微生物农药研究进展及产业发展对策

微生物农药研究进展及产业发展对策

范　玲

(科技部中国生物工程开发中心　北京　100081)

摘要　综述了近年来我国微生物农药的研究现状和进展,详细介绍了微生物农药今后的产业发展趋势、目标和对策,并对一些有关微生物农药的热点问题进行了探讨。

关键词　微生物农药　产业发展

1　国内外现状与发展趋势

在以高产为唯一目的传统农业生产中过量使用化学农药,是造成当前农业生态环境日趋恶化以及农业生产效率低下的一个重要因素。目前,我国农业正进入一个从传统农业向高效优质和可持续发展的现代农业转变的新的历史时期,特别是进入WT O以后我国农业还面对日趋激烈的国际竞争,生物农药的研究和应用在新世纪之初迎来一个前所未有的历史机遇和技术挑战,产业发展前景十分广阔[1～3]。

生物农药系指含非人工合成、具有杀虫杀菌或抗病能力的的生物活性物质或生物制剂,包括生物杀虫剂,杀菌剂,农用抗生素,生态农药等。生物农药具有简便、有效、对生态和环境安全等优点,能完全或部分替代化学农药。以Bt制剂、农用抗生素和病毒杀虫剂为龙头产品的生物农药已广泛应用在农业生产中。苏云金杆菌商品制剂目前已达100多种,是世界上产量最大,应用最广的微生物杀虫剂。美国用以防治蔬菜害虫和玉米害虫的面积分别占总面积的80%和50%,销售额从80年代末的4千万美元上到升90年代的5亿多美元。目前国内Bt制剂的生产厂家达68家,年产量达2万吨至3万吨,在20多个省市用于防治粮、棉、果、蔬、林等作物上的20多种害虫,使用面积达300万公顷以上[4～6]。采用基因工程技术构建药效稳定,防治面较广的BT工程菌剂,是当前生物农药发展的新趋势[7,8]。Mycogen公司利用“生物微囊”技术开发生产的转BT荧光假单胞菌MVP系列商品化灭活产品已进入市场。我国构建的高效杀虫重组苏云金杆菌已于2000年底通过了安全性评价获准进行商品化生产。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。在日本已相继开发出春日霉素、多氧霉素和有效霉素等产品,曾一度代替化学农药在农业生产上大面积应用。由阿维菌素B1衍生的伊维菌素在20世纪90年代世界畅销的10种动物用药中占首位。抗生素特别是抗菌素在我国的开发不仅历史悠久,而且水平处于世界先进行列,并在国际上首次克隆了长达150kb的烯类抗生素合成基因簇[9]。70年代开发的抗菌霉素如井冈霉素经久不衰,至今仍是防治水稻纹枯病的当家品种,每年使用面积达113亿亩。目前我国登记注册的抗生素品种有20种,产品170个,生产厂家达253家,年产量为6万吨至7万吨[2,3]。昆虫杆状病毒是一类重要的、较早应用的昆虫病原微生物。迄今为止发现的昆虫病毒已超过1000多株,涉及11个目900多种昆虫,已有20多个国家对30多种病毒杀虫剂进行了登记、注册、生产和应用。昆虫杆状病毒杀虫剂是我国第一个商品化生产的病毒杀虫剂,粉剂和乳悬剂都已推广应用于棉铃虫的防治。斜纹夜蛾NPV杀虫剂—虫瘟一号、黄地老虎G V杀虫剂及菜青虫G V杀虫剂等5种昆虫病毒杀虫剂均已注册,并有一定应用面积。我国采用利尿激素基因、昆虫保幼激素酯酶基因、Bt杀虫蛋白基因、蝎神经毒素基因等构建的重组病毒杀虫剂大大缩短了害虫致病时间,防治效果显著[10～12]。

真菌杀虫剂等新型生物农药在病虫害防治

第22卷第5期中　国　生　物　工　程　杂　志

JOURNA L OF CHI NESE BI OTECH NO LOGY2002年10月

中也显示出良好的应用前景。应用真菌杀虫剂防治害虫一直受到国内外的广泛关注,国际生防组织(II BC)使用黄绿绿僵菌防治沙漠蝗虫,美国引进舞毒蛾噬虫霉防治舞毒蛾,巴西使用金龟子绿僵菌防治甘薯沫蝉,我国利用球孢白僵菌在南方地区大面积防治林区松毛虫和东北地区防治玉米螟等,均取得了显著效果[13,14]。

进入21世纪的我国生物农药研究和应用将重点发展Bt杀虫制剂、农用抗生素和病毒杀虫剂等龙头产业,加强真菌杀虫剂和植物源农药等新型生物农药的技术创新,实现生物农药产业的跨越式发展。

2　我国微生物农药产业的重点内容和发展目标

根据我国农作物病虫草害发生频繁且防治不力的实际,针对引起水稻、蔬菜、果树、大豆、森林、草原重大病虫灾害的棉铃虫、稻飞虱、小菜蛾、叶螨、蝗虫、甜菜夜蛾、蛴螬、稻瘟病、白叶枯病、灰霉病、疫病、枯萎病、轮纹病、线虫病等作为防治目标[4,5],重点研究内容如下:

211　新型BT杀虫制剂

以叶甲类鞘翅目害虫和甜菜夜蛾等鳞翅目害虫为主要防治对象,进行高效广谱Bt制剂的研制和应用研究。

21111　新的抗虫和抗病蛋白基因分离、改造和高效表达载体的构建 充分利用我国极其丰富的微生物资源,分离有自主知识产权和重要应用价值的新的抗虫和抗病蛋白基因。通过杀虫蛋白基因组合,不同结构域中氨基酸定点诱变、融合、互换等方法进一步提高杀虫毒力,扩大杀虫谱。

21112　高毒力和广谱基因工程菌的构建 通过已构建可最大限度地提高遗传工程体的环境释放安全性的解离载体将新型高毒力杀虫基因导入构建兼杀叶甲类鞘翅目害虫和甜菜夜蛾等鳞翅目害虫的广谱工程菌。

21113　杀虫抗病工程菌的构建 采用抗病蛋白基因与杀虫晶体蛋白基因共表达技术构建杀虫抗病工程菌。

21114　发酵工艺和工程菌的安全评价研究 对工程菌进行发酵条件和生产工艺和安全性评价研究,获得安全证书,实现其企业技术升级和大规模生产,产品达到国际同类先进水平。

212　农用抗生素新制剂和新工艺

(1)重点改造一些天然的农用抗生素如尼可霉素和阿维菌素的结构,以增加其用途或提高其药效:尼可霉素是一种天然的核苷肽类抗生素,含有20种以上的组分,其中主要为X,Z,I和J4个组分,可竞争性地抑制几丁质的合成,从而有效抑制真菌、昆虫、螨虫的生长,对哺乳动物、蜜蜂、植物等相对无毒[15]。针对尼可霉素抗生素由于组分多和产量不高等,通过分子生物学方法,定向进行遗传改造,去掉不必要的多组分合成途径,提高产量,简化发酵工艺和分离提取等;阿维菌素是由阿维链霉菌(S.avermitilis)产生的一组广谱、高效、低毒的大环内酯类抗生素,是迄今为止发现的最有效的杀虫抗生素。阿维菌素含有8个组分,其中B1组分的杀虫活性最高,而毒性最小。采用基因工程手段构建只合成单一杀虫活性组分的工程菌,进而开发广谱,高效,安全,无残留,无副作用和无环境污染的农用抗生素[16,17]。

(2)利用发酵工程技术研究农用抗生素发酵代谢规律,创制出有利于提高产素水平的发酵控制的关键技术,获得大幅度提高发酵水平的新工艺;分析不同抗生素的结构和特性,选择相辅的生物化工制剂。

213　新型重组杆状病毒的研制

针对具有重大应用前景的棉铃虫核多角体病毒和苜蓿银纹夜蛾核多角体病毒进行重组病毒杀虫剂研究[10,11]:

(1)选用棉铃虫组织蛋白酶B基因、棉铃虫蜕皮调节转录因子、杆状病毒组织蛋白酶基因、棉铃虫病毒p74基因等4种新的侯选基因,构建多种重组病毒,进行室内和田间的杀虫效果评估。

(2)开展重组棉铃虫病毒杀虫剂(如双重重组棉铃虫病毒核多角体病毒和双启动子控制表达蝎毒基因的重组棉铃虫病毒)的中试工艺、田间应用效果与环境监控研究;开展重组杀虫剂(如转苏云金杆菌杀虫晶体蛋白的重组杆状病毒)的大规模田间应用效果与环境监控研究。

(3)我国的重组病毒杀虫已经有3种病毒进

48中　国　生　物　工　程　杂　志第22卷