王 丁,楊 雪,劉春雷，?；燮?張麗琴

(河南財政金融學院 生命科學系，河南 鄭州 450046)

1 引言

農(nóng)藥對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)來說十分重要，在防治農(nóng)作物病、蟲、草害，保證農(nóng)作物正常生長，提高單位面積產(chǎn)量等方面均起著舉足輕重的作用。從當前發(fā)展狀況來看，化學類農(nóng)藥具有種類多、見效快、價格便宜等優(yōu)勢，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的病蟲害防治方面，除少數(shù)試點生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)和試驗田使用生物農(nóng)藥以外，絕大多數(shù)區(qū)域仍主要使用化學類農(nóng)藥。但長期化學類農(nóng)藥的濫用所造成的環(huán)境污染已經(jīng)危及田間許多有益生物，同時也已嚴重威脅到人類健康甚至生命。此外，由于部分化學類農(nóng)藥的過度使用已經(jīng)導致部分害蟲產(chǎn)生了耐藥性，從而更加猖獗。所幸的是，這一領域已經(jīng)引起了社會的廣泛關注，尤其近些年，隨著人們的健康意識、環(huán)保意識及食品安全意識的日益增強，化學類農(nóng)藥生產(chǎn)及應用在全球范圍內(nèi)正普遍被限制甚至被淘汰，這恰巧為生物農(nóng)藥的發(fā)展提供了廣闊的空間。

2 生物農(nóng)藥的概念及發(fā)展史

2.1 生物農(nóng)藥的概念

生物類農(nóng)藥(biological pesticides)，簡稱生物農(nóng)藥，與傳統(tǒng)化學類農(nóng)藥迥然不同，其涵義十分廣泛。然而，早期生物農(nóng)藥的范疇卻僅限于“微生物農(nóng)藥”[1]。后來，其概念逐步得到了延伸和擴展，即凡用作農(nóng)藥的微生物制劑、天然生理活性物質(zhì)(包括動物和植物產(chǎn)生的)都屬于生物類農(nóng)藥。 聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)給出的定義認為：生物害蟲控制劑(biological pest control agents) ，包括生物化學類農(nóng)藥和微生物類農(nóng)藥。在《中國農(nóng)業(yè)百科全書》(農(nóng)藥類)中，生物農(nóng)藥則被定義為應用生物類資源開發(fā)的農(nóng)藥。狹義的生物農(nóng)藥是指由生物直接產(chǎn)生的天然活性物質(zhì)或直接將生物活體本身用作農(nóng)藥；而廣義的生物農(nóng)藥除此之外還應包括根據(jù)天然活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或其類似結(jié)構(gòu)、衍生結(jié)構(gòu)等經(jīng)人工合成的農(nóng)業(yè)藥劑。

隨著生命科學的飛速發(fā)展，生物農(nóng)藥的概念也被賦予了新的涵義，英國作物保護委員會按來源將生物農(nóng)藥分作五類，即微生物、植物、動物與農(nóng)藥相關基因也被補充進來。美國環(huán)保署農(nóng)藥部(EPA) 卻將生物農(nóng)藥分作三類，其中有一類是植物農(nóng)藥(Plant-pesticides)，即將被用作藥物的蛋白基因轉(zhuǎn)入植物體內(nèi)，其表達產(chǎn)物便是目的農(nóng)藥，也被稱作轉(zhuǎn)基因植物農(nóng)藥，從而進一步拓展了生物農(nóng)藥的概念。2001年中國農(nóng)業(yè)部綜合了當時不同定義進一步明確了生物農(nóng)藥的概念，加強了我國生物農(nóng)藥的管理工作。綜上所述，無論如何定義，生物農(nóng)藥實質(zhì)應是活體生物本身或來自于生物的生物活性物質(zhì)。生物農(nóng)藥與傳統(tǒng)化學農(nóng)藥區(qū)別的關鍵就在于有無化學類結(jié)構(gòu)，是否來源于生物體。由此可見，生物農(nóng)藥相對科學、確切的定義應該是：可用來殺滅或抑制病、蟲、草等有害生物的生物類藥劑，包括活體生物本身及可作為“農(nóng)藥”的且來源于生物的各種生物活性物質(zhì)(換言之，這些物質(zhì)既要具有作為“農(nóng)藥”的生物活性，更要在生產(chǎn)、加工、使用及對環(huán)境的安全性等方面符合有關“農(nóng)藥”的法規(guī))。

2.2 生物農(nóng)藥的發(fā)展史

生物農(nóng)藥有著悠久的發(fā)展歷史。在我國，早在2000多年前就有應用，《周禮·秋官》中就有“焚牡菊，以灰灑之”、“莽草熏之”等防治有害生物的記載；在古羅馬，人們很早就知曉用藜蘆來防治昆蟲和忍鼠等有害生物。19 世紀以后，用于防治有害物生物類物質(zhì)的開發(fā)和應用已逐漸步入科學試驗階段，例如除蟲菊酯、魚藤酮、煙堿等的應用。到了20 世紀前期，微生物學迅速發(fā)展，尤其是蘇云金桿菌(Bacillus thuringiensis, Bt)的發(fā)現(xiàn)，極大地促進了微生物類農(nóng)藥的開發(fā)和應用。而20世紀30年代以后，由于幾類內(nèi)源性植物激素的相繼發(fā)現(xiàn)，加之40年代有機合成和化學農(nóng)藥出現(xiàn)，在一定程度上阻礙了生物農(nóng)藥的發(fā)展。盡管如此，基于B.popi、Bt 的產(chǎn)品仍舊在美國順利上市。而到了20世紀60 年代，化學類農(nóng)藥的弊端逐漸凸顯出來，生物類農(nóng)藥又重新受到人們的重視。尤其是最近幾十年，生物類農(nóng)藥的發(fā)展相當迅速，利用生物類農(nóng)藥進行植物病、蟲、草害的防治也取得了很多成功[2～8]。在世紀之交，植物類農(nóng)藥(也稱轉(zhuǎn)基因植物農(nóng)藥)等相繼出現(xiàn)，又一次將生物農(nóng)藥的研究推向高潮。相信在不遠的將來，生物農(nóng)藥有望替代或很大程度上替代傳統(tǒng)化學農(nóng)藥。

3 生物農(nóng)藥的研究與利用

3.1 植物源農(nóng)藥

3.1.1 植物源生物活性物質(zhì)類農(nóng)藥

目前此類農(nóng)藥越來越多，主要包括植物源毒素，即植物本身產(chǎn)生的能殺滅或有效抑制害蟲等有害生物(例如使害蟲拒食、抑制害蟲生長發(fā)育等)的生物活性物質(zhì)；植物內(nèi)源性激素類，如乙烯、細胞分裂素、赤霉素、蕓苔素內(nèi)酯、脫落酸等；植物來源的昆蟲激素， 如早熟素等；異株克生類物質(zhì)(即由植物體產(chǎn)生的能抑制周圍其他生物生長的物質(zhì))；防衛(wèi)素類，如豌豆素等。

植物源殺蟲劑方面研究成果并不多。就殺蟲有效成分而言，植物源殺蟲劑主要有生物堿類、萜烯類、萘醌類、黃酮類，甾類等[9, 10]。這些物質(zhì)對昆蟲具有毒殺、使其拒食、引誘、驅(qū)避、使其絕育、抑制其生長發(fā)育等作用。田新湖等的研究表明，魚藤酮等能有效防治茶假眼小綠葉蟬[2]；周順玉等研究發(fā)現(xiàn)，魚藤酮、藜蘆對茶尺蠖和茶毛蟲具有很好的防效[8]。對于植物源殺菌劑，盡管很多植物都有可能作為殺菌劑，但開發(fā)出來的產(chǎn)品不多。這可能主要是因為，此類殺菌劑往往是在植物體內(nèi)中間多謝過程中產(chǎn)生的，而當人們研究植物源殺菌劑化學成分時，通常過分強調(diào)中間代謝物或植物抗毒素本身，而這些物質(zhì)則是植物在接觸相應病原體以后才在體內(nèi)合成并積累的。而且，大多數(shù)情況下，這類殺菌劑只有在離體后方才有效，另外，此類殺菌劑在發(fā)揮作用時通常會伴隨著發(fā)生植物藥害，同時還難以重復[11]。關于植物源除草劑，有報道稱具有除草活性的植物大約有100多種，而且，從許多植物中分離出了的具有除草活性的生物活性物質(zhì)已有100余種，主要有肉桂酸、醌酚類、香豆素類等，其中有些已被開發(fā)為除草劑，其中，從萬壽菊中提取的α-三噻吩等植物源農(nóng)藥是除草效果最好的實例之一[11]；此外，張玲敏等研究發(fā)現(xiàn)，α-三噻吩能通過抑制相應酶活力有效抑制白紋伊蚊幼蟲的生長發(fā)育[12]。

3.1.2 植物體農(nóng)藥

植物體農(nóng)藥是利用植物本身作為載體，經(jīng)基因修飾或改造后獲得的可用作農(nóng)藥的重組體。據(jù)統(tǒng)計，自1983年轉(zhuǎn)基因植物問世以來。至今已成功開發(fā)出500余種轉(zhuǎn)基因植物，并已經(jīng)過田間試驗，在商業(yè)生產(chǎn)應用中已獲得批準的大約有90余種，其中除草劑和抗病蟲方面約占80%[13]。

目前，具有抗蟲作用的基因不多，主要有Bt蛋白基因、淀粉酶抑制基因、蛋白酶抑制劑基因以及幾丁質(zhì)酶基因等。而抗病類轉(zhuǎn)基因植物也取得了一些成果，例如，目前已成功開發(fā)出抗葉銹病轉(zhuǎn)基因小麥[14, 15]。

3.2 動物源農(nóng)藥

3.2.1 動物源生物活性物質(zhì)類農(nóng)藥

動物源生物活性物質(zhì)類農(nóng)藥主要用于害蟲的防治，包括動物毒素、昆蟲激素、昆蟲信息素等。此類農(nóng)藥最常見的為昆蟲性信息素類。據(jù)統(tǒng)計，全世界現(xiàn)已合成昆蟲性信息素1 000多種，已商品化的有280 多種。目前，在對蚜蟲的報警信息素[16]、花薊馬的聚集信息素[17]，大豆食心蟲和甜菜夜蛾性信息素[18, 19]等方面已經(jīng)取得了較大的成果。動物源毒素是在動物體內(nèi)合成的、能有效殺滅或抑制有害生物的成分。目前，研究較多的動物有蜘蛛、黃蜂等。

3.2.2 動物體農(nóng)藥

動物體農(nóng)藥主要是指通過施放并以寄生于有害生物的的方式或以捕食有害生物的方式而起防治作用的動物體。主要包括商品化的天敵昆蟲、捕食螨以及采用各類技術改造的天敵類動物等。目前，在國際上大約有130 余種天敵動物已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)，主要包括麗蚜金小蜂、赤眼峰、瓢蟲、草蛉、小花蝽、螳螂、捕食螨等。另外，值得一提的是，隨著基因工程等的發(fā)展，抗藥性或不育性基因的轉(zhuǎn)基因的研究、高能輻射導致雄蟲不育的研究等也取得了一些成果[21]。廣義上講，這些均屬于動物體農(nóng)藥。

3.3 微生物農(nóng)藥

3.3.1 微生物源生物活性物質(zhì)類農(nóng)藥

微生物源生物活性物質(zhì)類農(nóng)藥是指由微生物合成的各類抗生素及毒素等，例如赤霉素、井岡霉素、梅嶺霉素、雙丙氨磷等，對相應植物病、蟲、草害等有很好的防治效果。自20世紀80年代發(fā)現(xiàn)一種被稱作粗皮側(cè)耳菌的真菌的菌絲能產(chǎn)生相應毒素以殺滅線蟲以來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)90多種能產(chǎn)生殺滅線蟲毒素的真菌，包括子囊菌、擔子菌等[22]。此外，蔡良勇等發(fā)現(xiàn)噴灑適量的赤霉素促進煙葉生長[23]；楊媚等的研究表明，井岡霉素能有效抑制水稻紋枯病菌的生長發(fā)育[24]。

3.3.2 微生物體農(nóng)藥

微生物體農(nóng)藥是指用來防治有害生物的活體微生物。細菌類微生物體農(nóng)藥制劑主要有Bt (蘇云金桿菌)、亞寶(枯草桿菌)、力寶(假單胞桿菌)、增產(chǎn)菌(蠟狀芽孢桿菌)等。真菌類微生物體農(nóng)藥制劑主要有白僵菌(廣譜型，主要用于防治農(nóng)、林、果類中的30余種有害生物)、綠僵菌(用于地下害蟲的防治)、淡紫擬青霉(用于線蟲的防治) 、毒力蟲霉(用于蚜蟲的防治)、蠟蚧輪技菌(用于桃蚜、白粉虱的防治)等。最近，昆蟲飼養(yǎng)自動化技術進展很快，病毒離體生產(chǎn)工藝不斷開發(fā)，使病毒殺蟲劑重新受到重視，特別是核多角體病毒(NPV)。昆蟲的寄生性線蟲主要集中在小桿總科內(nèi)，其研究的重點是斯氏線蟲和異小桿線蟲。這些線蟲主要是其體內(nèi)攜帶的共生細菌導致昆蟲致病死亡，同時線蟲也分泌一些抑制昆蟲免疫系統(tǒng)的活性物質(zhì)。原生動物中，主要是利用微孢子蟲來防治害蟲和雜草，并有產(chǎn)品問世。微生物體農(nóng)藥研究的范圍很廣，近年來，新一代重組真菌、重組孢子蟲等均在研究之中，并且研究開發(fā)成果顯著。

4 生物農(nóng)藥的發(fā)展前景

在我國，生物農(nóng)藥的發(fā)展應集中于植物類農(nóng)藥和微生物類農(nóng)藥。目前，微生物類農(nóng)藥尤其是Bt，發(fā)展相當迅速，Bt研究得較為清楚，而且其豐富的資源， 便捷的工業(yè)化生產(chǎn)線，與其他生物類農(nóng)藥配合使用時超強的協(xié)同效應，都為其快速發(fā)展提供了充足的條件。而且，現(xiàn)已研制出在農(nóng)作物、森林(包括市區(qū)園林) 等的主要有害生物防治方面Bt相關產(chǎn)品，對水稻、棉花、蔬菜等農(nóng)作物及經(jīng)濟林、果園等的主要害蟲的殺滅潛力日益凸顯。因此，從Bt出發(fā)，研發(fā)新型低毒、高效、廉價殺蟲制劑具有十分重要的實踐意義。

植物本身就是農(nóng)藥的重要來源。在我國，植物類農(nóng)藥的研發(fā)同樣具有特別重要的意義。植物的種類繁多，其體內(nèi)各類反應過程十分復雜。某一種有殺蟲潛力的植物含有用于殺蟲的物質(zhì)有很多種，不同殺蟲成分的殺蟲方式又各不相同，即便同一殺蟲方式，其殺蟲成分也有區(qū)別。因此，植物類農(nóng)藥具有十分廣闊的研究前景。我國擁有豐富的植物資源，植物種類在10萬種以上，然而大部分植物中用于生物防治的活性成分與其構(gòu)效關系的研究相當不足，同時，在結(jié)構(gòu)的修飾和仿生合成等方面的創(chuàng)新性成果也不多，這與我國植物類農(nóng)藥研究的科技力量薄弱、經(jīng)費不足等有很大關系。因此，今后我國在這一領域應注重科研隊伍建設，加大資金投入，調(diào)整研究策略(例如提倡劑型多樣化等)，努力在該領域取得新的突破。