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| 生物農(nóng)藥研發(fā)的挑戰(zhàn)和展望 |
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來(lái)源: 發(fā)表于：2021/3/10 |
本文是一篇由來(lái)自南非基因工程和生物技術(shù)國(guó)際中心生物農(nóng)藥組,尼日利亞埃多大學(xué)微生物學(xué)系微生物學(xué)、生物技術(shù)和納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,尼日利亞國(guó)家根類作物研究所,南非農(nóng)業(yè)研究委員會(huì)-植物健康和保護(hù)、雜草生理組,印度喀拉拉邦中心大學(xué)地球科學(xué)系統(tǒng)學(xué)院環(huán)境科學(xué)系,印度萊亞普爾卡爾薩學(xué)院生物技術(shù)系,波蘭格坦斯克大學(xué)重組疫苗系,尼日利亞阿布賈大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物保護(hù)系,印度卡納塔克大學(xué)植物學(xué)系的多位專家聯(lián)合撰寫(xiě)的評(píng)論文章。深刻剖析了生物農(nóng)藥研究和開(kāi)發(fā)中存在的各種問(wèn)題并針對(duì)性地提出了中肯的建議。
1. 引言
多年來(lái),農(nóng)藥對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和農(nóng)民收入都做出了巨大貢獻(xiàn),盡管如此,人們對(duì)一些農(nóng)藥產(chǎn)品的安全性一直存在擔(dān)憂。日益嚴(yán)格的農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留規(guī)定,也反映了人們對(duì)高質(zhì)量和安全食品的需求在不斷增長(zhǎng)。生物農(nóng)藥與傳統(tǒng)的化學(xué)合成農(nóng)藥相比,通常其毒性更低,一般只影響目標(biāo)害蟲(chóng)及其密切相關(guān)的有機(jī)體,往往用量相對(duì)較少,分解更快,從而其暴露更少。
在過(guò)去的幾年里,生物農(nóng)藥作為一種更安全的害物防治方法被并入到有害生物綜合治理項(xiàng)目中,引起了全球的關(guān)注。在過(guò)去十年,IPM方案的采用大大提高了有害生物管理的效率,減少了農(nóng)藥的使用,從而減少了對(duì)化學(xué)合成農(nóng)藥的需求。近年來(lái),隨著法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格,一些農(nóng)藥產(chǎn)品被淘汰出局,新的化學(xué)合成農(nóng)藥的開(kāi)發(fā)大幅下降,導(dǎo)致可供選擇的化學(xué)農(nóng)藥更加有限,故生物農(nóng)藥成為更可行的選擇。許多國(guó)家還不斷降低進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥最大殘留限量,越來(lái)越有必要探索有害生物防治方法的多元性,以減少對(duì)化學(xué)合成農(nóng)藥的依賴。
本文以近期由全球生物農(nóng)藥從業(yè)者參加的國(guó)際研討會(huì)為基礎(chǔ),尋求廣泛的利益相關(guān)方的參與,共同評(píng)估應(yīng)對(duì)生物農(nóng)藥研發(fā)的挑戰(zhàn)的方案,并通過(guò)對(duì)非洲草地貪夜蛾的案例研究,詳細(xì)介紹了生物農(nóng)藥的應(yīng)用前景。
2. 生物農(nóng)藥市場(chǎng)
目前,生物農(nóng)藥僅占全球作物保護(hù)市場(chǎng)的一小部分(5-6%),價(jià)值介于30億美元和40億美元之間。這在一定程度上得益于許多國(guó)家和地區(qū)努力實(shí)施法規(guī),采用環(huán)保產(chǎn)品用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。最近報(bào)道了一些有前景的產(chǎn)品,如蝶豆植株提取物,木霉菌產(chǎn)品,黃藍(lán)狀菌菌種,氧化苦參堿,干酪乳桿菌菌株LPT-111的發(fā)酵產(chǎn)物, 蘇云金芽孢桿菌黃粉蟲(chóng)變種的菌株Xd3 (Btt-Xd3)產(chǎn)品,橄欖油廠副產(chǎn)物, 從葡萄藤提取物中分離得到二苯乙烯類等。雖然這些物質(zhì)很有潛力,但在不同的種植體系中,它們對(duì)特定害物的作用仍然不清晰。
因更強(qiáng)的環(huán)保和健康意識(shí)、可持續(xù)發(fā)展、監(jiān)管壓力和零售商的需求等多方因素推動(dòng),生物農(nóng)藥的市場(chǎng)正在迅速擴(kuò)大。過(guò)去,生物農(nóng)藥只由當(dāng)?shù)鼗虻貐^(qū)的小公司生產(chǎn),這些公司在嚴(yán)格的法規(guī)流程中掙扎,無(wú)法擴(kuò)大市場(chǎng)份額；目前,大型跨國(guó)農(nóng)化公司正在這一領(lǐng)域大力投資,因此,預(yù)計(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的生物農(nóng)藥市場(chǎng)將在未來(lái)20-30年里在市場(chǎng)規(guī)模上趕上化學(xué)農(nóng)藥。然而,采用率的不確定性,特別是在發(fā)展中國(guó)家,可能會(huì)影響此預(yù)估。
3. 開(kāi)發(fā)和商業(yè)化生物農(nóng)藥的前景和挑戰(zhàn)：監(jiān)管、研究、政策和產(chǎn)業(yè)
生物農(nóng)藥的定義和分類以及生物農(nóng)藥法規(guī)的嚴(yán)格程度在不同的國(guó)家、地區(qū)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)甚至科學(xué)界都有所不同。例如,美國(guó)環(huán)保署認(rèn)可了植物組合劑,即將轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)的基因(如Bt基因)所產(chǎn)生的殺蟲(chóng)物質(zhì)作為生物農(nóng)藥。另一方面,在歐盟,“生物控制劑”一詞被用來(lái)代替“生物農(nóng)藥”一詞；而PIPs不被認(rèn)為是生物農(nóng)藥。這些差異使得企業(yè)很難應(yīng)對(duì)監(jiān)管過(guò)程,包括Arora(2016)和Balog等人(2017)在內(nèi)的幾篇評(píng)論文章已經(jīng)討論過(guò)這些差異。盡管有許多生物活性物質(zhì)已經(jīng)被分離和制劑化了,但由于許多國(guó)家冗長(zhǎng)而官僚的監(jiān)管程序,很少有能完成登記。目前除了在美國(guó)等少數(shù)國(guó)家之外,生物農(nóng)藥的監(jiān)管過(guò)程往往是類似于化學(xué)農(nóng)藥的,并沒(méi)有專門(mén)制定適合生物農(nóng)藥的監(jiān)管模式。
風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是生物農(nóng)藥登記的關(guān)鍵要求。然而,盡管這種評(píng)估應(yīng)通過(guò)以科學(xué)證據(jù)為基礎(chǔ)的程序進(jìn)行,但在一些國(guó)家提交報(bào)告的程序比較冗長(zhǎng)。因此,需要修改登記要求,以促進(jìn)對(duì)生物農(nóng)藥活性物質(zhì)的有效評(píng)估。阻礙生物農(nóng)藥登記的另一個(gè)因素是新藥劑登記的高成本。建議監(jiān)管部門(mén)根據(jù)合理和適當(dāng)?shù)囊?guī)定,加快生物農(nóng)藥產(chǎn)品的登記程序,使新產(chǎn)品能夠快速進(jìn)入市場(chǎng),從而產(chǎn)生收入。
許多研究通常是在生物農(nóng)藥開(kāi)發(fā)的早期階段進(jìn)行的,從而產(chǎn)生了大量關(guān)于“潛在的”生物農(nóng)藥的文章。有人建議,這些物質(zhì)應(yīng)該被稱為生物控制劑,只有被批準(zhǔn)用于商業(yè)用途后才被標(biāo)注為生物農(nóng)藥。
從研究項(xiàng)目到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變需要各個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。有必要對(duì)生物農(nóng)藥研究進(jìn)行協(xié)調(diào),從而形成“生物農(nóng)藥創(chuàng)新鏈”和/或集中研究、開(kāi)發(fā)和提供生物農(nóng)藥。
生物農(nóng)藥的發(fā)展,正如其他所有的研究和開(kāi)發(fā)工作一樣,需要有技能的人力,充足的基礎(chǔ)設(shè)施,與一個(gè)或多個(gè)中小企業(yè)協(xié)作,在研究的早期階段和整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程提供投入,確保開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品的商業(yè)化潛力。還需要與農(nóng)藥工業(yè)以外的配套部門(mén)加強(qiáng)互動(dòng)。像大公司那樣,為創(chuàng)新申請(qǐng)專利以獲得收益,對(duì)小公司而言也是非常重要。自然存在的有機(jī)體不可能申請(qǐng)專利,但是專利法能夠區(qū)分發(fā)現(xiàn)和發(fā)明,而發(fā)明只要符合《與貿(mào)易有關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)》(TRIPS)第27條規(guī)定的可專利性標(biāo)準(zhǔn)(新穎性、發(fā)明步驟和工業(yè)適用性)就可以申請(qǐng)專利保護(hù)。從消費(fèi)者的角度來(lái)看,與生物農(nóng)藥使用相關(guān)的主要挑戰(zhàn)是需要加強(qiáng)管理和接受其藥效比化學(xué)農(nóng)藥的略差。
簡(jiǎn)而言之,未來(lái)生物農(nóng)藥的開(kāi)發(fā)需要各學(xué)科之間更廣泛的協(xié)作,并確保行業(yè)投入從研發(fā)物質(zhì)的早期篩選、研發(fā)過(guò)程,直到確定最合適的商業(yè)和融資模式。
4. 利用病毒生物農(nóng)藥的機(jī)會(huì)--現(xiàn)狀和未來(lái)
已知有幾種病毒可以感染昆蟲(chóng),但只有桿狀病毒科(一種高度�；牟《�)的病毒被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于防治害蟲(chóng)。這是因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫陌踩院透咛禺愋�。然�?直到最近,由于其緩慢的殺蟲(chóng)作用和商業(yè)化離體生產(chǎn)的技術(shù)困難,它們作為生物農(nóng)藥的應(yīng)用一直受到限制,這個(gè)情況因巴西農(nóng)業(yè)研究公司的弗拉維奧博士的巨大努力,得以改變。如今,許多國(guó)家都增加了受桿狀病毒保護(hù)的作物面積,如印度、中國(guó)、巴西和南非等。巴西于1980年代初引進(jìn)了一項(xiàng)控制大豆夜蛾的方案,在2003/2004年的季節(jié),用核多角體病毒防治大豆夜蛾的面積約200萬(wàn)公頃。目前,巴西的大豆、玉米和棉花田受到棉鈴蟲(chóng)核多角體病毒的保護(hù),免受棉鈴蟲(chóng)的侵害,面積約130萬(wàn)公頃,而大面積的木薯田則噴灑了木薯天蛾顆粒體病毒的制劑。
以下兩種旨在擴(kuò)大桿狀病毒生物農(nóng)藥的應(yīng)用的方案將在未來(lái)實(shí)施：一是在限制使用轉(zhuǎn)基因生物的國(guó)家,將主要是在診斷水平、離體生產(chǎn)和改變生物農(nóng)藥配方等方面予以改進(jìn)；二是通過(guò)對(duì)桿狀病毒基因組與另一自然病原體的基因進(jìn)行基因修飾,以增強(qiáng)桿狀病毒的殺蟲(chóng)活性。
5. 植物源農(nóng)藥--研究現(xiàn)狀與展望
植物源農(nóng)藥是指用于防御各種害蟲(chóng)的源于植物的有機(jī)農(nóng)藥。其通過(guò)驅(qū)避、抗取食、抗保幼激素活性、產(chǎn)卵/孵化威懾、抗生育或生長(zhǎng)中斷等機(jī)制來(lái)控制害蟲(chóng)。這些生物農(nóng)藥對(duì)真菌、病毒和細(xì)菌也有效。以抗保幼激素活性為例：從洋甘菊精油中提取的抗保幼激素,它干擾昆蟲(chóng)分泌保幼激素的腺體的功能,從而在蛻皮階段抑制了昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)。拒食劑的作用機(jī)理主要是針對(duì)昆蟲(chóng)的味覺(jué)細(xì)胞,或者通過(guò)刺激味覺(jué)感受器,或者阻止進(jìn)食刺激物,還有被認(rèn)為會(huì)引起神經(jīng)系統(tǒng)不穩(wěn)定的電脈沖,干擾了昆蟲(chóng)的進(jìn)食。植物制劑作為殺蟲(chóng)劑的使用效率通常不高,因此在非洲野外使用的程度有限。因此,有必要優(yōu)化它們的藥效,并生成相關(guān)的藥效和安全方面的數(shù)據(jù)。
植物源農(nóng)藥研發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是,植物的粗提取物是屬于不同化學(xué)類別的化學(xué)分子的混合物,所有這些化學(xué)分子可能都不具有生物活性,因此,要使植物源農(nóng)藥有效,必須有化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程來(lái)識(shí)別和濃縮具有活性成分的化學(xué)分子。從積極的方面來(lái)說(shuō),植物源農(nóng)藥在幾天甚至幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)降解得很快,所以大多數(shù)植物源農(nóng)藥對(duì)環(huán)境是安全的。但是,也正因此,它們的施用次數(shù)會(huì)增加,使用成本也更高。
簡(jiǎn)而言之,由于諸多障礙,只有很少的植物源農(nóng)藥被商業(yè)化,這些障礙包括：大規(guī)模生產(chǎn)的植物材料短缺,標(biāo)準(zhǔn)化化學(xué)復(fù)合物提取比較困難,監(jiān)管部門(mén)的要求嚴(yán)格,植物農(nóng)藥的藥效緩慢,缺乏殘留數(shù)據(jù),以及市場(chǎng)上有很多更具成本優(yōu)勢(shì)的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。然而,鑒于一些合成農(nóng)藥的負(fù)面影響,有必要解決這些挑戰(zhàn),使植物源農(nóng)藥的制劑能夠商業(yè)化并進(jìn)入市場(chǎng)。
6. 生物除草劑的生產(chǎn)和田間應(yīng)用的限制
雜草對(duì)作物的嚴(yán)重影響威脅著全球糧食供應(yīng)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)。這些雜草主要是通過(guò)施用化學(xué)除草劑來(lái)控制的。然而,化學(xué)除草劑的過(guò)度使用、施用和管理不當(dāng),造成環(huán)境污染,對(duì)包括人類在內(nèi)的非目標(biāo)生物造成危害。
為此,研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出生物除草劑,即從活的生物體中提取的除草劑。風(fēng)險(xiǎn)更低,在環(huán)境中的持久性也更短。此外,它們有多種作用模式,可以降低雜草抗性發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)。目前,只有一些生物除草劑已在市場(chǎng)上獲得成功,這可歸因于一些挑戰(zhàn),包括有限的宿主特異性、不正確的配方和缺乏田間持效性等。要使生物除草劑成為重要的除草劑,需要采取擴(kuò)大寄主范圍、改進(jìn)配方和田間持效性、增強(qiáng)除草特性和采用先進(jìn)技術(shù)等策略。
用于控制雜草的真菌被稱為真菌除草劑。許多真菌可以作為植物病原體和未來(lái)的生物防治劑,但只有很少一部分被商業(yè)化了。在細(xì)菌中,野油菜黃單胞菌和熒光假單胞菌顯示出作為生物防治劑的潛力。煙草花葉病毒等也被研究用作生物除草劑。在世界上大約有24種基于微生物的生物除草劑已被注冊(cè)為商業(yè)用途,還有其他尚處于評(píng)估階段的微生物種類將作為商業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行登記注冊(cè)和開(kāi)發(fā)。
在生物除草劑的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,由于大多數(shù)的產(chǎn)品都具有宿主特異性,所以宿主的范圍是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。由于植物系統(tǒng)發(fā)育與病原菌特異性之間的關(guān)系缺乏明確的證據(jù),宿主范圍試驗(yàn)中微生物種類的選擇比較困難。
生物除草劑微生物定植對(duì)植株產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn),需要在選擇生物除草劑之前對(duì)其進(jìn)行評(píng)估；由于潛在的定植在自然中發(fā)生,妨礙了其商業(yè)化的可能性。微生物之間對(duì)營(yíng)養(yǎng)、空間的競(jìng)爭(zhēng)和拮抗作用可能減少微生物的數(shù)量,植物濾液中的有毒物質(zhì)可能對(duì)生物除草劑的藥效產(chǎn)生負(fù)面影響。
環(huán)境條件在決定生物除草劑的藥效方面也起著重要作用,如初始侵染、侵染擴(kuò)展和擴(kuò)散到雜草的速度等,目標(biāo)雜草的二次感染率也會(huì)受最佳環(huán)境因素控制。生物除草劑的商業(yè)化開(kāi)發(fā)主要取決于大規(guī)模生產(chǎn)一種活的、致病的和遺傳穩(wěn)定的繁殖體(如微生物孢子、碎片或顆粒)的可行性。需要具體的技術(shù)和政策手段,使生物除草劑既經(jīng)濟(jì)又能受農(nóng)民歡迎。研究人員應(yīng)該考慮克服生物除草劑發(fā)病機(jī)理的生物學(xué)和環(huán)境限制的重要性,使它們成為有潛力的商業(yè)產(chǎn)品。
7. 生物農(nóng)藥應(yīng)用前景--微生物和植物制劑防治非洲草地貪夜蛾的案例研究
草地貪夜蛾是一種原產(chǎn)于美洲的極具侵略性的鱗翅目害蟲(chóng),偏愛(ài)玉米,也以其他80多種作物為食,包括水稻、高粱、小米、甘蔗、蔬菜作物和棉花等。2016年在非洲首次被報(bào)道,2018年傳播到亞洲。草地貪夜蛾對(duì)至少16種昆蟲(chóng)病原敏感,包括病毒(核多角體病毒)、真菌(包括綠僵菌、綠僵菌和白僵菌)、原生動(dòng)物、線蟲(chóng)和細(xì)菌(蘇云金芽孢桿菌)等。這些病原體中有許多是在草地貪夜蛾種群中自然產(chǎn)生的,其中真菌、病毒和細(xì)菌最為常見(jiàn),是草地貪夜蛾種群的重要的自然控制因子。在非洲,它們會(huì)在野外殺死草地貪夜蛾的幼蟲(chóng)。生物農(nóng)藥中,病毒(核型多角體)、細(xì)菌(蘇云金芽孢桿菌)、真菌(綠僵菌和白僵菌)以及植物源殺蟲(chóng)劑(印楝素)都顯示出了防治草地貪夜蛾的潛力,應(yīng)被進(jìn)一步研究。還有昆蟲(chóng)病原線蟲(chóng)已被證明可以作為生物防治策略,如異小桿線蟲(chóng),印度小桿線蟲(chóng)和小卷蛾斯氏線蟲(chóng),也可防治草地貪夜蛾。
以病毒為基礎(chǔ)的殺蟲(chóng)劑具有高度的特異性、毒性,對(duì)脊椎動(dòng)物無(wú)毒,有開(kāi)發(fā)為生物農(nóng)藥的巨大潛力。桿狀病毒在生態(tài)系統(tǒng)中控制各種昆蟲(chóng)的數(shù)量方面,往往發(fā)揮著重要作用。Sihler等人研究了草地貪夜蛾顆粒病毒和核型多角體病毒在草地貪夜蛾防治中的應(yīng)用。研究表明,顆粒病毒顯示出更大的潛力。然而,顆粒病毒自身的作用速度較慢,Cuartas等人指出,將它們添加到SfMNPV配方中可能會(huì)改善核型多角體病毒的性能。害蟲(chóng)是通過(guò)攝入受污染的植物材料而經(jīng)口感染的。感染了NPV的幼蟲(chóng)會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)、皮膚變黃等癥狀,食量比健康幼蟲(chóng)的低10%。受桿狀病毒感染的幼蟲(chóng)通常向光移動(dòng),因此經(jīng)常在植物頂部發(fā)現(xiàn)。死后,它們通常被發(fā)現(xiàn)掛在植物上,頭朝下。死亡的幼蟲(chóng)變得柔軟,最終滲出類病毒顆粒和液體,這有助于進(jìn)一步傳播病毒。影響病毒效力和殺滅速度的關(guān)鍵因素有：草地貪夜蛾幼蟲(chóng)的年齡、攝取病毒的量、病毒的毒性、當(dāng)時(shí)的氣候條件即溫度、濕度和太陽(yáng)輻射(紫外線)、使用的配方、噴灑的時(shí)間和使用的設(shè)備類型等。因此,除其他外,有必要進(jìn)行研究,以確定這些生物農(nóng)藥的最適當(dāng)?shù)呐浞胶蛻?yīng)用方法。Li等證明在桿狀病毒制劑中添加紫外線增白劑可改善其性能。
昆蟲(chóng)病原真菌是大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)的重要和廣泛的組成部分。真菌在昆蟲(chóng)種群中通常是一個(gè)重要的自然死亡因素。盡管約有90屬的700多種真菌對(duì)昆蟲(chóng)具有致病性,但只有少數(shù)真菌在農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)管理方面得到了充分的研究。真菌的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,大多數(shù)菌種都是專性病原體,因此具有特異性。另有一些菌種,如曲霉和鐮刀菌,是兼性的多型病原體。EPFs通常會(huì)在自然條件下引起動(dòng)物流行病,故可以從廣泛的宿主中分離和鑒定本土真菌分離物。真菌孢子通過(guò)昆蟲(chóng)的體毛進(jìn)入昆蟲(chóng)體內(nèi)并在昆蟲(chóng)體內(nèi)繁殖,從而破壞昆蟲(chóng)的組織,產(chǎn)生毒素,導(dǎo)致宿主死亡。病蟲(chóng)停止進(jìn)食,變色,死亡后常出現(xiàn)變硬和鈣化,同時(shí)真菌生長(zhǎng)旺盛。球孢白僵菌、綠僵菌和萊氏蛾霉是常見(jiàn)的真菌,具有開(kāi)發(fā)成生物農(nóng)藥的潛力。球孢白僵菌已被用于防治草地貪夜蛾,不過(guò)它的致死率中等。研究表明,與其他鱗翅目害蟲(chóng)相比,草地貪夜蛾幼蟲(chóng)對(duì)球孢白僵菌的敏感度最低。國(guó)際昆蟲(chóng)生理學(xué)和生態(tài)學(xué)中心進(jìn)行了一些研究,測(cè)試了三種不同屬(綠僵菌屬、白僵菌屬和伊氏菌屬)的真菌分離物對(duì)草地貪夜蛾二齡幼蟲(chóng)的活性,然而,試驗(yàn)結(jié)果并不是很理想。因此,有必要鑒定和加工其他有活性的防治草地貪夜蛾的昆蟲(chóng)病原菌。
蘇云金芽孢桿菌是一種常見(jiàn)的居于土壤的、產(chǎn)生芽孢的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌,可生成晶體毒蛋白,是目前應(yīng)用于害蟲(chóng)防治的最為廣泛的微生物農(nóng)藥。不同種類的昆蟲(chóng)對(duì)各種毒素的敏感性各不相同。盡管市面上有幾款用于防治鱗翅目害蟲(chóng)的Bt產(chǎn)品,但它們對(duì)草地貪夜蛾的防治藥效仍不明確。實(shí)驗(yàn)室研究表明,在不同的Bt菌株中,草地貪夜蛾對(duì)鲇澤亞種和蘇云金亞種更敏感。雖然庫(kù)斯塔克亞種對(duì)多種鱗翅目害蟲(chóng)有效,對(duì)草地貪夜蛾卻效果甚微。不同的研究小組目前正致力于篩選針對(duì)草地貪夜蛾的有效Bt菌株。草地貪夜蛾種群可能對(duì)不同的Cry毒素具有不同的敏感性,因此,這將影響不同地區(qū)草地貪夜蛾防治中基于Bt的生物農(nóng)藥的選擇。除Cry毒素外,草地貪夜蛾還易受Bt培養(yǎng)基中發(fā)現(xiàn)的多種營(yíng)養(yǎng)殺蟲(chóng)蛋白的影響。商業(yè)化的Bt生物農(nóng)藥,特別是以鲇澤亞種菌株為基礎(chǔ)的Bt生物農(nóng)藥已經(jīng)在非洲注冊(cè),并在一定范圍內(nèi)可用。已建議進(jìn)行評(píng)估這些生物農(nóng)藥對(duì)非洲草地貪夜蛾的有效性的研究。
昆蟲(chóng)病原線蟲(chóng)在控制對(duì)人類、動(dòng)物和環(huán)境安全的土壤害蟲(chóng)方面可以作為化學(xué)合成農(nóng)藥的替代品,因此被廣泛應(yīng)用于園藝行業(yè)。草地貪夜蛾也被證明對(duì)這些有益線蟲(chóng)高度敏感,特別是對(duì)小卷蛾斯氏線蟲(chóng)和Steinernema riobravis。然而,線蟲(chóng)的挑戰(zhàn)在于,它們需要在非常特定的時(shí)間使用,通常是在清晨或深夜,此時(shí)草地貪夜蛾幼蟲(chóng)非常活躍,很容易被線蟲(chóng)發(fā)現(xiàn)。這些窗口期還有助于將線蟲(chóng)暴露在紫外線下的時(shí)間降到最低,否則它們會(huì)被紫外線殺死。
EPNs的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,它們可以在不稀釋其濃度或不影響其生存能力的情況下噴射,與產(chǎn)生電荷的設(shè)備噴霧混合,也可以用那些使用液壓和旋轉(zhuǎn)噴嘴的設(shè)備噴霧。實(shí)驗(yàn)室研究表明,有幾種與三種EPNs兼容的商用殺蟲(chóng)劑,包括印度小桿線蟲(chóng)、小卷蛾斯氏線蟲(chóng)及昆蟲(chóng)病原格式線蟲(chóng)。事實(shí)上,一些研究表明,當(dāng)線蟲(chóng)與殺蟲(chóng)劑混合時(shí),其效果會(huì)得到增強(qiáng),例如, 印度小桿線蟲(chóng)與虱螨脲復(fù)配可提高對(duì)草地貪夜蛾的療效。
但是,有必要全面評(píng)估殺蟲(chóng)劑和EPNs的相容性,以作為開(kāi)發(fā)防治非洲草地貪夜蛾IPM項(xiàng)目的一部分。盡管在非洲開(kāi)發(fā)控制草地貪夜蛾的EPNs具有很大的潛力,但迄今為止只有幾個(gè)國(guó)家進(jìn)行了調(diào)查。例如,在埃及已經(jīng)進(jìn)行了一些有前景的研究,調(diào)查了在一些種植系統(tǒng)中將EPNs納入IPM項(xiàng)目的潛力。在南非用EPNs防治甘蔗桿螟蟲(chóng)的研究只取得了有限的成功,歸因于這樣一個(gè)事實(shí)：這些害蟲(chóng)十分神秘,出沒(méi)的地點(diǎn)通常是充滿了大量的蛀屑和蛀痕。在控制草地貪夜蛾中應(yīng)用EPNs也可能會(huì)面臨這樣的挑戰(zhàn)。雖然在非洲尚未開(kāi)發(fā)出商業(yè)化的產(chǎn)品,但有必要對(duì)EPNs進(jìn)行廣泛的研究,并探索其作為生物農(nóng)藥和IPM項(xiàng)目組成的潛力。
目前已知幾種植物具有殺蟲(chóng)性能,并具有巨大的開(kāi)發(fā)為防治草地貪夜蛾的植物農(nóng)藥的潛力。其中一些已經(jīng)在世界其他地方的草地貪夜蛾的防治中被使用。大多數(shù)植物殺蟲(chóng)劑是可生物降解的,對(duì)人類和動(dòng)物(包括天敵)是安全的,因此可以在IPM項(xiàng)目中作為生物農(nóng)藥使用。有幾種植物提取物具有殺蟲(chóng)特性,可以防治非洲谷物的莖螟蟲(chóng),如金合歡,辣椒,菊花,西非山毛豆,麻瘋樹(shù),檸檬草,印楝,洋蔥,波斯丁香,除蟲(chóng)菊,煙草,西非胡椒,野生萬(wàn)壽菊,野生鼠尾草和野生向日葵。
需要評(píng)估這些植物制劑對(duì)草地貪夜蛾的藥效,并在該地區(qū)的農(nóng)民中推廣有效的植物制劑。
8. 生物農(nóng)藥生產(chǎn)與加工的發(fā)展現(xiàn)狀
利用納米技術(shù)和微膠囊技術(shù)可以提高生物農(nóng)藥產(chǎn)品的穩(wěn)定性、持效性和有效性。納米技術(shù)是研究納米尺寸(1-100納米)的材料,即納米顆粒,具有獨(dú)特和新穎的物理、化學(xué)和生物特性。這些NPs具有靈活的物理特性,表面積與體積比大,對(duì)蛋白質(zhì)有很強(qiáng)的親和力。通過(guò)微膠囊工藝將固體、液體和氣體物質(zhì)封裝成1-1000摩爾/升的微粒子,廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品和先進(jìn)材料等領(lǐng)域。微封裝確保了核心材料被完全包裹和隔離,從而免受外部環(huán)境的影響。因此,納米生物技術(shù)的產(chǎn)品可以在作用部位控制釋放分子,從而最大限度地減少對(duì)非目標(biāo)生物的潛在毒性影響,并防止微生物降解活性劑�；诖�,納米技術(shù)產(chǎn)品將降低毒性,增強(qiáng)功效,并減少由于物理降解造成的損失。例如,納米顆粒的使用可以有效地保護(hù)印楝素不被迅速降解,從而對(duì)目標(biāo)害蟲(chóng)產(chǎn)生長(zhǎng)期影響。
此外,從印楝種子中提取的印楝素的納米乳液顯著降低了貯藏害蟲(chóng)巴西豆象,從而表明其緩釋的生物活性。也有報(bào)道稱,各種納米粒子可以包裹和保護(hù)含有活性成分的次生代謝物,這些活性成分有生物農(nóng)藥的作用。微囊化的草地貪夜蛾核多角體病毒粒子保護(hù)病毒免受紫外線滅活,展示出其作為生物農(nóng)藥的發(fā)展?jié)摿Α?br />
因此,納米技術(shù)將有助于開(kāi)發(fā)具有良好安全性的低毒生物農(nóng)藥,提高活性成分的穩(wěn)定性,增強(qiáng)其對(duì)靶標(biāo)害蟲(chóng)的活性,從而促進(jìn)農(nóng)民的采用。然而,使用納米顆粒的一些潛在風(fēng)險(xiǎn)因子需要通過(guò)相關(guān)的研究加以解決,其他需要解決的問(wèn)題包括從納米顆粒系統(tǒng)釋放活性分子的速度、存儲(chǔ)穩(wěn)定性和該技術(shù)的成本效益等。
9. 結(jié)論與未來(lái)展望
目前已經(jīng)分離鑒定了一些有潛力的、可進(jìn)一步發(fā)展為生物農(nóng)藥的產(chǎn)品,有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究,以確保之前的努力不是徒勞。在研究新產(chǎn)品的同時(shí),也需要研究克服那些影響某些產(chǎn)品藥效的障礙。利益相關(guān)者之間的合作仍然是至關(guān)重要的,生物農(nóng)藥研究人員必須與工業(yè)、農(nóng)民、決策者、政府和其他相關(guān)利益相關(guān)方密切合作。確保生物農(nóng)藥與現(xiàn)有農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相結(jié)合的方法也是必要的：眾所周知,生物農(nóng)藥不能完全替代化學(xué)殺蟲(chóng)劑,因此,如何將生物農(nóng)藥有效地整合到害蟲(chóng)綜合治理戰(zhàn)略中,也應(yīng)該成為努力和研究的重點(diǎn)。
同樣重要的是,生物農(nóng)藥的使用成本必須確保其使用者有利可圖,特別給發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)民使用。有必要讓不知情的農(nóng)民,特別是發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)民了解生物農(nóng)藥是緩解一些合成農(nóng)藥的大部分負(fù)面影響的可持續(xù)方案,并讓他們了解這個(gè)的重要意義。促進(jìn)生物農(nóng)藥登記注冊(cè)的法規(guī)也可以促進(jìn)其商業(yè)化和市場(chǎng)供應(yīng)。雖然有幾種新物質(zhì)具有防治害蟲(chóng)的潛力,但需要進(jìn)行更多的田間研究,以評(píng)估其在特定種植系統(tǒng)中的藥效。
納米技術(shù)等新技術(shù)在提高生物農(nóng)藥的藥效和持效期方面顯示了巨大的潛力,應(yīng)該進(jìn)一步探索它們的潛力。發(fā)展中國(guó)家的大多數(shù)研究所在知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理方面缺乏最基礎(chǔ)的能力。公共研究機(jī)構(gòu)需結(jié)合法律、商業(yè)和技術(shù)知識(shí),制定其獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)政策和有效的管理。
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