮類，甾類等[9, 10]。這些物質對昆蟲具有毒殺、使其拒食、引誘、驅避、使其絕育、抑制其生長發育等作用。田新湖等的研究表明，魚藤酮等能有效防治茶假眼小綠葉蟬[2]；周順玉等研究發現，魚藤酮、藜蘆對茶尺蠖和茶毛蟲具有很好的防效[8]。對于植物源殺菌劑，盡管很多植物都有可能作為殺菌劑，但開發出來的產品不多。這可能主要是因為，此類殺菌劑往往是在植物體內中間多謝過程中產生的，而當人們研究植物源殺菌劑化學成分時，通常過分強調中間代謝物或植物抗毒素本身，而這些物質則是植物在接觸相應病原體以后才在體內合成并積累的。而且，大多數情況下，這類殺菌劑只有在離體后方才有效，另外，此類殺菌劑在發揮作用時通常會伴隨著發生植物藥害，同時還難以重復[11]。關于植物源除草劑，有報道稱具有除草活性的植物大約有100多種，而且，從許多植物中分離出了的具有除草活性的生物活性物質已有100余種，主要有肉桂酸、醌酚類、香豆素類等，其中有些已被開發為除草劑，其中，從萬壽菊中提取的α-三噻吩等植物源農藥是除草效果最好的實例之一[11]；此外，張玲敏等研究發現，α-三噻吩能通過抑制相應酶活力有效抑制白紋伊蚊幼蟲的生長發育[12]。

3.1.2 植物體農藥

植物體農藥是利用植物本身作為載體，經基因修飾或改造后獲得的可用作農藥的重組體。據統計，自1983年轉基因植物問世以來。至今已成功開發出500余種轉基因植物，并已經過田間試驗，在商業生產應用中已獲得批準的大約有90余種，其中除草劑和抗病蟲方面約占80%[13]。

目前，具有抗蟲作用的基因不多，主要有Bt蛋白基因、淀粉酶抑制基因、蛋白酶抑制劑基因以及幾丁質酶基因等。而抗病類轉基因植物也取得了一些成果，例如，目前已成功開發出抗葉銹病轉基因小麥[14, 15]。

3.2 動物源農藥

3.2.1 動物源生物活性物質類農藥

動物源生物活性物質類農藥主要用于害蟲的防治，包括動物毒素、昆蟲激素、昆蟲信息素等。此類農藥最常見的為昆蟲性信息素類。據統計，全世界現已合成昆蟲性信息素1 000多種，已商品化的有280 多種。目前，在對蚜蟲的報警信息素[16]、花薊馬的聚集信息素[17]，大豆食心蟲和甜菜夜蛾性信息素[18, 19]等方面已經取得了較大的成果。動物源毒素是在動物體內合成的、能有效殺滅或抑制有害生物的成分。目前，研究較多的動物有蜘蛛、黃蜂等。

3.2.2 動物體農藥

動物體農藥主要是指通過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動物體。主要包括商品化的天敵昆蟲、捕食螨以及采用各類技術改造的天敵類動物等。目前，在國際上大約有130 余種天敵動物已經商業化生產，主要包括麗蚜金小蜂、赤眼峰、瓢蟲、草蛉、小花蝽、螳螂、捕食螨等。另外，值得一提的是，隨著基因工程等的發展，抗藥性或不育性基因的轉基因的研究、高能輻射導致雄蟲不育的研究等也取得了一些成果[21]。廣義上講，這些均屬于動物體農藥。

3.3 微生物農藥

3.3.1 微生物源生物活性物質類農藥

微生物源生物活性物質類農藥是指由微生物合成的各類抗生素及毒素等，例如赤霉素、井岡霉素、梅嶺霉素、雙丙氨磷等，對相應植物病、蟲、草害等有很好的防治效果。自20世紀80年代發現一種被稱作粗皮側耳菌的真菌的菌絲能產生相應毒素以殺滅線蟲以來，已經發現90多種能產生殺滅線蟲毒素的真菌，包括子囊菌、擔子菌等[22]。此外，蔡良勇等發現噴灑適量的赤霉素促進煙葉生長[23]；楊媚等的研究表明，井岡霉素能有效抑制水稻紋枯病菌的生長發育[24]。

3.3.2 微生物體農藥

微生物體農藥是指用來防治有害生物的活體微生物。細菌類微生物體農藥制劑主要有Bt (蘇云金桿菌)、亞寶(枯草桿菌)、力寶(假單胞桿菌)、增產菌(蠟狀芽孢桿菌)等。真菌類微生物體農藥制劑主要有白僵菌(廣譜型，主要用于防治農、林、果類中的30余種有害生物)、綠僵菌(用于地下害蟲的防治)、淡紫擬青霉(用于線蟲的防治) 、毒力蟲霉(用于蚜蟲的防治)、蠟蚧輪技菌(用于桃蚜、白粉虱的防治)等。最近，昆蟲飼養自動化技術進展很快，病毒離體生產工藝不斷開發，使病毒殺蟲劑重新受到重視，特別是核多角體病毒(NPV)。昆蟲的寄生性線蟲主要集中在小桿總科內，其研究的重點是斯氏線蟲和異小桿線蟲。這些線蟲主要是其體內攜帶的共生細菌導致昆蟲致病死亡，同時線蟲也分泌一些抑制昆蟲免疫系統的活性物質。原生動物中，主要是利用微孢子蟲來防治害蟲和雜草，并有產品問世。微生物體農藥研究的范圍很廣，近年來，新一代重組真菌、重組孢子蟲等均在研究之中，并且研究開發成果顯著。

4 生物農藥的發展前景

在我國，生物農藥的發展應集中于植物類農藥和微生物類農藥。目前，微生物類農藥尤其是Bt，發展相當迅速，Bt研究得較為清楚，而且其豐富的資源， 便捷的工業化生產線，與其他生物類農藥配合使用時超強的協同效應，都為其快速發展提供了充足的條件。而且，現已研制出在農作物、森林(包括市區園林) 等的主要有害生物防治方面Bt相關產品，對水稻、棉花、蔬菜等農作物及經濟林、果園等的主要害蟲的殺滅潛力日益凸顯。因此，從Bt出發，研發新型低毒、高效、廉價殺蟲制劑具有十分重要的實踐意義。

植物本身就是農藥的重要來源。在我國，植物類農藥的研發同樣具有特別重要的意義。植物的種類繁多，其體內各類反應過程十分復雜。某一種有殺蟲潛力的植物含有用于殺蟲的物質有很多種，不同殺蟲成分的殺蟲方式又各不相同，即便同一殺蟲方式，其殺蟲成分也有區別。因此，植物類農藥具有十分廣闊的研究前景。我國擁有豐富的植物資源，植物種類在10萬種以上，然而大部分植物中用于生物防治的活性成分與其構效關系的研究相當不足，同時，在結構的修飾和仿生合成等方面的創新性成果也不多，這與我國植物類農藥研究的科技力量薄弱、經費不足等有很大關系。因此，今后我國在這一領域應注重科研隊伍建設，加大資金投入，調整研究策略(例如提倡劑型多樣化等)，努力在該領域取得新的突破。