生物除草剂的开发、研究进展与未来发展思路

生物除草剂的开发、研究进展与未来发展思路王禹博1，纪明山1，谷祖敏1，张淑东1，张双1，杨宁2，王勇2（1．沈阳农业大学植物保护学院，沈阳 110161；2．辽宁科技大学化学工程学院，辽宁鞍山 114051） 摘要：针对当今国内外生物除草剂的研究进展及应用情况，分析了生物除草剂存在的问题及其原因，提出了生物除草剂的未来发展思路及解决办法。

对微生物除草剂、微生物源除草剂、植物源除草剂进行综述，并对其利用微生物产生的其代谢产物、天然植物提取物防治杂草的潜在优势进行了回顾性分析。

安全、环保、持效期长及能够恢复土地原生态的生物除草剂的研究越发引起人们的关注，市场上会出现越来越多且越来越成熟的微生物及其代谢产物、植物天然产物等生物除草剂。

关键词：生物除草剂；研究进展；发展思路 采用化学除草剂能够有效控制绝大部分杂草，但长期滥用却带来许多不利影响，比如杂草产生了抗药性，土地生态被破坏，地表水被污染，对人类、牲畜等造成严重危害等。

随着国家对环保宣传力度的加大以及人们对赖以生存的环境的保护意识的增强，对自身健康的要求也越来越高，人们开始追求现代农业新的种植模式。

安全、环保、持效期长及能够恢复土地原生态的生物除草剂的研究越发引起人们的关注。

1 生物除草剂研究的历史和现状 生物除草剂（biological herbicides）指能够专一化控制或侵染杂草生长的一类生物制剂，在人工设计下，筛分能将杂草杀死或者得到抑制的天敌，再经发酵培养后获得具有除草作用的生物制剂。

生物除草剂包括动物源除草剂（生化除草剂）、植物源除草剂和微生物除草剂（真菌除草剂）。

首个成型的商品型微生物源除草剂是由从土壤中分离得到的链霉菌（Streptomyces viridochromogenes）产生的，该链霉菌产生的双丙氨膦（bilanafos）是一种非选择性的，用于防除禾本科杂草和阔叶杂草，这对于生物除草剂的发展具有里程碑的意义。

第一个在美国注册登记的生物除草剂是由佛罗里达州的棕榈疫霉（Phytoph-thorapaLmivora）的厚壁孢子制成，用于防治杂草莫伦藤。

第一个由细菌制成的微生物除草剂是由日本烟草公司开发的camperico，它是从植物兰草内一种强致病性的内生细菌中分离/开发动态/获得。

该除草剂对防除高尔夫球场的杂草效果显著，对杂草表现出较强的致病性。

该制剂的细菌持效期长，并随季节不同而呈现不同的效果，在施药后l-3个月中可使草坪中的早熟禾密度减小，且该菌株寄主专一性较强，对同属的许多草坪草并没有致病效果。

Singh等对猪毛蒿（Artemisia Scoparia Waldst．et kit.）精油的防除杂草效果进行了研究，结果显示：猪毛蒿精油能够有效地防除香附子（Crperus rotundus L.）、小子虉草(Phalaris minor)及野燕麦（Avena fatua Linn.），且对香附子的防除效果最佳。

Al-sherif等在实验室和温室的条件下，对黑荞麦（Brassicanigra）提取液以及根系分泌物的除草效果进行了研究，结果显示：当黑荞麦水提取液的浓度为4%时，可以完全抑制奇异草（Phalaris paradoxa）和水芥菜（Sisymbriumirio）萌发。

南京农业大学杂草研究的科技工作者利用紫茎泽兰染菌植株上的农业病菌链格孢菌[AlternariaaLternata(Fr.)Keissler]，从中分离的天然代谢产物具有除草活性。

王之樾等从患病的列当(Orobanche cumana)茎部分离得到镰刀菌（Fusarium orobanche），再将得到的致病菌接回列当植株上，对列当有较好的防除效果。

冀营光等从玉米田杂草马唐的患病茎、叶和根际周围土壤分离得到一株细菌，对马唐种子的萌发抑制率达90%以上，且对玉米具有促进生长的作用。

徐路明等以乙醇为溶剂提取荆条（Vitex negundo var. heterophylla）花当中的除草活性物质，用以防除反枝苋和稗草。

潘玉梅等以水为溶剂对黄荆条（Fofium viticis Negundo）茎、叶当中的活性物质进行了提取，用以防治飞机草，并对其作用机理进行了研究，结果表明：黄荆条的茎、叶提取物在一定浓度下可以显著地影响飞机草的生长发育、生理性状以及光合特性。

2 生物除草剂存在的问题和原因2.1 微生物（源）除草剂存在的问题和原因 尽管当前有不少微生物除草剂获得了专利授权，但通过注册生产登记的还不多，特别是我国生物除草剂的生产厂家数量少而且规模小，缺乏先进的生产设备和技术，生产条件也相对落后，与农业及环境保护实际应用的需求存在很大的距离。

具体情况分析如下： 1.菌种筛选周期太长。

作为生物除草剂的菌种，必须具备对目标杂草专一性程度大，毒性强，但对作物安全；菌种生长快，生命力强的菌株多；工业化生产所需营养物质来源广泛，价格便宜；生产工艺不复杂；筛选出的菌株应对田间环境具有较强的适应能力，其作用温度、湿度以及光照范围也应较广；田间施用效果对菌种使用浓度不宜太高，对大龄杂草要有较强的致病性的特点。

这样的菌种筛选起来是比较困难的，周期会很长。

2.菌种侵染目标杂草种类单一，侵染速度慢，且受环境条件限制因素太多。

每种微生物除草剂菌种有可能是针对一种目标杂草，而且病原菌孢子的侵染、萌发、生长需要一个过程，速度慢。

若外界自然条件达不到致病菌萌发、侵染的要求时，就难以获得所要的效果。

3.保质期短，剂型加工技术要求程度高。

微生物除草剂都是活体微生物，从生产出产品到田间施用都要保持足够的有效活菌数才有生防效果。

微生物孢子常温下存活时间一般为3-6个月，低温下保存一般为8-12个月。

不论是在生产、运输、贮存还是在田间施用过程中，都很难完全保证上述条件。

为了在植物叶面上微生物活菌附近保持足够的水分，让微生物在较短的暴露期内也能使孢子萌发和侵染成功，就必须提高助剂的技术要求。

4.不少微生物源除草剂仅在实验室盆栽试验的效果较好，原因是很多微生物源除草剂的代谢产物因其发酵产量低，且其发酵液中的化合物提纯、结构解析困难，又不易化学合成；对其产生的活性物质防除杂草的作用原因不清楚，从而限制了微生物源除草剂的发展。

5.微生物除草剂的生物安全性。

微生物（源）在被考虑自身防除杂草效果的同时，还应考虑其对作物是否同样具有一定的生防作用。

此外，微生物具有易突变性，尚不可排除会造成基因污染等问题。

2.2 植物源除草剂存在的问题和原因 植物源除草剂是从天然植物中分离得到、具有除草活性的物质，该类物质是一类具有特定生物活性的物质，兼有化学和生物双重性。

目前世界上已经发现了百余种能产生具有除草活性天然产物的植物，但是植物源除草剂的发展依旧缓慢，其主要原因表现在以下几个方面： 1.活性物质不稳定。

在很多情况下，活性物质中的单一组分很难达到所需要的生防效果，制剂加工困难。

不同种类的植物或是同一种类不同产地、种类产地相同但是处于不同的生长阶段，植物往往会表现出不同的特点，其产生的代谢产物也有可能不同。

2.某类植物产生的次生代谢产物通常是一组化学结构类似的相关化合物，这就导致了提取和分离有效成分的工作量较大，而且提取、分离的难度也较大。

3.确定毒杀植物性质的次生代谢产物过程繁琐，目标分离物含量低。

4.植物源除草剂在对目标杂草进行防除的同时，也存在着对作物生长造成危害的隐患。

3 生物除草剂未来发展思路及解决办法3.1 加强生物除草剂候选微生物菌种或代谢物质的筛选 我国是农业大国，拥有丰富的植物、动物以及微生物资源。

科研学者应充分利用我国自身的优势，针对危害性较大、防除困难的各类杂草开展针对性的研究。

广泛而系统地进行微生物菌种的选育、天然植物代谢产物的提取和分离，建立起高效、安全的微生物菌株库和天然植物代谢产物库。

对已知的具有除草活性的物质进行化合物结构的修饰，不断优化现有化合物以及在现有化合物的基础上创造一些新的除草化合物。

3.2 加强复合生物除草剂的研究，扩大除草谱 现在的生物除草剂大都作用靶标专一性强、防除范围不广。

为了克服这一弊端，可选择2种或以上具有生防杂草的微生物活菌或微生物代谢产物复配，或者2种或以上微生物活菌或（及）其代谢产物与植物源生物除草剂复配，从而避免了微生物除草剂的品种单一性和目标杂草单一性问题。

3.3 加强研制新剂型 目前的生物除草剂在贮藏和运输过程中存在的主要问题就是保质期短，不能保证生物除草剂的除草活性。

应加强对其剂型和配方的改善，尽量减少环境对生物除草剂的限制，使其易于保存、包装、运输及施用。

通过改变剂型增加生物除草剂对杂草的附着力，筛选合适的助剂类型及剂型加工技术，可以考虑开发悬浮剂、水乳剂、微乳剂、水分散粒（片）剂等新剂型，还可以在配方中添加某些营养物质，为微生物在杂草上的萌发、生长和侵染提供良好的条件及营养保障；为了延长微生物除草剂的保存时间，在研制制剂时选择加入适当的助剂，如防光剂、增效剂等，可以增加微生物除草剂的实用性。

3.4 积极开展除草作用靶标基因、除草抗性基因的发掘和研究 通过基因导入和细胞融合等生物制药技术，可以重组自然界中本已存在的优良除草基因片段，改良潜在的具有除草作用的限制性内切酶基因片段，从多种生物中发掘除草作用靶标基因、除草剂抗性基因，针对生物除草剂发展中的关键环节，开展除草活性物质的代谢途径、关键基因以及生物除草相关基因及其功能研究，以此来提高微生物活菌致病力和除草效果。

3.5 改进发酵工艺条件，提高有效孢子数量 研制新的发酵培养基配方，设计合理的C/N比例，适当考虑增加基质浓度，增加前体物质如苯乙酸等，增加少量高分子化合物、无机铁离子等，改善发酵生产工艺过程，在正常考虑生产过程中的pH值控制、温度控制、溶氧控制和中间补料因素以外，还可在发酵过程中与料液一起补加表面活性剂，如聚氧乙烯、山梨酸醇等非离子表面活性剂，可增加发酵物产量。

3.6 利用构效关系原理，加强杀草机理分析，以期筛选效果优良的生物除草剂 发现新的分子化合物靶标部位，利用已知的除草剂化合物类型提供先导物，合理利用构效关系，对微生物产生的代谢产物以及植物提取物中的适合化合物进行筛选和分离，采用生物合理分子重排设计，以此为生物探针寻找具有除草活性的靶标部位，由此开发出高效生物除草剂，也可以此活性化合物为母版进行结构修饰，从而利用除草机理理论指导新除草剂的开发研究。

4 展 望 随着研究的深入以及技术手段的不断提高，相信在不久的将来，市场上会出现越来越多且越来越成熟的微生物及其代谢产物、植物天然产物等生物除草剂。

随着全球绿色农业的不断发展、党的十九大报告提出的对生态农业的重视以及人们环保意识的逐渐增强，会有越来越多的科技工作者关注和从事生物除草剂的研发工作，且来自天然菌株以及其生长过程中产生的活性物质、中草药提取的天然活性物质来源广泛、自身广谱高效、不残留等优点，将促使生物除草剂逐渐被人们青睐。