生物農(nóng)藥與生物技術(shù)在植保中的應(yīng)用與展望

胡武澤

（安徽省行知學(xué)校，安徽黃山 245200）

因生態(tài)環(huán)境惡化、水資源下降、人口持續(xù)增長(zhǎng)等問(wèn)題，農(nóng)業(yè)第二次綠色革命在全世界范圍內(nèi)掀起，其要求種植高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗性農(nóng)作物的同時(shí)，也要利用低毒害、無(wú)毒害的生物技術(shù)及生物農(nóng)藥抑制農(nóng)作物病蟲害，提升農(nóng)作物產(chǎn)量，提高植物保護(hù)效果與生態(tài)性。因此，鑒于生物農(nóng)藥、生物技術(shù)在植保方面的重大意義，應(yīng)全面了解具體應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展需要展望技術(shù)未來(lái)發(fā)展，及時(shí)解決技術(shù)缺陷。

1 生物農(nóng)藥在植保中的應(yīng)用與展望

1.1 生物農(nóng)藥的應(yīng)用

化學(xué)農(nóng)藥在植保中造成的成分殘留問(wèn)題，導(dǎo)致食品安全問(wèn)題頻發(fā)，并加重環(huán)境污染，滋生抗病原物體，其中因諸多病原物對(duì)化學(xué)農(nóng)藥產(chǎn)生抗體，導(dǎo)致藥物免疫力增強(qiáng)，降低化學(xué)農(nóng)藥使用效果，無(wú)法發(fā)揮抗病蟲害作用。因此，在農(nóng)業(yè)第二次綠色革命中，提出將農(nóng)藥轉(zhuǎn)化為生物農(nóng)藥，降低其有毒有害性，安全、環(huán)保、有效地開(kāi)展植物保護(hù)。通過(guò)生物農(nóng)藥加強(qiáng)對(duì)病蟲害的防治，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)創(chuàng)造更安全的環(huán)境，如利用微生物農(nóng)藥技術(shù)，直接作用于宿主，避免病蟲害產(chǎn)生抗體，從而在保護(hù)植物的同時(shí)，增加農(nóng)作物產(chǎn)量[1]。此外，生物農(nóng)藥毒害性降低，對(duì)周圍環(huán)境的影響有所下降，能夠維系生物生存環(huán)境的健康、穩(wěn)定。目前，據(jù)國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道顯示，生物農(nóng)藥在抑制真菌、細(xì)菌、病毒以及線蟲防治方面均有著顯著效果，按照生物農(nóng)藥的性質(zhì)與范疇進(jìn)行化分，可分為昆蟲病毒、細(xì)菌農(nóng)藥、真菌農(nóng)藥、天敵、轉(zhuǎn)基因生物5 類。

1.1.1 昆蟲病毒。生物制劑研究過(guò)程中主要將顆粒病毒、多角病毒作為研究契機(jī)，從1980 年至今多角病毒被反復(fù)應(yīng)用于棉鈴蟲、油桐尺蠖、菜粉蝶、斜紋夜蛾等害蟲防治當(dāng)中，進(jìn)行大量試驗(yàn)后，確定其有著顯著效果。安徽省農(nóng)科院植保所也通過(guò)茶蠶顆粒體病毒以及茶小卷葉蛾顆粒體病毒對(duì)茶樹(shù)蟲害展開(kāi)了有效防治；武漢大學(xué)研發(fā)出一種由小菜蛾病毒與Bt 復(fù)合而成的病毒微生物復(fù)合殺蟲劑，已在我國(guó)取得專利，該生物農(nóng)藥對(duì)小菜蛾防治率可達(dá)76%～92.5%，效果十分理想[2]。但昆蟲病毒的缺陷也十分突出，由于技術(shù)水平有限，目前殺蟲譜相對(duì)單一，適用范圍小，價(jià)格昂貴，不利于農(nóng)民接受，無(wú)法在我國(guó)大范圍推廣，且存在病毒侵染時(shí)間長(zhǎng)、病毒毒力不穩(wěn)定等問(wèn)題。

1.1.2 真菌農(nóng)藥。真菌農(nóng)藥主要應(yīng)用于植物的病蟲害防治，經(jīng)過(guò)大量研究證實(shí)效果顯著，對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重大價(jià)值。其主要種類有白僵菌、多毛菌、擬青霉菌、蟲生藻菌等，其中白僵菌的適用范圍最廣，使用頻率最高。在1960 年被發(fā)現(xiàn)，從最初的病害防控試驗(yàn)，逐漸發(fā)現(xiàn)白僵菌在作用松毛蟲、玉米螟等害蟲方面有著顯著效果，且具備生物農(nóng)藥的優(yōu)勢(shì)，無(wú)毒害性，但效果不穩(wěn)、抗逆性差等問(wèn)題也客觀存在。因此，目前并未在植保中廣泛推廣使用白僵菌，研究領(lǐng)域也在不斷通過(guò)技術(shù)手段優(yōu)化改造白僵菌內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)克隆桿菌酶基因、真菌孢子基因，不斷提高白僵菌的殺蟲效果與殺蟲效率。此外，目前處理直接利用昆蟲病原真菌作為殺蟲劑以外，生物防治研究中也開(kāi)始探索利用殺蟲活性代謝產(chǎn)物防治昆蟲病原[3]。

1.1.3 細(xì)菌農(nóng)藥。細(xì)菌農(nóng)藥中以金芽菌制劑最具代表性，經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，其在松毛蟲、馬鈴薯蟲、菜青蟲、棉鈴蟲等蟲害防治中具有顯著效果，其成分中的蛋白基因是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最寬滅蟲基因，能夠分離出兩類殺蟲蛋白基因，即Cyt、Cry。我國(guó)在20 世紀(jì)末首次克隆出抗蟲蛋白基因，目前已經(jīng)完成210 余種抗蟲蛋白基因克隆，在全國(guó)多個(gè)地區(qū)的植保中均發(fā)揮出顯著的作用，并在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所等單位的聯(lián)合下，已成功構(gòu)建起成熟的Bt 功能基因研究平臺(tái)，可對(duì)Bt 資源進(jìn)行鑒定，并克隆出多個(gè)晶體蛋白基因，也開(kāi)發(fā)了Bt 生物工程菌。其中與安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所合作研究的Bt 工程菌防治地下害蟲蠐螬已進(jìn)入中間試驗(yàn)階段，待條件適宜下將進(jìn)一步開(kāi)展環(huán)境釋放試驗(yàn)[4]。

1.1.4 天敵。我國(guó)天敵防治害蟲具有3000 多年的悠久歷史，早在《詩(shī)經(jīng)》中就對(duì)天敵防治害蟲有所記載，而在我國(guó)不斷深入發(fā)展微生物技術(shù)的過(guò)程中，天敵農(nóng)藥的研發(fā)一直被列為重點(diǎn)，目前我國(guó)已經(jīng)登記生產(chǎn)的Bt 殺蟲劑已有近百家企業(yè)，并成功利用木霉菌真菌制劑防治蔬菜灰霉病，并從Bt 資源中提取出CryAc10 以及CrylBb3等蛋白基因，提取出在抗病蟲害中效果更為顯著的蘇云金芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌等菌株。

1.1.5 轉(zhuǎn)基因生物。轉(zhuǎn)基因生物通過(guò)rDNA 技術(shù)將外源目的基因轉(zhuǎn)移到生物體內(nèi)進(jìn)行表達(dá)，是國(guó)內(nèi)外近年來(lái)生物農(nóng)藥研究的重點(diǎn)。國(guó)外通過(guò)轉(zhuǎn)基因生物在病蟲害防治中開(kāi)辟了新渠道，選擇特定抗性基因進(jìn)行雜交育種，能夠提高植保工作的預(yù)見(jiàn)性，并減少植物生長(zhǎng)期間農(nóng)藥的使用。目前國(guó)際上已有90 余種轉(zhuǎn)基因類植物產(chǎn)品，用于防治玉米螟、甲蟲、紅鈴蟲、等病蟲草害中，也培育出抗病毒的西葫蘆，抗除草劑的棉花、大豆、玉米等作物。而我國(guó)轉(zhuǎn)基因生物的研究也有顯著成果，從20 世紀(jì)末至今，已研發(fā)出近50 種轉(zhuǎn)基因植物，其中涉及基因超過(guò)100 育種，并且抗病蟲草害的基因則有62 種，且30 多種轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品已進(jìn)入田間試驗(yàn)與環(huán)境釋放環(huán)節(jié)，諸多產(chǎn)品已獲得商業(yè)化審批，如抗病毒害的番茄與甜椒、抗棉鈴蟲的棉花等。并進(jìn)一步探索具有抗蚜蟲效果的轉(zhuǎn)基因油菜、抗褐飛虱的轉(zhuǎn)基因水稻。

1.2 生物農(nóng)藥的最新開(kāi)發(fā)

近年來(lái)，從辣椒中提取活性成分辣椒素制成生物農(nóng)藥取得了良好的市場(chǎng)反響，由于辣椒便于獲取，可解決原材料獲取難的問(wèn)題，便于大規(guī)模投產(chǎn)。辣椒素中主要包含辣椒素單體、二氫辣椒素單體、降二氫辣椒素單體，占比分別為68%、25%、5%；其純品為單斜長(zhǎng)方體無(wú)色結(jié)晶，具有極強(qiáng)的刺激性，但無(wú)毒害，沸點(diǎn)介于210～220℃、熔點(diǎn)介于62～66℃，穩(wěn)定性良好，在萃取過(guò)程中損失小，可在堿性水溶液中溶解；經(jīng)過(guò)廣泛研究，目前能夠證實(shí)辣椒素具有調(diào)節(jié)血脂、減肥、抗癌、止痛、消炎等多個(gè)方面的作用，作用于動(dòng)物時(shí)能夠使其產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)，從而發(fā)揮作用。

目前，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，辣椒素發(fā)揮出了殺蟲、殺菌、趨避等作用。具體來(lái)講，辣椒素對(duì)于害蟲具有顯著的觸殺作用，諸多害蟲在接觸辣椒素后出現(xiàn)麻痹、癱瘓等情況，經(jīng)過(guò)提取與分析害蟲胃毒發(fā)現(xiàn)，辣椒素進(jìn)入害蟲體內(nèi)后，解毒酶系遭到抑制，從而引發(fā)生理病變。目前，在蚜蟲、桃蚜等害蟲治理中均取得良好效果，也有研究將辣椒素堿的害蟲治療效果與傳統(tǒng)殺蟲劑進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩者之間作用效果具有相似性，雖然在持效性、速效性上并無(wú)特殊優(yōu)勢(shì)，但其環(huán)保，可降低對(duì)環(huán)境與人畜安全的威脅。辣椒素的強(qiáng)烈刺激性使其成為一種高活性抑菌劑，目前已經(jīng)證實(shí)在抑制酵母菌、革蘭氏陽(yáng)性菌等方面均具有良好的效果，且有學(xué)者采用生物自顯影法展開(kāi)測(cè)試，能夠確定起到主要依據(jù)作用的成分為辣椒素，也有研究證實(shí)能夠抑制大腸桿菌、四鏈球菌、枯草芽孢桿菌。因辣椒素具有較強(qiáng)刺激性，可以作為趨避鳥類、昆蟲以及其他動(dòng)物的趨避劑，辣椒素具有藥效持久、可降解的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于哺乳動(dòng)物造成的危害持續(xù)時(shí)間短。

鑒于辣椒素的良好應(yīng)用前景，目前已經(jīng)展開(kāi)了辣椒素生物農(nóng)藥劑型的開(kāi)發(fā)，已有劑型包括常規(guī)劑型中的乳油、微膠囊懸浮劑，納米農(nóng)藥劑型中包括納米乳劑、納米分散體。其中乳油最為常見(jiàn)，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、方便使用、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因其能夠與有機(jī)溶劑溶解，制成乳油后可降低有機(jī)溶劑的危害，減輕污染。

1.3 未來(lái)發(fā)展展望

20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始，全世界范圍內(nèi)加速生物農(nóng)藥的研制，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化的生物農(nóng)藥有30 余種，并且在農(nóng)藥市場(chǎng)上的份額不斷擴(kuò)大。我國(guó)從20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始研究生物農(nóng)藥，經(jīng)歷基礎(chǔ)研究、應(yīng)用試驗(yàn)、批量化生產(chǎn)等多個(gè)階段，目前已有專門的生物病毒研究機(jī)構(gòu)，但規(guī)模小、技術(shù)能力有限、資金不足，使發(fā)展受到限制。從生物農(nóng)藥的應(yīng)用情況以及植保的需要兩個(gè)角度，未來(lái)生物農(nóng)藥發(fā)展中還需強(qiáng)化以下工作。

1.3.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。深入探究生物農(nóng)藥的作用機(jī)理、殘留、毒性以及對(duì)自然環(huán)境的影響，并在應(yīng)用過(guò)程中基于生物農(nóng)藥的功能與價(jià)值優(yōu)化生產(chǎn)工藝.加強(qiáng)研究有益病毒、真菌、細(xì)菌，培養(yǎng)具有無(wú)毒害副作用以及高活性的菌株，實(shí)現(xiàn)批量研發(fā)。

1.3.2 促進(jìn)橫向聯(lián)合、提供資金與政策支持。加強(qiáng)科研機(jī)構(gòu)以及生產(chǎn)企業(yè)之間的橫向聯(lián)合，加速生物農(nóng)藥研究成果轉(zhuǎn)化。在國(guó)家政策與資金的扶持下，加大研發(fā)投入，完善研發(fā)設(shè)備與技術(shù)手段，提高生物農(nóng)藥研究水平。

2 生物技術(shù)在植保中的應(yīng)用與展望

2.1 生物技術(shù)的應(yīng)用

生物技術(shù)基于生物學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)等基本原理，通過(guò)利用生物體與其組成部分生產(chǎn)出有用物質(zhì)，為人類提供某種服務(wù)。在農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域，生物技術(shù)加強(qiáng)了對(duì)植物蛋白質(zhì)學(xué)的認(rèn)識(shí)，在增強(qiáng)糧食產(chǎn)量方面發(fā)揮了重要作用，并減少農(nóng)藥的使用，提高了農(nóng)業(yè)發(fā)展的生態(tài)性與環(huán)保性。目前，國(guó)內(nèi)外植保領(lǐng)域生物技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐產(chǎn)生的代表性成果主要有以下3 種。

2.1.1 PCR 技術(shù)。PCR 是分子生物學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，目前在植保中可用于昆蟲分類，培養(yǎng)更全能的植物細(xì)胞，增強(qiáng)植物的抗病蟲害能力。在具體應(yīng)用中，實(shí)時(shí)熒光技術(shù)、ELISA 技術(shù)、多重PCR 技術(shù)、巢式PCR 技術(shù)都為PCR 技術(shù)體系的組成內(nèi)容，各項(xiàng)技術(shù)功能不同，應(yīng)用效果也存在差異。其中，巢式PCR 技術(shù)在病害檢測(cè)中具有高靈敏度以及特異度，主要應(yīng)用于病害不明確的植物檢測(cè)。因此，從PCR 技術(shù)的應(yīng)用方向來(lái)看，主要在短時(shí)間內(nèi)完成植物不明顯病害的檢測(cè)，并明確病害形成原因。

2.1.2 酶聯(lián)免疫技術(shù)。酶聯(lián)免疫技術(shù)主要應(yīng)用于植物病害成因的判斷，提高植保工作現(xiàn)代化與智能化水平。目前，世界上已研制成功多種單克隆抗體，可快速創(chuàng)造出診斷植物病毒、螺原體病原、菌質(zhì)體、細(xì)菌、真菌的條件，且可利用酶聯(lián)免疫吸附法確定田間狀態(tài)病原，靈敏地進(jìn)行相近成分區(qū)分。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)酶聯(lián)免疫技術(shù)的研究主要集中在植物病毒以及細(xì)菌病害2 個(gè)方面，并已形成多種單克隆雜交瘤細(xì)胞株，如番木瓜環(huán)斑病毒、煙草花葉病毒、水稻白葉枯病、天麻壞死黃脈病毒中均成功研制出單克隆抗體，這些成功研制的抗體使鑒別病原物更加簡(jiǎn)便、靈敏、快速。

2.1.3 基因芯片技術(shù)。基因芯片技術(shù)是在支持物上固定大量探針?lè)肿雍笈c標(biāo)記樣品分子展開(kāi)雜交，經(jīng)檢測(cè)獲取每個(gè)探針?lè)肿拥碾s交信號(hào)情況，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度獲取樣品分子數(shù)量以及序列信息。該項(xiàng)技術(shù)的探索已進(jìn)行數(shù)10年之久，最初在1998 年美國(guó)將該項(xiàng)技術(shù)作為當(dāng)年自然科學(xué)領(lǐng)域十大進(jìn)展之一，被推廣到生物科學(xué)等眾多領(lǐng)域當(dāng)中，可在基因表達(dá)檢測(cè)、基因組多態(tài)性分析、突變檢測(cè)等多個(gè)方面應(yīng)用。在植保領(lǐng)域中，可以利用基因芯片技術(shù)篩選基因突變農(nóng)作物，尋找出植物的高產(chǎn)、抗病蟲等基因。此外，在植物檢驗(yàn)檢疫工作中也有著顯著價(jià)值，在一項(xiàng)研究中，利用Genbank 數(shù)據(jù)庫(kù)信息，針對(duì)馬鈴薯侵染病毒展開(kāi)特異性探針設(shè)計(jì)，在基因芯片上完成與病毒cDNA 的雜交。試驗(yàn)結(jié)果顯示：黑環(huán)病毒、馬鈴薯斑駁病毒以及紡錘塊莖類病毒信號(hào)十分強(qiáng)烈。

2.2 生物技術(shù)的最新開(kāi)發(fā)

近年來(lái)，生物技術(shù)在改良作物品種、改善采后處理、降低病蟲害所帶來(lái)的損失方面發(fā)揮著重要的作用。其中以水稻所取得的成果最為突出，從1994-2020 年能夠統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)顯示，全世界范圍內(nèi)水稻作物種植中導(dǎo)入增加產(chǎn)量有利基因的增長(zhǎng)比例為24%，導(dǎo)入耐干旱、抗鹽脅迫的有利基因增長(zhǎng)比例為10%，從而使全球水稻產(chǎn)量較1994 年增長(zhǎng)56%。在水稻種植領(lǐng)域應(yīng)用生物技術(shù)取得的最突出成果則是在雜交水稻基礎(chǔ)上引入生物技術(shù)，如利用定位高產(chǎn)數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）增產(chǎn)，其屬于分子生物技術(shù)，可以對(duì)性片斷長(zhǎng)度多態(tài)性、簡(jiǎn)單序列長(zhǎng)度多態(tài)性做出限制，可更直觀地鑒定高產(chǎn)性狀共分離染色體區(qū)域，從而利用高產(chǎn)數(shù)量性狀點(diǎn)位則可實(shí)現(xiàn)水稻增產(chǎn)。又如袁隆平院士在研究中提出，為水稻引入外源基因延遲衰老，也實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)效果，水稻在衰老過(guò)程中，葉片細(xì)胞基因表達(dá)與代謝之間發(fā)生和諧變化，能夠使植株本身的光合能力急劇衰減，但外用細(xì)胞興奮素能夠抑制該情況。因此，當(dāng)有一種基因?qū)χ参锶~片細(xì)胞衰老做出抑制，使水稻生物量更持久，則會(huì)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，也可以抑制因病害帶來(lái)的產(chǎn)量下降。目前的研究中有導(dǎo)入操縱水稻黃矮病的cDNA、東格魯病的cDNA 以及操縱害蟲的晶體蛋白基因、蛋白酶抑制劑等，按照抗衰老的思路實(shí)現(xiàn)了抗病蟲害能力改善，也對(duì)水稻增產(chǎn)作出了巨大貢獻(xiàn)。

2.3 未來(lái)發(fā)展展望

生物技術(shù)在植保領(lǐng)域的應(yīng)用達(dá)到其他技術(shù)不具備的效果，尤其是基因檢測(cè)、檢驗(yàn)檢疫等方面，諸多技術(shù)難點(diǎn)均通過(guò)生物技術(shù)手段攻克，為植保領(lǐng)域創(chuàng)造了新的生產(chǎn)力，貢獻(xiàn)巨大。因此，加深生物技術(shù)的研究與創(chuàng)新發(fā)展，不斷與傳統(tǒng)植保技術(shù)相結(jié)合是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)生物技術(shù)發(fā)展的主要任務(wù)。同時(shí)，也要認(rèn)識(shí)到當(dāng)前生物技術(shù)發(fā)展中存在的缺陷，雖然生物技術(shù)為病蟲害鑒定提供了更科學(xué)、準(zhǔn)確、靈敏、高效的工具，其產(chǎn)生的價(jià)值不可忽視，但其應(yīng)用中也存在明顯問(wèn)題，如外源基因穩(wěn)定性控制問(wèn)題、外源基因表達(dá)量問(wèn)題以及轉(zhuǎn)基因安全性問(wèn)題、抗性新品種抗性被新種病原克服問(wèn)題。綜合以上，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)生物技術(shù)基礎(chǔ)理論研究，并從分子機(jī)理角度加深對(duì)現(xiàn)代生物學(xué)研究成果與植物病蟲害關(guān)系的研究，從而為植保工作提供更科學(xué)的技術(shù)手段，不斷提高植保工作質(zhì)量。

綜上所述，生物農(nóng)藥與生物技術(shù)在植保中的應(yīng)用，解決了植保工作與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的沖突，并在提高植物生長(zhǎng)質(zhì)量中發(fā)揮著不可替代的作用。但生物農(nóng)藥與生物技術(shù)的發(fā)展也存在明顯缺陷，希望得到全世界共同關(guān)注，在專業(yè)領(lǐng)域的不斷探索、深入研究下，及時(shí)攻克技術(shù)難題，有效提高植保工作質(zhì)量。