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编号:10406554
生物杀虫剂与新的农业科技革命
http://www.100md.com 2004年5月31日 中国中药材GAP网
     作者:冯明光 来源:浙江农业大学

    摘 要:本文论证了在新的农业科技革命时代发展生物杀虫剂的迫切性、重要性和必要性以及真菌杀虫剂防治刺吸式害虫不可替代的独特地位、作用及其优越性。通过探讨国内外真菌杀虫剂研究的经验和教训,提出了发展我国真菌杀虫剂产业的建议:①树立将经济效益和社会效益统一起来的思想认识,高度重视有利于农业生产可持续发展的生物杀虫剂的研究与产业化;②加强真菌杀虫剂的产业化基础和技术研究,包括昆虫病理学、昆虫流行病学、产品的工艺化及田间应用配套技术;③选准突破口,将杀虫真菌的研究重点转移到刺吸式口器害虫上来,在提炼现有技术成果的基础上有所创新和突破,尽快出产品,为刺吸式害虫的防治提供持续有效的对策和技术支撑。

    关键词:新的农业科技革命 生物杀虫剂 真菌杀虫剂 效益与公益 可持续农业

    新的农业科技革命正在全球悄然兴起和发展。这是一场关系到人类及其生存和生产环境的前途与命运的产业革命,其涉及面之广是史无前例的。从总的发展趋势看,新的农业科技革命追求农业生产的高产优质高效益和可持续发展,还要求生产者对农产品(包括动物和植物产品)的消费者负责,不造成或尽量减少公害,有益于人类健康水平的提高。这场革命的性质和基本目标对农业生产的保护工作提出了更高更严的要求。本文仅就植物保护在即将到来的新世纪中所面临的发展机遇和挑战给予讨论,重点放在研究和开发防治刺吸式口器害虫的生物杀虫剂方面。
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    1 对付刺吸式害虫的生物杀虫剂

    现代农业离不开植物保护。“绿色革命”选育和大规模种植耐肥耐水耐密植的高产品种,在很大程度上为害虫提供了最为有利的猖獗条件,作物保护不得不依赖于化学杀虫剂。有机合成的化学杀虫剂确实从虫口挽回了大量损失,但其代价极其高昂。化学杀虫剂对农业生态系统及其生产力的破坏性和农产品残留残毒污染及其对人类健康的影响早已被人们所认识。一代代灭生性化学杀虫剂只是成功地造就了当今发达的杀虫剂市场,并没有亦不可能从根本上改变害虫的发生规律、频率和程度。相反,近40年来害虫的再增、猖獗与新害虫的不断演变和暴发成灾,化学杀虫剂起到了推波助澜的作用。其中,刺吸式口器害虫(如蚜虫、飞虱等)的猖獗尤为突出。由于特殊的生态策略,它们对几乎所有的化学杀虫剂产生强烈的抗药性,越用药越泛滥,越泛滥越用药,如此恶性循环,作物生产环境日趋恶化。“小虫子、大灾害”是目前和今后严重威胁农业生产和迫切需要解决的全球性难题。

    发展生物杀虫剂、应用现代生物技术控制害虫的发生和危害是植物保护业在新的农业科技革命时代所面临的重要机遇和挑战。80年代中期以来相继问世的多种转基因植物和遗传工程改造的苏云金杆菌(Bt)制剂,开创了生物杀虫剂开发与应用的新时代。然而,以Bt产毒基因克隆和转移技术为基础的转基因植物或微生物制剂,主要靶标害虫是咀嚼式口器害虫(如鳞翅目、鞘翅目等),对蚜虫、飞虱、粉虱等刺吸式口器害虫却无能为力。这种状况是由两大类害虫的取食为害方式和昆虫病原微生物对寄主的作用方式所决定的。细菌、病毒等病原微生物必须经昆虫口器摄入经消化道感染而杀死寄主,一般只对咀嚼式口器害虫有效,而无法作用于将口针插入植物韧皮部吸食汁液的刺吸式口器害虫。
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    什么样的病原微生物能有效杀死刺吸式害虫呢?根据国内外的研究,只有真菌能感染和杀死刺吸式害虫并且具有利用开发价值,因为真菌病原物一般通过体壁侵入寄主昆虫,无需从口器摄入。因此,研究和开发防治刺吸式害虫的生物杀虫剂,其实质是如何利用种类十分丰富的昆虫病原真菌,即开发和应用真菌杀虫剂。这是近20多年来发达国家许多实验室的主攻方向,亦将是跨世纪的研究热点。

    2 真菌杀虫剂的研究现状与发展趋势

    具有利用和开发价值的杀虫真菌主要包括两大类,一是属于半知菌亚门的丝孢菌类(Hyphomyctes),如白僵菌、绿僵菌、拟青霉和轮枝菌等,二是属于接合菌亚门的虫霉目(Entomophthorales)真菌,后者包含许多经常引发高强度害虫流行病的种类,如虫疠霉、虫瘟霉、虫疫霉等。杀虫真菌的研究水平基本上与现代微生物技术同步。但是,杀虫真菌在分子生物学方面的进展不如病毒和细菌。主要原因有二:第一,真菌系真核生物,遗传性状的表达比较复杂,许多杀虫真菌多核,基因定位、测序和克隆比细菌和病毒复杂得多,因而发展缓慢。第二,学术界存在一种观点,认为杀虫真菌是通过侵染致病而杀虫,适当的潜伏期非但不是坏处,从寄主与病菌的关系看反而是其能经常在害虫种群中流行并抑制害虫增长的长处,只需筛选好的自然菌种(株)加以利用,而无需对其进行遗传改造。所以,世界上目前已经注册的真菌杀虫剂,所用菌种(株)都是自然分离物,遗传改造或转基因的菌株虽有研究,但至今未见实际应用。杀虫真菌的生产和剂型加工基本上是利用现代微生物产业化技术。正因为如此,我国杀虫真菌在基础研究方面与发达国家相比虽有相当差距,但在应用技术方面并不落后,甚至有自己的特色。
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    美国和西欧等发达国家一直注重杀虫真菌的基础研究,在许多方面占据着领先地位。在长期依赖化学杀虫剂防治刺吸式害虫后的今天,他们终于接受了真菌杀虫剂。在化学杀虫剂的快速性及恶性后果与真菌杀虫剂的滞效性及长期的良性循环之间,他们最终选择了后者。英国早在80年代就推出了轮枝菌的制剂产品,虽商品化初期市场较狭小,但近年发展较快。1995年上半年,一向对杀虫真菌持冷漠态度的美国登记注册了两个真菌杀虫剂系列产品,一是球孢白僵菌,二是枚烟色拟青霉,靶标害虫主要是蚜虫、粉虱、害螨及蓟马等小型刺吸式口器害虫。这标志着真菌杀虫剂的产业化时代已经开始。目前,墨西哥和尼加拉瓜等中美洲发展中国家亦在积极研制并即将推出针对粉虱、蚜虫和叶蝉的真菌杀虫剂。尤其引人注意的是,世界上一些著名的化学杀虫剂公司,面对市场变化和环保压力,已开始调整产业结构,向包括真菌制剂在内的微生物杀虫剂方面倾斜。

    我国用于微生物防治的真菌制剂的研究工作有相当的基础,尤其是利用球孢白僵菌大面积防治林区松毛虫的经验与技术令世人瞩目。在农业害虫的防治方面,东北地区应用球孢白僵菌制剂防治玉米螟的工作已持续多年,积累了丰富的经验。由于数度被列为国家五年计划的攻关项目,菌剂的生产和加工技术均已比较成熟。存在的问题主要在以下几个方面:第一,在基础研究方面长期忽视昆虫病理学和流行学的基础研究,导致应用研究的盲目性和低水平重复,遍地开花难结果。第二,在应用方面未能拿出生物学稳定的剂型及其相应的配套应用技术,生产条件简陋,因而难以打开市场。我国至今尚无正式注册登记的真菌杀虫剂品种。第三,在菌种的选择上比较单一,长期在立项上将大量投入集中在白僵菌上,若干其他优势菌种未受到应有的重视。第四,靶标害虫的选择在一定程度上走入了误区,大量研究主要针对钻蛀性或隐蔽性的鳞翅目或鞘翅目等咀嚼式口器害虫,从未将叶面暴露性的刺吸式口器害虫列入首攻目标,而面对Bt等其他微生物制剂的竞争压力与冲击,真菌制剂对咀嚼式害虫的效果尚不具有明显优势。这些存在的问题都说明加强我国杀虫真菌应用基础研究的重要性与将研究目标转移到刺吸式害虫的必要性和迫切性。
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    虫霉是另一类对蚜虫、飞虱、叶蝉等刺吸式口器害虫非常重要的杀虫真菌。许多虫霉菌在寄主的科一级水平上专化,自然流行潜力极高,能在短期内摧毁害虫种群,是理想的生物杀虫剂材料,因而备受研究者的注目。发达国家对虫霉的应用研究投入很多,尤以80年代欧共体成员国的联合项目投资巨大。虽然他们在基础研究方面做了许多出色的工作,但并没有在应用方面取得实质性的进展。他们的失败经验反而成为阻碍人们继续进行虫霉应用研究的心理障碍。笔者曾研读过他们的几乎所有文献报道,发现生物学相容性是主要问题。虫霉菌能主动弹射分生孢子“射中”一定范围内的寄主而使其感染发病并流行起来。这是所有杀虫微生物中非常独特和重要的生物学和流行学特性。欧洲人不是不懂得这一特性,而是没有找到有效的途径利用这一特性。结合考虑虫霉流行所需要的高湿度条件,笔者两年多前提出了研究虫霉生物学相容制剂的设想,即寻找一种具有胶体性质、能够吸湿保湿的高分子材料,将虫霉菌丝包埋于其中,通过剂型化工艺制成微小颗粒。这样的颗粒能自空气中吸收水分,在其界面达到饱和而使菌丝活化,产生并弹射孢子而感染寄主。也就是说,每一颗粒既具有自然虫尸的产孢传染能力,又具有自然虫尸所没有的湿度调节功能。如果这样的剂型研制成功,将有可能催生一代面貌全新的真菌杀虫剂。我们已经在高分子材料和菌丝包埋工艺的研究方面有所进展。
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    1992年召开的“世界环境与发展大会”明确提出了在20世纪初生物农药要占全球农药总用量60%的目标。目前,全球生物农药的用量占总用药量不到10%,其中绝大部分是以Bt为代表的生物杀虫剂,真菌杀虫剂所占份额较小。在中国,生物杀虫剂的用量远低于世界平均水平,主要产品是防治咀嚼式鳞翅目害虫的Bt制剂,但抗药性问题较为突出,如小菜蛾对Bt的抗性发展极快。用于防治刺吸式口器害虫的微生物杀虫剂在我国尚属空白,而这类害虫的危害面积和程度比咀嚼式害虫有过之而无不及。目前,我国十字花科蔬菜的安全性问题越来越突出,各种传媒不时披露学术和机关食堂集体中毒事件的发生,用于防治蚜虫、粉虱、螨类的杀虫剂用量及残毒已经到了消费者忍受的极限。主要粮棉作物上的棉蚜、麦蚜频繁暴发成灾,越用化学杀虫剂越猖獗。因此,我国亟需加强杀虫真菌的基础研究和发展真菌杀虫剂产业,亦是我们有条件赶超世界先进水平的重要领域之一,国家应当尽快组织人力物力财力对真菌杀虫剂的产业化基础及其技术进行研究。

    3 发展我国防治刺吸式害虫的真菌杀虫剂的建议
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    3.1 统一效益与公益的认识

    在我国发展真菌杀虫剂防治刺吸式害虫是一件新生事物,首先要解决人们的思想认识问题。对于生态策略特殊、极难防治的刺吸式害虫,防治策略和技术既要讲效益,更要讲公益,注重可持续性。

    讲效益,单从杀虫的短期时效看,任何生物杀虫剂都不是化学杀虫剂的对手,真菌制剂亦不例外。但是,80年代在发达国家兴起的、以生产绿色食品为目的的有机农业(organic agriculture),使生物杀虫剂能够产生比化学杀虫剂更高的经济效益。例如,美国有机农业的果蔬产品比普通同类产品的价格高出50%~150%,日本有机农产品的价格要高30%~80%。据权威组织统计,由于环境和健康意识的提高,欧洲人有86%宁愿购买有机农产品,其中57%的人即使花高价也要买。美国的有机农产品达500种以上,约占总量的10%。应当指出,有机农业不主张消灭害虫,而是在一定限度内容忍,通过产品质量效益的提高(无农药污染)补偿或超补偿产量损失的效益。树立这样的效益观,围绕绿色食品的生产使用真菌杀虫剂防治刺吸式害虫,其市场潜力巨大,前景光明。
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    讲公益,杀虫真菌对人畜和环境无害,与害虫种群表现为一种密度制约关系,本身作为生态系统的一员可参与自然循环而在较长时期内发挥作用,不会使目标害虫产生抗性。长期在作物系统中使用真菌杀虫剂防治刺吸式害虫,不仅不产生抗药性,其防治效果还具有累加性,因而是可持续的植物保护手段,应加快发展步伐。

    3.2 加强产业化技术的基础研究

    昆虫病理学是生物杀虫剂的摇篮,在我国相当薄弱,国家自然科学基金委员会的项目申请指南里甚至还没有列出该学科的代码。我国研究各种昆虫病原物的人不少,但自觉将其纳入昆虫病理学学科的人很少,习惯于实用主义的思维,许多项目深度不够,低水平重复。这是我国真菌杀虫剂难以问世的主要原因之一。

    加强基础研究,主要是加强杀虫真菌侵染生物学和流行规律的研究。应当选择具有典型意义的目标害虫和优势菌种,弄清病原菌致病杀虫的机理和要求,揭示影响害虫病害流行的主要生态因子和控制条件,评价流行性真菌病害对害虫种群的控制作用,从而针对不同作物环境选择最为有效的真菌种类进行纵深研究和开发。这是真菌杀虫剂的应用配套技术的重要支撑,亦是保证我国在该领域研究水平上一个台阶、缩小与世界先进水平差距的必由之路。
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    3.3 选准突破口

    突破口的选择主要应当考虑最适合杀虫真菌发挥其作用的目标害虫和作物环境。我国目前应当瞄准危害蔬菜和主要粮棉油作物的刺吸式口器害虫,因为这类害虫对化学杀虫剂的抗药性极强,除真菌外没有其他微生物可以深度开发成为有效的生物杀虫剂产品。

    杀虫真菌的研究,应当突出两个方面。第一,对于我国有较好研究基础的丝孢类杀虫真菌,主要问题是将目标转移到刺吸式害虫上来,对已有的研究成果加以提炼并加大力度进行深度开发,组织力量重点突破剂型的优化、制剂的生物学稳定性(储藏期)以及田间应用配套技术。这是近两年发达国家能够连续推出新产品的重要经验,值得很好借鉴,以便尽快实现我国真菌杀虫剂零的突破,出产品,出效益。第二,对于研究难度较大、世界上还没有成功应用先例的虫霉菌,目前应让国内少数有条件的实验室进行应用基础的研究,重点扶持虫霉生物学相容剂型及其相关内容的研究,争取早日突破虫霉应用研究的僵局,站在该领域的世界领先水平行列。, 百拇医药