葉 非，馮 理

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150030）

有數(shù)據(jù)表明，全世界大約有三十萬(wàn)種雜草廣泛分布，其中約1 800余種雜草所造成的產(chǎn)量損失占每天糧食總產(chǎn)量的9.7%[1]。過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，化學(xué)除草劑已經(jīng)成功地控制了各種各樣的雜草，同時(shí)大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。但是化學(xué)除草劑的大量使用也帶來(lái)了許多負(fù)面效應(yīng)，如污染環(huán)境、易對(duì)人畜產(chǎn)生毒害以及產(chǎn)生抗性雜草等，除草劑的研制與使用在不斷受到環(huán)境和生態(tài)的制約。因此，尋求更安全有效的除草制劑或使用方法已成為當(dāng)今除草劑發(fā)展的方向。微生物除草劑具有資源豐富、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，符合了可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，近年來(lái)取得了顯著的研究成果，引起了人們的廣泛關(guān)注。

1 微生物除草劑概述

狹義的微生物除草劑是指“直接利用微生物本身進(jìn)行雜草防治”；廣義而言，微生物除草劑是指利用能快速繁殖的雜草病原菌活體或由微生物產(chǎn)生的具有殺（抑）草毒性的代謝產(chǎn)物來(lái)開(kāi)發(fā)的雜草生防制劑。由雜草病原菌的繁殖體和適宜的助劑組成的微生物制劑叫做活體微生物除草劑。利用微生物所產(chǎn)生的對(duì)植物具有毒性的代謝產(chǎn)物進(jìn)行雜草防治的除草劑叫做微生物源除草劑，也叫做農(nóng)用抗生素除草劑[2-3]。

目前，人們利用微生物及其代謝產(chǎn)物來(lái)防治雜草是生物防治研究中一個(gè)較活躍的領(lǐng)域。利用活體微生物直接作為除草劑控制雜草的策略有兩大類：①傳統(tǒng)的和淹沒(méi)式的微生物防除法；②應(yīng)用微生物除草劑技術(shù)。傳統(tǒng)的做法主要通過(guò)從雜草的原產(chǎn)地引入寄主專一性天敵微生物，在田間接種釋放引起目標(biāo)雜草的病害流行，最終建立能使自己永久存在的調(diào)控機(jī)制，天敵需要1～3年的時(shí)間才能充分控制雜草種群；淹沒(méi)式策略是用大量天敵微生物“淹沒(méi)”雜草，從而在當(dāng)年獲得防治效果，但這種策略要求天敵微生物的釋放時(shí)間與雜草的敏感期一致，并確切知道天敵微生物對(duì)寄主快速反應(yīng)的時(shí)期。澳大利亞1995年引進(jìn)馬達(dá)加斯加島的無(wú)眠單胞銹菌（Maravalia cryptostegiae）防治入侵植物桉葉藤（Cryptostegia grandiflora），該菌在第一年內(nèi)傳播距離就超過(guò)了100 km，隨后其種群數(shù)量即呈線性增長(zhǎng)，在之后的3年內(nèi)，在距離最近的釋放地550 km的地點(diǎn)可以見(jiàn)到該菌[4]。而應(yīng)用微生物除草劑技術(shù)實(shí)際上是一種改進(jìn)過(guò)的淹沒(méi)式策略，即在產(chǎn)品的形式和應(yīng)用技術(shù)上和化學(xué)除草劑類似，又區(qū)別于通常意義上的淹沒(méi)式釋放。它是將雜草的致病菌進(jìn)行大量培養(yǎng)，制成標(biāo)準(zhǔn)化的制劑，當(dāng)雜草處于敏感生長(zhǎng)階段時(shí)，于苗前或苗后施用，人為制造雜草病害大流行，從而減小雜草對(duì)作物的影響。

利用微生物源物質(zhì)來(lái)開(kāi)發(fā)新型除草劑具有許多潛在優(yōu)勢(shì)：①這類除草劑作用位點(diǎn)是現(xiàn)有除草劑未涉及到的，有利于雜草的抗性治理；②這些微生物天然代謝產(chǎn)物可以為新的合成方案提供線索；③在低濃度時(shí)微生物代謝產(chǎn)物比合成的化合物具有生物活性的可能性大；④微生物代謝產(chǎn)物在環(huán)境中的半衰期比合成農(nóng)藥短得多，易迅速降解或解毒，因此登記試驗(yàn)比化學(xué)農(nóng)藥所用的時(shí)間短、資金少；⑤植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、發(fā)酵技術(shù)、分子遺傳學(xué)和基因工程的不斷發(fā)展，把生產(chǎn)昂貴的微生物代謝產(chǎn)物防除雜草變成了現(xiàn)實(shí)[5]。

2 活體微生物除草劑

目前，活體微生物除草劑是國(guó)外研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，這是由于它有許多化學(xué)除草劑所不具備的優(yōu)點(diǎn)：①微生物資源豐富，繁殖速度快，生產(chǎn)周期較短；②對(duì)人、畜、天敵等非靶標(biāo)生物安全，而且不污染環(huán)境；③由寄主雜草分離得到的植物病原菌對(duì)寄主植物一般具有種間特異性，選擇性高。

已報(bào)道的有除草潛能的微生物類型主要是：真菌、細(xì)菌、病毒等。具有雜草生物防治的真菌主要集中在9個(gè)屬：① 刺盤孢菌屬（Colleototrichum）；② 疫霉屬（Phytophthora）；③ 鐮刀菌屬（Fusarium）；④ 交鏈孢霉屬（Alternaria）；⑤ 柄銹菌屬（Puccinia）；⑥ 尾孢霉屬（Cercospora）；⑦ 葉黑粉菌屬（Entyloma）；⑧ 殼單孢菌屬（Ascochyta）；⑨ 核盤菌屬（Sclerotinia）[6]。其中交鏈孢霉屬（Alternaria）的研究報(bào)道最多。

國(guó)外對(duì)真菌防除雜草的研究很多，在對(duì)真菌除草劑的新菌株篩選以及商品化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等方面的研究成果顯著。第一個(gè)注冊(cè)的真菌除草劑是1981年在美國(guó)登記的Devine制劑，它是將棕桐疫霉菌（Phytophthora palimivora）的厚垣孢子制成懸浮劑，用于土壤處理防治柑桔園莫倫藤（Mottonia odorata）和其他多年生作物田中的有害葡萄樹(shù)，其防效達(dá)96%。Collego制劑是由美國(guó)開(kāi)發(fā)的已商品化的最成功的莖葉處理真菌除草劑，它是將長(zhǎng)孢狀刺盤孢（Colletotrichum gloeo-sporiocide f.sp.aeschynomene）的孢子加工成可濕性粉劑，用以防除水田和大豆田中的弗吉尼亞田皂角（Aeschynomene virginica），大田常規(guī)使用防效在90%以上。日本Tasmart的活性成分為稗內(nèi)臍蠕孢（Drechslera monocera），用于防治水稻田中的稗草，該藥劑為油狀液和粉末的組合包裝，在稗草2葉期時(shí)有效，該藥劑對(duì)部分禾本科作物有影響[7]。

1963年，我國(guó)山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技人員研制成功的真菌除草劑“魯保一號(hào)”，是在大豆菟絲子上分離得到的一種寄生性病原菌—膠孢炭疽菌菟絲子?；?，適用于防治蔬菜、大豆、亞麻、瓜類等作物田中所發(fā)生的菟絲子。中國(guó)水稻研究所通過(guò)對(duì)稗草禾長(zhǎng)蠕孢（Helminthosporium gramineum f.sp.echinochloae）的研究，成功開(kāi)發(fā)了一種真菌制劑，對(duì)稗草的防治效果可達(dá)到80%[8]。表1列舉出了一些已開(kāi)發(fā)和具有開(kāi)發(fā)潛力的真菌類除草劑[9-15]。

表1 已開(kāi)發(fā)和具有開(kāi)發(fā)潛力的真菌除草劑Table 1 Some developed and potential mycoherbicide

從雜草根系土壤的微生物菌群中篩選出的具有除草活性的細(xì)菌也可以作為開(kāi)發(fā)微生物除草劑的重要資源，正日益受到廣泛的重視。具有除草潛能的根際細(xì)菌（Rhizobacteria）主要集中于8個(gè)屬：①假單孢菌屬（Pseudomonas）；② 腸桿菌屬（Enterobacter）；③黃桿菌屬（Flavobacterium）；④檸檬酸細(xì)菌屬（Citrobacter）；⑤無(wú)色桿菌屬（Achromobacter）；⑥ 產(chǎn)堿桿菌屬（Alcalligenes）；⑦ 歐文氏菌屬（Erwinia）；⑧ 黃單胞細(xì)菌（Xanthomonas）。其中黃單孢菌屬（Xanthomonas）既是重要的植物病原菌，也是工業(yè)上應(yīng)用較多的一類細(xì)菌[16]。

除此之外，利用病毒防治雜草也有很多實(shí)例，例如Lpp-1病毒可用來(lái)防治水中的藍(lán)綠藻等水生雜草，在容積為3.8 m3貯水池中接種100 mL該病毒制劑，7 d內(nèi)可使藻類數(shù)量明顯下降[20]。Charudattan等發(fā)現(xiàn)了一種能控制嚴(yán)重危害美國(guó)東南部牧場(chǎng)和草地等自然區(qū)域雜草熱帶蘇打蘋果（Tropical Soda Apple；TSA）的煙草花葉病毒（Tobacco mild green mosaictobamovirus），這種病毒能引起系統(tǒng)的超敏感反應(yīng)，從而殺死TSA的幼苗和成熟植株。它被認(rèn)為是防除TSA的高效微生物除草劑，有待成為第一個(gè)病毒類的微生物除草劑產(chǎn)品[21]。

3 微生物源除草劑（農(nóng)用抗生素除草劑）

微生物能產(chǎn)生很多代謝產(chǎn)物，這些產(chǎn)物中含有殺草活性物質(zhì)，因而微生物源除草劑具有許多人工合成的傳統(tǒng)除草劑無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：①化學(xué)結(jié)構(gòu)新穎，一般為經(jīng)典的農(nóng)藥化學(xué)合成難以發(fā)現(xiàn)的潛在的新型植物毒性化合物；②與活性微生物除草劑相比，更易儲(chǔ)存、利于劑型加工和使用方便；③天然植物毒素一般為多靶標(biāo)作用位點(diǎn)和方式，不容易引起雜草抗性的產(chǎn)生；④選擇性強(qiáng)，有相當(dāng)一部分為寄主專化性毒素，易于在環(huán)境中降解，大多對(duì)哺乳動(dòng)物低毒，對(duì)非靶標(biāo)生物較安全；⑤開(kāi)發(fā)和登記等費(fèi)用低于化學(xué)除草劑[22]。

利用微生物的代謝產(chǎn)物開(kāi)發(fā)微生物源除草劑，在日本的研究最為活躍。第一個(gè)開(kāi)發(fā)成商品除草劑的微生物產(chǎn)物為雙丙氨膦（Bilanafos），它是由從土壤中分離的鏈霉菌（Streptomyces viridochromogenes）產(chǎn)生的，一種非選擇性內(nèi)吸傳導(dǎo)型莖葉處理除草劑，廣泛用于防除一年生和多年生禾本科雜草及闊葉雜草。AAL-毒素是Abbas等發(fā)現(xiàn)的侵染番茄的交鏈孢菌致病變種產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，它是一種高效的植物毒素[23]。最近，細(xì)菌梨火疫病菌（Erwinia amylovora）的天然蛋白質(zhì)產(chǎn)物Messenger作為真菌劑獲得了注冊(cè)，使得該領(lǐng)域的研究上升到開(kāi)發(fā)蛋白質(zhì)源除草劑及其相應(yīng)的作用方式。例如，利用尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）產(chǎn)生的真菌蛋白能殺死闊葉雜草而其對(duì)單子葉植物很安全[24]。此外，已知的具有除草活性的抗生素還有除草菌素（Herbicidin）、綠僵菌素（Destruxin E）、桿孢菌素（Roridins）和疣孢菌素（Verucarins）等。表 2列舉了一些已開(kāi)發(fā)和具有開(kāi)發(fā)潛力的微生物代謝產(chǎn)物[3,25]。

近年來(lái)我國(guó)也在微生物源除草劑領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作并取得了一些顯著成果。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)雜草研究室萬(wàn)佐璽，強(qiáng)勝等研究人員在研究紫莖澤蘭病害時(shí)成功分離、篩選出了紫莖澤蘭自然致病真菌鏈格孢菌（Alternaria alternata（Fr.）Keissler），認(rèn)為其代謝產(chǎn)物具有開(kāi)發(fā)為農(nóng)用抗生素除草劑的潛力[26]。通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這種高活性真菌使紫莖澤蘭致病的主要原因是它產(chǎn)生的毒素AAC-Toxin，施藥5 h，就可導(dǎo)致雜草萎蔫，4 d可以完全殺死雜草。研究人員據(jù)此模擬合成并篩選出系列化合物，研發(fā)出我國(guó)首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微生物源除草劑技術(shù)—“敵散克”（Disancu）。該除草劑專用于農(nóng)田雜草馬唐及其稗草、狗尾草和千金子等禾本科雜草的防除，對(duì)目標(biāo)雜草控制效果可以達(dá)到90%，有很好的生物防治應(yīng)用前景。張金林等發(fā)現(xiàn)蔥葉枯病菌毒素可以強(qiáng)烈抑制禾本科雜草種子萌發(fā)，其中對(duì)馬唐的防效與百草枯藥效相當(dāng)[27]。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，研究人員又從15株灰霉病菌株BC-4中分離出了三株具有較強(qiáng)除草活性的菌株，在100 mg·L-1濃度下可以抑制馬唐生長(zhǎng)，在50 mg·L-1濃度下能完全抑制馬唐和反枝莧種子發(fā)芽[28]。姜述君等通過(guò)色譜技術(shù)從狹卵鏈格孢菌株AAEC0523中分離到一淡黃色的油狀毒素，對(duì)稗草的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)都有較強(qiáng)的抑制作用，作為微生物源除草劑具有較好的開(kāi)發(fā)潛力[29]。上述工作的開(kāi)展，填補(bǔ)了我國(guó)在農(nóng)用抗生素除草劑這一領(lǐng)域的研究空白，擴(kuò)大了我國(guó)微生物代謝產(chǎn)物的研究范圍，為微生物除草劑的研制開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。

表2 已開(kāi)發(fā)和具有開(kāi)發(fā)潛力的微生物代謝產(chǎn)物Table 2 Some developed and potential microbial metabolites

4 微生物除草劑存在的問(wèn)題和發(fā)展前景

雖然近年來(lái)有不少微生物除草劑獲得了專利授權(quán)，但通過(guò)商品生產(chǎn)登記的還很少，與農(nóng)業(yè)及環(huán)境保護(hù)實(shí)際應(yīng)用的需求存在很大的差距。主要原因是微生物除草劑在其研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中存在著一些突出的問(wèn)題和不足，困擾著微生物除草劑的發(fā)展：①工廠化大規(guī)模生產(chǎn)的條件不成熟，微生物除草劑的培養(yǎng)和加工技術(shù)等無(wú)法建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；②植物形成的次生物質(zhì)往往是一組化學(xué)結(jié)構(gòu)類似的相關(guān)化合物，不僅分離提取和化學(xué)成分的確定難度相當(dāng)大，而且工作量也很大；③很多微生物除草劑對(duì)目標(biāo)生物的選擇性極強(qiáng)，作用靶標(biāo)單一，推廣及大規(guī)模生產(chǎn)受到限制；④通常微生物除草劑對(duì)環(huán)境條件的要求比化學(xué)除草劑更苛刻，容易導(dǎo)致微生物除草劑防效較低，見(jiàn)效較慢；⑤活性物質(zhì)不穩(wěn)定，菌株變異退化，致病力減弱，制劑加工困難等諸多問(wèn)題。

盡管微生物除草劑存在上述問(wèn)題，使其推廣及大規(guī)模生產(chǎn)受到限制，但是隨著生物科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和科學(xué)家們對(duì)微生物除草劑研究的逐步深入，一些問(wèn)題已經(jīng)得到解決。例如：①通過(guò)適當(dāng)?shù)闹鷦╊愋图爸苿┘庸ぜ夹g(shù)可以促進(jìn)和調(diào)節(jié)孢子萌發(fā)，增加致病性，減少對(duì)環(huán)境依賴性，提高防治效果和穩(wěn)定性；②通過(guò)基因?qū)牒图?xì)胞融合技術(shù)可以重組自然界存在的優(yōu)良的除草基因，改良潛在除草作用的特殊酶的基因，以此來(lái)提高致病力和藥效[30-31]；③選擇兩種或兩種以上的微生物作為一種單獨(dú)的除草劑防治多種雜草，改良了微生物除草劑的品種和寄主專一性等。此外，由于某些根際細(xì)菌的固氮作用能夠減少施用化學(xué)肥料的費(fèi)用，開(kāi)發(fā)同時(shí)有固氮作用的細(xì)菌除草劑將會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。以上這些研究的廣泛開(kāi)展，為進(jìn)一步的微生物除草劑的開(kāi)發(fā)提供了可能，相信未來(lái)，將會(huì)有更多的活體微生物及其代謝產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)商品化。

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