生物技术在农药学中的应用

生物技术在农药学中的应用

摘要：现代科学技术的进步为农药学的发展带来了新的机遇和挑战。通过基因工程技术构建微生物农药菌株可以提高毒力，拓宽杀虫谱。具有抗病、抗虫和抗除草剂性能的转基因作物已投入商业化生产。依据农药新靶标的发现可以进行农药分子设计，开发高效低毒农药。仿生农药的生物合成不仅避免了化学合成的污染，而且为生物农药的制备开辟了新途径。利用微生物和酶降解法可以治理农药残留。依据酶抑制原理设计的试纸法、比色法和传感器法已用于农药残留的快速检测。

关键词：生物技术，农药学

近年来，生物技术在现代农药中的应用日益广泛，转基因植物源农药的研发和如基因工程微生物农药、农药新靶标的发现、仿生农药的生物合成、农药残留的生物治理和快速检测等。本文就生物技术在现代农药中的应用进作简要概述。

一、生物技术在植物源农药生产中的应用

1.植物细胞培养技术的应用

利用植物细胞培养进行具有杀虫、杀菌活性成分的生产具有许多优越性。植物细胞培养不受植物分布区域的限制,不受季节与气候的影响，相对于植物的大面积种植来说，节约土地，降低生产成本；另外，利用植物细胞培养技术生产植物次生代谢物质可以人为控制产品的生成条件，产物的收集、制备均较为方便[1,2]。[10]

2.发状根培养技术的应用

通过发根农杆菌转化双子叶植物产生发状根并建立发根培养系，从而生产植物次生代谢物是继植物细胞培养后又一新的培养系统。随着此项技术的成熟与发展将有越来越多的被子植物单子叶植物可用于转化具有农药活性的植物次生代谢物质的生产也会随着此技术的发展而得以长足发展。同时，在降低植物源农药的生产成本、提高产品质量、保护环境、保护珍贵的植物资源方面也将发挥很大作用[3,4]。

3.植物激活蛋白技术的应用

植物激活蛋白是一类从多种真菌中分离提取诱导植物抗病增产的生物活性蛋白其本身对病原菌无直接杀伤作用但能通过诱导植物的信号传导从而激活植物自身防御和生长系统抵御病菌的侵袭增强抗病力促进植物生长发育提高作物产量改善作物品质[5,6]。植物激活蛋白对靶标病原菌无直接杀死，作用因此不会引起病原生理小种产生抗性对环境人畜低毒安

全无残留激活蛋白能显著诱导水稻白菜柑桔烟草辣椒棉花等多种作物提高抗病和抗逆能力生长期减少化学农药用药量达到60%大田示范推广中取得良好的抗病增产效果在农产品安全生产中具有广泛的应用前景。

4.基因工程技术的应用

植物细胞中能产生杀虫活性物的基因。基因工程可将外源杀虫基因转入病原微生物提高昆虫病原微生物的效力、加速害虫死亡。另外，可以利用基因工程技术对杀虫植物进行遗传改良，以提高植物体内杀虫活性物质的含量等。现已有将苏云金杆菌内毒素基因多种神经毒素基因转入杆状病毒有效地缩短杆状病毒杀虫时间的研究报道。另外基因工程在增加天敌昆虫的抗药性耐寒和耐热性以及消除滞育等方面具有重要作用[7]。

二、生物技术在微生物源农药生产中的应用

微生物农药是指非化学合成、具有杀虫防病作用的微生物制剂，如微生物杀虫剂、杀菌剂等。传统选育方法得到的自然菌株往往存在防治对象偏窄、作用速度慢、防效不够稳定、容易产生抗性等不足。基因工程为这些菌株的改良提供了有效手段。

苏云金芽孢杆菌(Bt)是目前世界上产量最大、应用最广的杀虫微生物，通过基因重组技术将外源杀虫晶体蛋白基因cry1C整合到野生受体菌的染色体基因组，可以提高受体菌的杀虫活性并拓宽杀虫谱[8]。针对病毒杀虫剂杀虫速度慢、杀虫谱窄的问题，研究人员通过插入外源毒素基因、增效基因及修饰自身基因，构建毒力提高、宿主范围扩大的重组病毒[9,10]。采用Bt杀虫蛋白基因构建重组病毒，可改善杆状病毒的杀虫活性[11]。

三、农药新靶标技术在农药生产中的应用

农药新产品的开发由仿制转向创制是一条必由之路，寻找新的高效作用靶标和揭示新的作用机制是创制新农药的关键。根据靶标进行分子设计，鉴定化合物分子结构中的活性基团，开发能有效杀死目标害物而不伤害作物并对动物及环境安全的农药，一直是科研工作者的努力方向。农药靶标的发现首先依赖于生化作用研究的成果[12,13]。天然抗生素粘噻唑在很低的浓度下对大多数酵母菌和丝状真菌的生长有较强抑制作用，但葡萄糖对这种抑制生长现象存在着拮抗作用。大多数除草剂都是通过对特殊酶的抑制而产生杀草作用的，天冬酰胺合成酶是2000年新发现的抑制氨基酸合成的除草剂靶标酶，通过寻找植物体中具有抑制天冬酰胺合成酶的化合物，美国氰胺公司开发了除草剂环庚草醚[14,15]。

当遇到已知靶标难以进一步开发新产品时，可以依据植物生理与生物化学的知识探索同一代谢途径中的其它靶标酶，或者是采用自动化的离体筛选系统，从生物体内提取靶标酶，通过定向、定性、定量测定靶标酶活性抑制中量(I50 )，分析其杀虫活性与化学结构的关系，

从而省时、省力地筛选出活性较高的化合物，克服随机合成筛选的盲目性[16,17]。

四、仿生农药的生物合成

所谓“仿生”，是指产品有效成分分子结构仿照某种具有农药活性的生物源物质，通过人工合成得到结构类似的化学物质，如拟除虫菊酯、昆虫性信息素等。长期以来，仿生农药一直依靠化学合成。仿生农药的生物合成则可以避免化学合成中的污染以及化学农药的危害，将是今后仿生农药开发的热点。以动物源仿生农药信息素而言，其生物合成研究在最初20余年内极少有过报道，随着研究的深入，目前已阐明了 20 余种蛾类信息素生物合成途径，同时，与蛾类性信息素生物合成有关的激活信息素生物合成神经肽( PBAN )的研究也取得了重要进展[18,19]。信息素生物合成和调节的研究成果将被应用于生产实际中，包括利用昆虫组织或胞培养物，或将目标基因转移到某种表达系统以产生高纯度的信息素。如果将目标害虫中控制信息素生物合成的基因转移到植物上，就可以产生相应的信息素来达到干扰害虫交配的目的[20,21]。

从植物中寻找活性先导化合物，然后全合成、半合成或化学修饰以获得更优秀的化合物，一直是仿生农药研究的重要内容。生物技术的发展为植物源农药的生物合成提供了手段，如植物细胞培养技术、发状根培养技术、内生真菌培养技术等。杀虫植物印楝的组织培养、植株再生及其细胞悬浮培养系的建立，为印楝素的大规模生产开辟了有效途径。在除虫菊细胞培养研究方面筛选了合适的培养基，选育了优良的无性系个体。烟草、长春花、狼毒、菖蒲等多种具有杀虫、杀菌活性的植物的细胞培养等基础工作已有开展。通过发根农杆菌( Ag robacteriumrhizogenes)转化双子叶植物产生发状根并建立发根培养系，从而生产植物次生代谢物是继植物细胞培养后又一新的培养系统。国内外利用发状根技术对印楝、苦楝、银杏、青蒿等植物进行了相应的研究[22,23]。

五、农药残留相关技术在农药学中的应用

1. 农药残留的生物治理

农药残留的土壤原位生物修复是近年来发展的一项将生物技术用于解决生态环境农药污染的方法，克服了物理、化学方法可能带来的二次污染等问题，可有效解决土壤中的农药残留，且在经济方面具有其它方法无可比拟的优势，适合于大田推广应用。

由中国农业科学院生物技术研究所研制成功的农药降解酶，可迅速作用于农药残留的有机磷分子，通过生化反应降解有机磷分子的磷酯键，使其不溶性的剧毒成分分解为无毒、可溶于水的小分子，彻底去除蔬菜瓜果的农药残留。目前该产品已投入规模化生产[24,25]。

2.农药残留的快速检测