微生物杀虫剂的发展前景

　　随着现代生物技术和基因工程的发展以及它们在农药中的应用，生物农药的兴起已成为历史发展的趋势，而高效、低毒、无残留的微生物防治和生物农药已成为农业生物工程研究中最为活跃的领域之一。近十多年来，由于各国的重视，生物农药研究和生产都有了很大的发展， 目前化学农药每年以2%的速度递减，而生物农药却以5%的速度递增。已有研究表明，由于生物防治（包括微生物防治）的特殊优势，温室作物有可能在不久的将来不再需要使用传统的化学农药了。下面对微生物防治及生物农药的现状及其发展前景作一阐述。

1  昆虫病原体在害虫防治中的应用情况

    到目前为止，已有168种病毒、411种真菌、1504种原生动物、51种细菌和146种线虫登记在昆虫病原体数据库中。列在此库中的大多数病原体已在美国（Nearctic）、日本（Palearctic）和欧洲等国检出。但它们在非洲和东南亚仅作了少量的调查。随着调查的深入，人们相信，寄居在地球上的昆虫病原体的总数将远远超过目前人们已知的数目。据报告，日本现已发现有关的231种病毒、63种真菌、38种原生动物和15种细菌。

    用微生物病原体来防治虫害可追溯到19世纪，第一个用真菌金龟甲绿僵菌（Metarhizium anisopliae）来防治糖甜菜象甲的是俄国科学家Metchnikoff（1879）。自那以后，对多种用昆虫病原体真菌来防治害虫的方法进行了试验和开发，如1933年日本Hidaka第一次进行了用真菌蚕白僵菌（Beauveria bassiana）来防治松树蛾的实践。其后，用昆虫病原体而不是真菌来防治害虫的方法在欧洲和美国变得越来越普遍。1944年，世界上第一个乳白色致病细菌（Paenibacillus popilliae）被作为农药登记，并投放市场用以防治日本弧丽金龟（Popillia japonica），1961年又在美国投入应用。1975年苏云金杆菌即Bt产品（Bacillus thuringiensis）推向市场，目前仍是世界各国广泛应用的微生物产品，之后商品名为Elcar的核型多角体病毒在日本被登记用于实夜蛾（Helicoverpa spp.）的防治。1974年商品名为Matsukemin的Cypovirus产品第一个作为农药使用，1980年和1981年不活跃和活跃的Bt产品也分别作为农药登记，并投放市场。此后各种各样的其他产品被登记应用，如1990年商品名称为Nemahiton的Monacrosporisum phymaphagum的真菌产品被用以防治一种根结线虫（Meloidogyne nicognita），1993年用昆虫病原体小卷蛾斯氏线虫（Steinernema carpocapsae）防治草地害虫，1995年商品名为Biolisa Kamikiri的真菌卵孢白僵菌（Beauveria brongniartii）产品用于防治天牛。但总的来说这些被积极用于害虫防治的病原体的种类还是很有限的。

    目前，用昆虫病原体作为微生物杀虫剂具有如下一些优点：（1）对自然环境的影响小；（2）由于高选择性，因此对非靶标生物没有负面效应，即对非靶标生物、人畜、环境相对安全；（3）有作为长期防治手段应用的可能性；（4）对靶标害虫较少有发生抗性的可能性；（5）开发利用途径多，如天敌昆虫可人工繁殖或引种，也可用生物工程、基因重组、基因转移等多种途径开发生物农药。但它们也有几点值得改进的不利之处：（1）生产成本较高，从而导致售价比一般农药高；（2）稳定性较低；（3）防治的靶标害虫种类有限，即多数只对特定的害虫起作用；（4）见效慢，对害虫没有“立竿见影”的效果；（5）较难掌握施用的最佳时间和温度，从而影响防治效果的发挥，产品一般缺乏权威论证。如上所述，用作害物生物防治（简称IBM）的材料必须具有低环境影响和较高效率的特点，根据这一要求，微生物杀虫剂在完成IBM中能发挥关键性的作用。

     迄今为止，被登记作为农药应用的微生物杀虫剂品种共有45种，它们列于下表中，其中病毒17种，细菌8种，真菌10种，微胞子虫2种和昆虫病原体线虫8种,它们均已投放市场。在日本，登记作为农药使用的微生物品种数目有了显著的增加，目前有32种在市场上销售。然而，日本自1996农药财政年（从头年10月至下一年9月）起装载的农药货物价值有了下降，1996农药财政年最高值为19亿日元，而2002年却下降为9亿～10亿日元。由于微生物农药所具有的好处，因此人们普遍期望它的应用范围能进一步拓宽。

2  微生物杀虫剂目前的研究状况

    将基因修饰病毒作为病毒杀虫剂应用的研究和开发工作正在美国积极地进行。基因重组技术被用来克服病毒杀虫剂的一些弱点。为此，正在安排进行三个关键性方面的修饰工作：（1）改进病毒杀虫剂杀虫慢的问题；（2）扩大病毒的寄主范围（即扩大杀虫谱）；（3）增强病毒的致毒性，即增强它的杀虫能力。近年来，由于昆虫饲养自动化技术的提高，病毒离体生产工艺的不断改进，病毒杀虫剂日益受到重视，一批科研成果陆续涌现，如通过基因修饰解决病毒杀虫剂作用慢的问题有了突破，有的已达到实际应用水平。此外也有一些核型多角体病毒（NPV）通过与外来的基因嵌合被开发出来，例如棉铃虫核型多角体病毒、斜纹夜蛾核型多角体病毒、甜菜夜蛾核型多角体病毒等均被开发出来，这些被嵌入的外来基因可概括地分为3类：（1）将毒素编码为特别作用于害虫的基因；（2）将毒素编码为作用于害虫酶的基因；（3）将毒素编码为作用于害虫激素的基因。如一种由苜蓿银纹夜蛾（Autographa californica） NPV与蝎子毒素基因嵌合而得到重组的病毒将很快投入市场。然而，即使是这类病毒也存在一些登记前和投放市场前必须解决的问题，其中最重要的是这些重组病毒的安全问题，必须进行深入的探讨。目前这些病毒在环境中的行为和动力学机理也是未知的。此外它们对非靶标生物的潜在影响也需要进行彻底的研究。

    要使这些病毒杀虫剂投入商品化一个引人关注的研究课题是开发一些能增强病毒感染力的物质。这些物质中有一种由1,2-二苯乙烯（又称芪或均二苯代乙烯）衍生而得到的荧光发光剂，它能增强病毒感染力即病毒杀虫剂的杀虫能力，它是在考察荧光发光剂有限制紫外光对病毒活性的负面效应时发现的。荧光发光剂对病毒杀虫能力的增强作用已在鳞翅目害虫的防治应用中得到证实，例如将1%的Tinopal或M2R（注意：此处均指的是商品名称）加入到病毒的悬浮液中则可见普通切根虫幼虫对NPVs的敏感性比未加荧光发光剂的大1000倍。另据报道，桃木菌属核型多角体病毒与微生物或其他辅助因子混配也可提高杀虫效果。研究人员认为，病毒感染率增强是由于荧光发光剂干扰了在昆虫体内起保护作用的中肠腔围食膜所致。

    在Bt产品开发领域中，有越来越多的对新害虫有杀虫活性的品种被开发出来，如对蜱、飞虱和根瘤线虫有杀灭活性的品种已有报道。基于与原始蛋白质结构上的相似性，已对Bt杀虫晶体蛋白质作了分类鉴定，根据上述分类，142种杀虫晶体蛋白质于2004年7月16日公布。使用Bt产品的主要问题是害虫产生抗药性的问题。到目前为止，人们已对如何阻止这些寄主抗性发生的问题作了广泛研究。首先人们试图理解抗性发生的机理以及害虫如何获得抗性问题进行了探讨，如Hocke对产生抗性的10种潜在机理进行了研究；其次人们对如何缓解和降低抗性程度的问题作了多种探索，如通过对Bt菌株的选育，科学合理的用药方式以及采用不同的模式进行植物基因操作来提高和改进杀虫蛋白的活性及表达等均取得一定效果，如应用Bt制剂与阿维菌素、Bt制剂与昆虫生长调节剂以及其他多种Bt混合杀虫剂等。

    在应用昆虫致病的真菌杀虫剂中值得注意的研究课题之一是开发油性制剂制造方法的问题。研究表明，将分生孢子悬浮在棉籽油或大豆油的产品中比悬浮在表面活性剂中更有致病性。而且试验也表明，悬浮在油中的分生孢子即使在低湿度下也有很高的效力。分生孢子之所以能增加效力是由于悬浮在油中的分生孢子能很容易附着于昆虫的疏水皮层上的缘故。此法1993年曾被Bateman等人用真菌Metarhizium flavaviride防治沙漠蝗虫时应用过。

     中国科学家在微生物防治方面也取得了令国际同行瞩目的成就。2006年8月27日至9月1日在武汉召开了第 9届国际微生物防治研讨会，来自30多个国家的300多名学者围绕“微生物防治与健康”的大会主题展开了广泛深入的交流与探讨，我国学者也在会上介绍和展示了我们所取得的成绩，例如武汉大学生科院胡远扬等人发现了国际上第一个正式分类鉴定的蟑螂病毒，并开发出一种防治蟑螂的新型生物技术；该校还开发出一系列昆虫病毒杀虫剂，其技术被确认为达到世界领先水平。中科院武汉病毒所胡志红首次在世界上报道了棉铃虫病毒的基因组序列，率先开展对中国棉铃虫病毒杀虫剂的基因工程改良，研制出中国第一个获得授权专利的生物农药。中科院武汉病毒所还在世界上首创“生物导弹”技术，利用卵寄生蜂传递病毒防治森林害虫取得成效，这一成果获得2005年国家技术发明二等奖。中外学者在Bt的性能改造方面，也取得一定的进展，如对Bt 的编码杀虫晶体蛋白质的基因进行克隆和转让，提高了Bt的杀虫毒力和扩大了杀虫谱范围，如Hyun-woopark等人利用基因技术提高了Bt合成毒性蛋白Cry2A和Cry11A的能力，中国华中农大首次在国际上发现了3种Bt亚种，它们均已得到国际公认。

　　3  微生物杀虫剂的发展前景

     要拓宽微生物杀虫剂的应用范围，必须得到作物生产者即这些杀虫剂使用者的理解。同时，对这些杀虫剂的消费者进行教育也很重要。虽然在促进持续农业发展的一般公众中仅存在很小的阻力，但人们必须明确微生物农药在此农业系统中怎样发挥关键性的作用。为了开发适合农业生产者需要和适应农业系统要求的新的微生物杀虫剂，有几个关键性的任务需要我们去完成：（1）鉴别和选择有效的天敌（efficient natural enemies）即新种类或新品系的微生物；（2）构建可稳定供应且价格合理的微生物杀虫剂的批量生产系统；（3）对生产技术进行改进；（4）开发储藏和运输技术；（5）设计在田间供应这些杀虫剂的方法。为了完成这些任务，我们必须在连接开发微生物杀虫剂中所获得的基础研究数据和结果方面作出努力。日本国家先进工业科学和技术研究所所长Hiroyuki Yoshikawa博士说，上述这类研究活动在微生物杀虫剂新品种开发中有着至关重要的作用。人们对这点（指Type-Ⅱ基础研究）必须有充分的认识和把握。