中国是一个农业大国,生态环境多样,作物种类繁多,病、虫、草等危害频繁发生。农药是农业生产中必需的生产资料,我国目前使用的农药以化学农药为主、生物农药为辅,为促进生态文明建设和农业可持续性发展,研发和使用无公害的生物农药得到全社会的高度重视。生物农药的定义和范畴因不同国家和不同发展时期稍有不同,主要包括植物源农药、动物源农药、生物化学农药和微生物源农药。微生物源农药主要包括活体微生物农药和微生物代谢产物农药(microbialmetabolitepesticide,简称MMP)。
MMP是以微生物发酵产生的代谢产物为活性成分、用于防治病虫草等有害生物或调节植物生长发育的生物农药,主要包括农用抗生素、植物免疫诱抗剂和植物生长调节剂。农用抗生素具有特定的杀菌或杀虫活性,化学结构和防治作用机理明确,如井冈霉素和多抗霉素；植物免疫诱抗剂诱导植物产生免疫反应,增强植物抗病虫害能力,如阿泰灵；植物生长调节剂调节植物生长发育或抗逆性,如S-诱抗素。
本文总结了我国研发的主要代谢产物农药种类、特点和最新研发与应用进展,分析了目前研发与应用中面临的问题与挑战,为新型代谢产物农药的研发与应用提供参考。
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微生物代谢产物的特点
微生物代谢产物通常具有如下特点：
(1)化学结构复杂,不能或不易通过化学方法合成；
(2)生物活性具有选择性,病原菌对这些代谢产物不易产生抗药性；
(3)兼具诱导植物产生免疫反应,提高植物抗病性,且有增产效果；
(4)在土壤环境中的残留时间短,能够被微生物分解利用；
(5)微生物代谢产物生产原料多为淀粉、糖类、玉米浆、黄豆粉等廉价再生性生物资源；采用发酵工艺生产,废液和废水可以回收再利用,对环境污染小,同一套设备略加改造可应用于其它菌种的发酵生产,投入成本相对较低。这些特点决定了微生物代谢产物农药与化学合成农药在研发、管理、使用和药效评价等方面不能等同。
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农用抗生素
农用抗生素是随着医用抗生素的发展而兴起,始于应用链霉素和土霉素等防治植物病害。日本科学家从20世纪60年代开始先后研发出灭瘟素-S、春日霉素、多氧霉素和有效霉素等一系列产品。我国从20世纪70年代开始先后成功研制并推广应用了10多个农用抗生素品种,包括杀菌剂：农用链霉素、防线菌酮、灭瘟素-S、井冈霉素、多抗菌素、春雷霉素、宁南霉素、中生菌素、武夷菌素、农抗120、公主岭霉素、四(梧宁)霉素、金核霉素；杀虫/螨剂：浏阳霉素和华光霉素；除草剂：双丙胺磷；抗鸡球虫剂：盐霉素；杀鼠剂：C/D型肉毒梭菌毒素(表1)。除此之外,下列农抗产品在我国有过研究或小规模应用,但是由于各种原因没有取得登记或大面积推广,包括杀菌剂：庆丰霉素、那他霉素、灭粉(多米)霉素、天柱菌素、秦岭霉素、长川霉素、新奥苷肽、捷安肽素；杀虫/螨剂：南昌霉素、梅岭霉素、戒台素、杀粉蝶菌素。
2.1 井冈霉素(Jinggangmycin)
井冈霉素又称有效霉素(validamycin),是吸水链霉菌井冈变种Streptomyces hygroscopicus var. Jinggangensis TH82所产生的氨基糖苷类代谢产物(图1A)。井冈霉素在纹枯菌细胞内被β-D-糖苷酶水解成井冈羟胺,强烈抑制真菌海藻糖酶,干扰能量代谢。沈寅初教授等通过多种诱变方法获得高产工程菌株,于20世纪70年代中期在浙江、江苏、上海等地产业化生产,广泛用于水稻纹枯病、棉花立枯病和麦类纹枯病等防治。此外,井冈霉素作为一个天然产物还能够诱导植物产生免疫抗性,可与其他化学农药或生物农药复配,因此,井冈霉素是我国应用面积最广的农用抗生素之一。上海交通大学邓子新教授团队克隆了井冈霉素的生物合成基因簇,在变铅青链霉菌Streptomyces lividans TK24中实现了井冈霉素的异源合成,系统阐明了井冈霉素生物合成机理。在此基础上,进一步阐明了井冈霉素生物合成的转录调控机制、群体感应调控和温度调控机制,并开展了系统的遗传与代谢改造,将工业高产菌株中井冈霉素的发酵效价提高了20%左右,降低了井冈霉素的生产和使用成本。
2.2 阿维菌素(avermectin)
阿维菌素是1975年从阿维链霉菌Streptomyces avermitilis中分离得到的十六元环大环内酯类聚酮化合物,因其高效杀虫活性而被广泛应用在农业、畜牧业和医药行业上。阿维菌素包含8个组分,组分A1a、A2a、B1a和B2a占80%～90%,组分A1b、A2b、B1b和B2b占10%～20%,其中B1a杀虫活性最有效(图1B)。我国的阿维菌素研究始于1984年,上海市农药研究所从广东揭阳土壤中分离筛选得到阿维菌素产生菌7051。沈寅初教授主持阿维菌素研发工作,证实了其在农业和畜牧业上的应用潜力。北京农业大学李季伦教授通过诱变育种、代谢工程等技术提高了阿维菌素的发酵效价,通过改进提取技术,使阿维菌素的质量得到显著提高。最近,中国科学院微生物研究所等单位采用合成生物学策略控制三磷酸甘油脂动态降解,所得工程菌株在180升工业规模发酵罐中B1a组分的发酵效价提高了50%,进一步降低了阿维菌素的生产成本。中国目前已是阿维菌素最大生产国,在该产品研发与应用过程中有3个鲜明的特点：
(1)自主知识产权；
(2)国际领先的生物合成机理研究和高产工程菌株改造技术；
(3)国际市场话语权。
甲氨基阿维菌素苯甲酸盐(简称″甲维盐″)是以发酵产品阿维菌素B1为中间体化学衍生的一种新型高效杀虫剂和杀螨剂。与阿维菌素相比,甲维盐增加了对鳞翅目害虫的杀虫活性,杀虫谱变宽,对温血动物的毒性变低,不易产生抗药性。
2.3 多杀霉素(spinosad)
多杀霉素是刺糖多孢菌Saccharopolyspora spinosa发酵液中提取的一种大环内酯类高效杀虫代谢产物(图1C),商业化的产品是spinosyn A和spinosyn D的混合物,故称其为多杀霉素。多杀霉素可以持续激活靶标昆虫乙酰胆碱烟碱型受体,也可以影响γ-氨基丁酸受体,导致害虫迅速麻痹、瘫痪,最后导致死亡。多杀霉素对靶标昆虫具有独特的快速触杀和摄食毒性,可以有效防治小菜蛾、甜菜夜蛾等多种鳞翅目害虫,而对哺乳类、鸟类等几乎没有毒性,因此,兼具化学农药的速效性和生物农药的安全性,具有低残留、快速降解等优点。合成多杀霉素的基因簇共有23个基因,长约80 kb,其生物合成包括大环内酯的合成和修饰、鼠李糖及福乐糖胺的合成与连接等环节。乙基多杀菌素是通过化学修饰衍生而来的一种新型多杀霉素类杀虫剂,安全性和防治效果更佳。我国多家研究机构一直在研究多杀霉素生物合成与调控机理,构建了一系列高产工程菌株,目前已由相关企业实现产业化。
2.4 申嗪霉素(Shenqinmycin)
申嗪霉素是假单胞菌Pseudomonas代谢产物吩嗪-1-羧酸(phenazine-1-carboxylicacid,PCA)的商业名称(图1D)。莽草酸途径的终产物分支酸是申嗪霉素生物合成前体；基因簇phzABCDEFG编码的7个酶负责协作完成从分支酸到申嗪霉素的转化。基于申嗪霉素生物合成机制和调控网络,以许煜泉教授为核心的上海交通大学研发团队开展了一系列的遗传、代谢与合成生物学改造,所得工程菌株申嗪霉素发酵效价可达到10 g/L左右。相关企业优化了高产工程菌株的大规模发酵条件,发明了一套水基化酶法绿色提取工艺,研制出环境友好的1%申嗪霉素悬浮剂剂型。截至2016年,1%申嗪霉素悬浮剂获得防治9种作物病害(水稻纹枯病、稻瘟病、稻曲病、小麦全蚀病、赤霉病、甜椒疫霉病、西瓜枯萎病、黄瓜灰霉病、霜霉病)农药登记证,应用于主粮和经济作物病害防治。
申嗪霉素的研发获得了上海市科技进步一等奖、教育部科技进步奖(推广类)二等奖。申嗪霉素在病原菌中的作用靶标兼具多样性和特异性。申嗪霉素处理显著提高水稻白叶枯菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)活性氧的积累,降低过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性,改变胞内氧化还原态平衡和碳水化合物代谢；水稻纹枯病菌(Rhizoctonia solani)经申嗪霉素半致死剂量连续处理30代,没有出现抗药性。申嗪霉素及其衍生物吩胺霉素抑制水稻纹枯病菌几丁质合成酶活性和线粒体中的电子传递和氧化磷酸化。经0.1～1μmol/L吩胺霉素处理后,水稻对稻瘟病菌Magnaporthe grisea的抗性、大豆对立枯病菌Rhizoctonia solani Kuhn的抗性都显著增强。吩胺霉素对小麦赤霉病菌Fusarium graminearum的生长抑制作用明显,作用靶标之一为组蛋白乙酰化酶。
2.5 武夷菌素(Wuyiencin)
武夷菌素是小白链霉菌武夷变种Streptomyces albulus var. wuyiensis产生的多组分代谢产物,主要是武夷菌素a和b。组分a通过红外光谱、碳谱、氢谱分析,确定其分子式C13H21N3O14,为一种含有胞苷骨架和过氧键的核苷类抗生素(表1),属于一种结构全新、具有自主知识产权的新型农用抗生素。此外,武夷菌素产生菌发酵液中还含有ε-聚赖氨酸、苯甲酸、间苯二甲酸和黄酮类化合物等代谢产物(图1K,J),因而具有较强的抑菌活性。武夷菌素防治植物病原真菌的作用机制包括两个方面：一是直接抑制病原菌生长以及分生孢子萌发；二是诱导植物产生防御相关酶(如超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶和苯丙氨酸解氨酶),提高植物自身的抗病性。近年来,中国农业科学院植物保护研究所与相关企业合作,建立了该有效成分分离纯化的新方法；克隆了武夷菌素生物合成基因簇,阐明了武夷菌素生物合成机理；采用增加主效基因表达等策略,创建了武夷菌素产生菌高效遗传转化体系,定向选育了多株高产武夷菌素工程菌株。在此基础上,建立了武夷菌素与其他生物农药、化学农药协同应用的技术模式,并在黑龙江、天津、青海等地开展示范应用,对蔬菜灰霉病、白粉病、叶霉病等真菌病害的防治效率在85%以上。
2.6 中生菌素(Zhongshengmycin)
中生菌素是淡紫灰链霉菌海南变种Streptomyces lavendulae var. hainanensis产生的一种N-糖苷类次级代谢产物,含有6个同系物类有效成分,各组分之间依次递增一个β-赖氨酸(图1E)。我国相关研究单位在产生菌分离筛选和鉴定、高产菌株选育、作用机制、合成调控基因、发酵工艺和后处理技术、田间应用等方面开展了系统研究,成功将其研发成一种应用较广泛的微生物代谢产物农药。中生菌素主要是通过抑制菌体蛋白质的合成而起到抑制病原菌的作用,也对真菌孢子形成和萌发具有强烈的抑制作用。中生菌素还能与植物互作,提高植物防卫反应的主要酶系如过氧化酶、苯丙氨酸解氨酶、查尔酮合成酶的活性,诱导植物抗病性。中生菌素是目前防治细菌性病害的特效药剂之一,主要用于防治水稻白叶枯病、番茄青枯病、黄瓜细菌性角斑病、烟草野火疫、梨火疫病等,同时对部分真菌性病害也具有良好的防治效果,防效在60%～80%。
2.7 春雷霉素(Kasugamycin)
春雷霉素是土壤放线菌春日链霉菌Streptomyces kasugenesis产生的代谢产物,分子结构包含3部分：D-肌醇、春日霉胺和亚氨基醋酸侧链(图1F)。1964年我国从江西泰和县的土壤中也发现了春日链霉菌,于1970年由中国科学院微生物所研制成功并命名为春雷霉素,后发现与日本科学家发现的春日霉素结构相似。春雷霉素干扰病原菌蛋白质合成过程中氨酰-tRNA与核糖体结合,从而阻止氨基酸形成肽链,抑制蛋白质生物合成,主要用于防治稻瘟病、高粱炭疽病、黄瓜真菌性和细菌性病害、番茄真菌性和细菌性病害以及马铃薯环腐病等。
2.8 宁南菌素(Ningnanmycin)
宁南霉素是诺尔斯链霉菌西昌变种Streptomyces noursei var. xichangensis产生的一类代谢产物,活性成分为胞嘧啶核苷肽型抗生素(图1G),能诱导植物产生病程相关蛋白,降低植物体内病毒粒体浓度,破坏病毒粒体结构。宁南霉素低毒,获得国家AA级绿色食品生产资料认证,在深层发酵过程中还产生17种氨基酸、多种微量元素和维生素,对作物的生长发育具有明显的调节和促生作用,从而改善农作物品质和提高产量。宁南霉素兼具预防和治疗作用,是我国首例能防治植物病毒病的农抗产品,对细菌和真菌性病害也有防治效果。
2.9 多抗霉素(Polyoxin)
多抗霉素又称多氧霉素、多效霉素。中国科学院微生物研究所1967年从安徽合肥土壤中分离的一株金黄色链霉菌Streptomyces aureus,产生的活性代谢产物与日本科学家发现的多氧霉素的两个组分相似,1978年定名为多抗霉素。多抗霉素含有A至N共14种不同同系物的混合物,为肽嘧啶核苷酸类化合物,主要成分是多抗霉素A和多抗霉素B(图1H),属于广谱性抗生素类杀菌剂。多抗霉素对由几丁质为基质构成细胞壁的子囊菌门、担子菌门、半知菌门的一些真菌病害有良好防效,尤其是对链格孢属真菌、丝核菌属真菌、宫部旋孢腔菌防效显著,具有安全、高效、内吸性强、药效稳定和速效等特点。
2.10 四霉素(Tetramycin)
四霉素又名梧宁霉素,不吸水链霉菌梧州变种Streptomyces ahygroscopicus var. wuzhouensis的发酵代谢产物,含有A1、A2、B和C四个组分。A1和A2为大环内酯类四烯抗生素,B组分为肽类抗生素,C组分属含氮杂环芳香族衍生物(表1)。15%四霉素水剂对人、畜和环境安全,杀菌谱广,适用于多种作物的真菌和细菌性病害,对鞭毛菌、子囊菌和半知菌亚门真菌等三大门类26种已知病原真菌有杀灭作用。此外,四霉素还能促进愈伤组织愈合,促进弱苗根系发育,提高作物抗病能力和品质。
2.11 公主岭霉素(Gongzhulinmycin)
公主岭霉素又名农抗109,不吸水链霉菌公主岭新变种Streptomyces ahygroscopicus var. gongzhulingensis产生的代谢产物,主要成分为脱水放线酮、异防线酮、奈良霉素B、制霉菌素、苯甲酸和荧霉素6种组分混合的多组分农用抗生素(表1),可用固体发酵法生产。0.215%可湿性粉剂主要针对禾谷类黑穗病、水稻恶苗病、稻曲病等种传病害,在小麦、高粱、谷子、玉米、水稻和蔬菜等作物播种前用公主岭霉素闷种、浸种或拌种处理即可。
2.12 农抗120(Agro-antibiotic 120)
农抗120是吸水刺孢链霉菌北京变种Streptomyces hygrospinosis var. beijingensis产生的代谢产物,是一种混合型抗菌素,抗病谱广,直接抑制病原菌蛋白质合成,导致病菌死亡。此外,2%～4%水剂对白粉病、瓜果和蔬菜炭疽病、西瓜枯萎病以及水稻纹枯病具有显著的防治效果,也可以提高作物的抗病能力和免疫能力,具有保护和治疗双重效果。与其他传统的杀菌剂代森锰锌、多菌灵、百菌清混配联用,可以有效增强这些杀菌剂的防治效果,从而减少其使用量。农抗120由水溶性和脂溶性组分组成,水溶性组分推测是一种碱性核苷类化合物；脂溶性组分的一种是茴香霉素(图1I),另外一种组分是四烯大环内酯类抗生素四霉素。最近,王俊博等基于基因组挖掘发现农抗120活性成分还包括制霉菌素和丰加霉素(图1K,J)。
2.13 华光霉素(Huaguangmycin)
华光霉素又称尼柯霉素(Nikkomycin),从苏州地区土壤中分离的轮枝链霉菌产生的具咪唑啉结构的代谢产物,是一种核苷肽(图1L),作用靶位在真菌的细胞壁,可抑制胞壁骨架成分之一几丁质的合成,进而抑制了真菌的生长,人和动物没有细胞壁,所以具有很好的选择毒性,对人、畜和环境安全,对作物无毒害。2.5%可湿性粉剂主要用于防治苹果山楂叶螨和柑橘全爪螨,并对多种真菌有效。
2.14 盐霉素(Salinomycin)
盐霉素由白色链霉菌Streptomyces albus发酵产生的聚醚类一元羧酸代谢产物,具有特殊的环状结构(图1M),是典型的离子载体,它对细胞中的阳离子,尤其对K+和Na+的亲和力特别强,使生物所必需的阳离子通过膜上脂质屏障的浸透性增强,妨碍细胞内外阳离子的传递,使细胞内外离子浓度发生变化,从而影响渗透压,最终使细胞崩解,起到杀菌作用。盐霉素主要对革兰氏阳性菌、真菌、病毒及疟原虫有抑制和杀灭作用,预防球虫病效果为100%,保护率为100%。本品是被世界各国广泛承认的抗球虫剂,用于鸡球虫病和促进畜禽生长。
2.15 双丙氨磷(Bialaphos-sodium)
双丙氨磷是土壤链霉菌Streptomyces hygroscopicus和绿色产色链霉菌Streptomyces viridochromogenes产生的一种三肽代谢产物L-2氨基-4-[(羟基)(甲基)膦基]丁酰-L-丙氨酰-L-丙氨酸钠盐(图1N)。双丙氨膦是一种非选择性除草剂,其作用比草甘膦快,比百草枯慢,而且对多年生植物有效,对哺乳动物低毒,在土壤中半衰期较短(20～30天)。双丙氨膦本身无除草活性,在植物体内降解成具有除草活性的草丁膦和丙氨酸,与植物体内谷氨酰胺合成酶争夺氮的同化作用,导致游离氨的积累,阻碍谷氨酰胺和其它氨基酸合成,主要用于葡萄、苹果、柑橘园中去除多种一年生及多年生的单子叶和双子叶杂草,以及免耕地、非耕地灭生除草。
2.16 其他在研农抗产品
热稳定抗真菌因子(heat stable antifungal factor,HSAF)是由产酶溶杆菌Lysobacter enzymogenes产生的多环大环内酰胺类次级代谢产物,由一个独特的大环内酰胺体系、一个四胺酸结构单元和5,5,6-三环骨架组成(图10),其生物合成基因簇包含编码一个杂合聚酮合酶/非核糖体肽合成酶以及4个氧化还原酶在内的10个基因。HSAF通过作用于神经酰胺合成酶来干扰丝状真菌鞘脂合成从而抑制靶标真菌的生长。南京农业大学和江苏省农业科学院植物保护研究所刘凤权教授团队率先根据HSAF的生物合成机理和调控机制,开展了以小分子化学信号调控为核心的遗传改良和高产工程菌株构建,并优化了HSAF高产发酵工艺和提取工艺,最终将HSAF的发酵效价从2 mg/L提升到目前的570 mg/L。40 mg/L HSAF水剂对小麦赤霉病的大田防效达80%,HSAF凝胶剂和水剂已在12个省20个县梨树病害示范应用,对梨树腐烂病、黑星病等真菌病害的防效达到75%以上。
河北农业大学研发团队从玫瑰黄链霉菌Streptomyces roseoflavus中分离到了一种具有广谱抗真菌活性的氧五烯大环内酯类化合物Roflamycoin(图1P),该化合物可以在病原菌细胞膜上形成跨膜离子通道,导致病原菌死亡,对17种常见植物病原真菌的半致死剂量(EC50)可达2.1～7.1 mg/L。基于全基因组测序,通过生物信息学和遗传学分析解析了Roflamycoin的生物合成途径与调控机制,并通过遗传改造构建了高产工程菌株。1,000倍稀释的Roflamycoin水悬浮剂对黄瓜白粉病的田间防治效果达到88.1%。
湖北省生物农药工程研究中心从1998年开始与国际农药巨头先正达公司合作分离微生物源天然产物农药活性化合物,已分离获得细菌与真菌资源总数超过16万株。对每个菌株的摇瓶发酵都进行了多靶标生物活性测定和结构鉴定。2013年,从一株放线菌HBERC-20821发酵液中分离鉴定出一个高抗真菌活性的新型32元大环内酯化合物,命名为诺沃霉素(Novonestmycin)(图1Q)。优化培养基后诺沃霉素摇瓶发酵水平可达1.5 g/L,采用膜浓缩工艺,诺沃霉素总收率在90%以上,浓缩液经喷雾干燥即可制成可湿性粉剂。诺沃霉素对多种农作物真菌性病害,如水稻纹枯病菌、水稻稻瘟病菌、蔬菜灰霉病菌等,具有良好防治活性,室内最低抑菌浓度可达1 mg/L左右。2014-2020年,在湖北省天门市、咸宁市进行了大面积的应用示范,在推荐使用浓度下,对于水稻纹枯病的田间防效可达85%左右。
米尔贝霉素(Milbemectin)是灰色产色链霉菌Streptomyces griseochromogenes和冰城链霉菌Streptomyces bingchenggensis产生的十六元大环内酯类天然产物(图1R),与阿维菌素和伊维菌素(Ivermectin)的结构类似。米尔贝霉素作为γ-氨基丁酸激动剂,具有优良的杀螨、杀内寄生虫以及杀线虫活性,对益虫及害螨的天敌没有显著影响,对哺乳动物的毒害作用非常小,是一种广谱、高效、安全和易降解的生物杀虫剂。东北农业大学向文胜教授团队从冰城链霉菌发酵产物中分离出多种米尔贝霉素成分,并公布了其基因组序列。吕振斌等研究了米贝链霉菌DSM41911的基因组序列,在其发酵液中检测到了米尔贝霉素B5、E、VM44864和B1等组分,并推测出相关组分的生物合成途径。目前,我国米尔贝菌素工程菌株的发酵效价有待提高。
帕克素(Pekingmycin)是由嗜线虫致病杆菌Xenorhabdus nematophila产生的异香豆素衍生物,对马铃薯晚疫病具有较好的防控效果,目前中国农业科学院植物保护研究所已成功获得了高产帕克素的工程菌株。
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微生物源植物免疫诱抗剂
在微生物与植物互作过程中,植物能够有效识别微生物产生和分泌的代谢产物,产生免疫反应抵抗微生物侵染,因此,这些微生物产生的天然代谢产物可以用于研发植物免疫诱抗剂。植物免疫诱抗剂对农作物病虫害没有直接的杀灭作用,而是激活植物体内分子免疫系统,提高植物抗病性,激发植物体内的一系列代谢调控系统,提高抗逆性,促进植物生长和作物增产。
链蛋白PeaT1是极细链格孢菌Alternaria tenuissima JH505产生的一个效应蛋白,具有保守的NAC结构域,能与烟草细胞膜蛋白PtBP1互作,引起胞内多酚氧化酶、过氧化物酶活性提升,调控细胞内丝裂原活化蛋白激酶、水杨酸、茉莉酸等植物免疫信号传导途径,提高抗性基因和抗性蛋白的表达以及植保素的合成,最终增强植物抗性。中国农业科学院植物保护研究所与相关企业合作改进和优化了PeaT1蛋白发酵工艺、提取工艺和助剂,将该蛋白的生产成本降低了60%,货架期延长到2年,突破了植物免疫诱导蛋白规模化制备和长期保存的技术瓶颈。
寡糖类物质模拟植物病原菌的细胞壁结构,激活植物的免疫系统,增强植物应对病虫害的能力,在生物防治领域得到广泛应用。将寡糖与链蛋白复配而成的6%寡糖.链蛋白可湿性粉剂于2017年取得正式登记,商品名为阿泰灵,登记作物病害为番茄病毒病和烟草病毒病。阿泰灵在水稻、白菜、西瓜、柑橘、马铃薯、番茄、辣椒、生姜、苹果、葡萄等多种作物上也具有良好的抗病增产作用。
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微生物源植物生长调节剂
植物生长调节剂是通过人工合成或利用微生物发酵产生的活性物质,与植物激素具有类似的生理和生物学效应,在农业生产上用于调节作物的生长与发育过程,达到稳产增产、改善品质、增强作物抗逆性等目的。我国登记使用的植物生长调节剂种类繁多,赤霉素是使用面积最广的植物生长调节剂之一,由于其在植物组织中的含量甚微,大规模生产是利用藤仓赤霉菌Gibberellafujikuroi通过发酵产生。近年来,我国自主研发的微生物源植物生长调节剂主要包括S-诱抗素、冠菌素和谷维菌素。
4.1 S-诱抗素(S-Abscisic Acid)
S-诱抗素简称为S-ABA,化学结构式是15碳的以异戊二烯为基本单位的倍半萜羧酸(图1S),是植物五大内源激素之一,也是蔷薇色尾孢菌Cercospora rosicola、豆类煤污尾孢菌Cercospora cruenta和灰葡萄孢菌Botrytis cinerea等真菌的次级代谢产物。中国科学院成都生物研究所研究团队通过对一株灰葡萄孢霉进行遗传改良,获得高产S-ABA工程菌株TBC-A,并研制了精准流加补料发酵工艺等多项S-ABA液体深层发酵生产工艺技术。研究成果经相关企业进行产业化转化,建成了世界首条50吨发酵罐规模的S-ABA液体深层发酵工业化生产线,S-ABA产量达到6.0g/L以上；采用大孔树脂吸附、膜分离技术等进行S-ABA产品提取收集,产品总收率大于93%。
目前已研制开发出多个S-诱抗素调节作物生长及发挥免疫诱抗功能的农药制剂新产品,如″1% S-诱抗素可溶粉剂″″0.25% S-诱抗素水剂″″0.1% S-诱抗素可溶液剂″等,获得90% S-诱抗素原药及11个制剂的农药正式登记。2010年,S-诱抗素产品首次获得了美国环保署的EPA登记。S-诱抗素在调节植物生长发育、诱导植物抗逆性等方面发挥着重要作用,主要有以下几个方面：
(1)S-ABA作为植物″胁迫激素″,在干旱、低温、盐碱、病菌侵害、紫外辐射等逆境胁迫的应答中起着重要作用；
(2)S-ABA可促进种子和果实的储存蛋白和糖分的积累,提高农产品和水果的品质等；
(3)S-ABA还能控制花芽分化、调节花期、促进生根、控制株型等。
4.2 冠菌素
冠菌素(Coronatine,COR)是丁香假单胞菌Pseudomonas syringae中的一些致病变种产生的次级代谢产物,由一个含α-氨基酸的冠烷酸和一个含有聚酮结构的冠菌酸通过酰胺键连接而成(图1T)。COR是丁香假单胞菌等病原菌在侵染植物过程中产生的一种″利己素″,与植物激素茉莉酸的结构和功能类似。低浓度冠菌素对植物生长、分化、发育、次生代谢、抗逆(抗旱性、抗寒性、抗盐性)和抗病性具有生理调控效应,减轻逆境对植物的伤害；高浓度冠菌素抑制气孔和质外体介导的防卫反应抗性(stomatal based defense and apoplastic defense),降低植物抗病性。COR诱导棉花叶片叶绿素降解,导致叶片和果实等器官脱落,有利于棉花的机械化收获。目前COR发酵生产菌株主要包括丁香假单胞菌P. syringae pv. Glycinea 4180和P. syringae pv. tomato,以及恶臭假单胞菌P. putida KT2440等。成都新朝阳作物科学股份有限公司登记了98%冠菌素原药和0.006%可溶液剂,用于棉花和番茄的生长调节。
4.3 谷维菌素
谷维菌素(Guvermectin)又称德夸霉素(Decoyinine)和狭霉素A(Angustmycin A),是吸水链霉菌Streptomyces hygroscopicus发酵产生的一种核苷类代谢产物(图1U),具有抗菌和抗肿瘤活性,可以应用于农作物种植业。有报道表明谷维菌素促进罗汉果和拟南芥生根；促进水稻出苗和根系生长,增加分蘖数、株高、有效穗数、稻粒数和谷粒饱满度,提高水稻的抗病性、抗逆性和对灰飞虱的抗虫活性。谷维菌素上述生物学功能的分子作用机制还有待进一步研究。谷维菌素可以提高拟南芥内源生长素IAA的水平,改变水稻中IAA和细胞分裂素的信号传导途径,但不仅限于这些信号途径。东北农业大学向文胜教授团队利用中药重楼内生放线菌NEAU6,建立了谷维菌素的生产工艺、剂型和施用方法,94%谷维菌素原药和1%种子处理液剂于2021年获得登记证。
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目前存在的问题、发展趋势和前景
我国农药市场上生物农药占10%～13%,在我国农业绿色发展中起到了重要支撑作用,蕴含着巨大的经济和社会效益。我国微生物代谢产物农药研发基础比较好,但是在创新、登记与应用等环节面临挑战,主要表现在两方面：
(1)产、学、研、用等环节严重脱钩。我国缺少生物农药龙头企业,多数企业研发能力不足,缺乏有效的市场营销策略；从事生物农药相关研究的科研院所大多关注基础研究,对产业化过程中的问题关注不足；有效的代谢产物农药品种不多,缺乏高效价的生产菌株和绿色生产工艺,导致代谢产物农药推广应用面积远远比不上化学农药。
(2)我国微生物代谢产物农药登记管理有待进一步创新完善。微生物代谢产物源于活体细胞,在自然界土壤和水体等环境中经历了长期的自然选择,我国40多年农抗应用过程中没有发生大的毒性事件和交叉抗性风险,因此,将天然产物与化学合成的新物质等同登记管理有待商榷。建议根据代谢产物产生菌的安全性、代谢产物作用机理和原药的毒性级别,进行环境评价和毒理试验分级管理,科学地减免登记要求。由于历史原因和农药登记制度的不断更新,这些基于微生物代谢产物开发的生物农药虽然种类多、防治对象杂,但它们的防效″好与坏″尚未经过专业机构统一的″现场评比″,因此,难以对它们的防效和特点做出比较。此外,农用抗生素对土壤微生物中机会病原菌的影响应该引起重视,建议有关部门尽快建立实验室评价体系和技术平台,为指导和加快农用抗生素的发展提供科学、可靠依据；对部分作用机理明确、不会导致病原微生物产生耐药性的农抗产品,可以科学地减免登记要求。
微生物代谢产物农药是未来绿色农药研发的一个重要方向。我国微生物资源丰富,从事微生物遗传、代谢与合成生物学研究的队伍不断壮大,研究水平与发达国家处于并跑阶段。只要积极稳妥推进产学研融合,系统开展活性代谢产物筛选与鉴定、生物合成途径与分子机理研究,利用现代合成生物学技术培育高效价的生产菌株,集成生物合成与化学合成技术,研发绿色生产工艺和农药使用技术,创新登记标准与管理,我国微生物代谢产物农药研发与应用完全可能弯道超车,引领全球生物农药的发展与应用。
来源：《中国生物防治学报》2022年第3期
作者：何亚文,李广悦等