我國作物病蟲害生物防治研究與應用最新進展

陳學新, 杜永均, 黃健華, 李 姝, 姜道宏, 莫明和,龐 虹, 孫修煉, 王 琦, 王 甦, 夏玉先, 徐學農,臧連生0, 張 杰, 張禮生, 張文慶, 尹 恒

(1. 浙江大學昆蟲科學研究所，杭州 310058；2.北京市農林科學院植物保護研究所，北京 100097；3. 華中農業大學農業微生物全國實驗室，武漢 430070；4. 云南大學生命科學學院，昆明 650500；5. 中山大學生態學院，深圳 518000；6. 中國科學院武漢病毒研究所，武漢 430071；7. 中國農業大學植物保護學院，北京 100193；8. 重慶大學生命科學學院，重慶 405200；9. 中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193；10. 貴州大學精細化工研究開發中心，貴陽 550025；11. 中國科學院大連化學物理研究所，大連 116023)

生物防治是農業可持續發展模式的重要內容,生物防治學科為農業可持續發展提供了重要的科學支撐。近年來,我國已進入加快推進農業可持續發展的歷史階段,這為生物防治學科的發展提供了新的機遇,同時也對生物防治學科的發展提出了更高的要求。

生物防治的對象通常包括作物害蟲、病害及線蟲。近年來植物免疫研究和應用已成為國內外植物保護領域的研究熱點,目前無論是基礎研究深度、產品研發水平還是產業應用規模,我國都處于國際先進水平。

進入“十三五”以來,我國啟動了“國家重點研發計劃”重點專項,2017年有6個與生物防治相關的項目啟動,分別是“活體生物農藥增效及有害生物生態調控機制”“作物免疫調控與物理防控技術及產品研發”“天敵昆蟲防控技術及產品研發”“新型高效生物殺蟲劑研發”“新型高效生物殺菌劑研發”和“新型高效植物生長調節劑和生物除草劑研發”。經過幾年的努力,取得了一系列原創性科研成果,研發了一系列擁有自主知識產權的生物防治產品并實現規模化生產和應用,為我國化學農藥的減施、作物病蟲害的生物防控做出了重要貢獻,同時還凝練了一支有國際影響的生物防控研究隊伍,提升了我國作物病蟲害生物防控的國際地位和競爭力,為我國農業生產可持續發展提供了強有力的支撐。浙江大學領銜的“優勢天敵昆蟲控制蔬菜重大害蟲的關鍵技術及應用”成果獲2020年度國家科學技術進步獎二等獎。

本文將介紹近5年來我國在作物病蟲害生物防治研究與應用方面取得的最新進展。

1 學科發展現狀

1.1 作物害蟲生物防治研究與應用

1.1.1天敵昆蟲(含捕食螨)的研究和應用

1.1.1.1寄生性天敵的研究和應用

種類及多樣性:我國寄生蜂種類豐富,是農林害蟲生物防治的重要天敵資源。過去5年我國寄生性天敵資源得到了進一步發掘。王竹紅等2019年在海南、福建的九里香和柑橘上發現2種柑橘木虱Diaphorinacitri寄生蜂,分別為亮腹姬小蜂Tamarixiaradiata和阿里食虱跳小蜂Diaphorencyrtusaligarhensis[1]。任少鵬等2022年對寧波余姚果園里的寄生蜂種類進行了系統調查研究,發現日本開臂反顎繭蜂Asobarajaponica和食果蠅毛錘角細蜂Trichopriadrosophilae為斑翅果蠅Drosophilasuzukii寄生蜂優勢種[2]。唐璞等2019年對我國草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda寄生蜂進行了總結,記載有分布的種類有16種,其中繭蜂科7種,姬蜂科4種,姬小蜂科2種,赤眼蜂科2種,廣腹細蜂科1種[3]。在廣州及香港野外發現夜蛾黑卵蜂Telenomusremus和螟黃赤眼蜂Trichogrammachilonis2種卵寄生蜂可寄生草地貪夜蛾[4]。在廣西田間發現2種草地貪夜蛾幼蟲寄生蜂:棉鈴蟲齒唇姬蜂Campoletischlorideae和斜紋夜蛾側溝繭蜂Microplitisprodeniae[5]。首次記述了斑駁夜蛾長頰繭蜂Parapantelesexpulsus寄生重陽木錦斑蛾Histiarhodope幼蟲[6]。新發現三江源草原毛蟲金小蜂Pteromalussanjiangyuanicus在三江源自然保護區核心區寄生青海草毒蛾Gynaephoraqinghaiensis[7]。新發現天山食蚧蚜小蜂Coccophagustianshanensis是新疆西天山野果林重要害蟲杏樹鬃球蚧Sphaerolecaniumprunastri的天敵[8]。

水稻害蟲寄生蜂:我國南方稻區半翅目害蟲寄生蜂種類十分豐富,其中以纓小蜂科Mymaridae和螯蜂科Dryinidae種類和數量最多[9]。綠色防控區田埂上種植芝麻、大豆等蜜源植物,可為寄生蜂提供食料,使纓小蜂等的數量明顯高于自防區,提高寄生蜂對稻飛虱等害蟲的控制能力[10]。對于寄生幼蟲的二化螟盤絨繭蜂Cotesiachilonis等優勢寄生蜂,應重點發掘其在二化螟Chilosuppressalis越冬滯育期間(10月至翌年3月)對幼蟲種群基數的控害潛力,以降低田間二化螟的越冬基數[11]。

煙粉虱寄生蜂:近年來國內對煙粉虱Bemisiatabaci寄生蜂研究較多的種類主要有麗蚜小蜂Encarsiaformosa、淺黃恩蚜小蜂E.sophia、海氏槳角蚜小蜂Eretmocerushayati等。邵越等發現種間競爭導致麗蚜小蜂的單雌寄生率顯著降低,而對海氏槳角蚜小蜂無顯著影響[12]。王卓等發現釋放前適度饑餓可以明顯提高淺黃恩蚜小蜂寄生和取食粉虱若蟲的能力[13]。

蚜蟲寄生蜂:潘明真等2022年綜述了蚜蟲寄生蜂在蚜蟲生物防治中的應用研究進展。目前記載的蚜蟲寄生蜂包括繭蜂科蚜繭蜂亞科Aphidiinae 26屬173種和蚜小蜂科Aphelinidae 2屬23種[14]。蚜蟲的寄主植物種類和品種會間接影響蚜蟲寄生蜂的適合度,進而影響寄生蜂的控害效果,辣椒、甘藍和茼蒿3種寄主相比,煙蚜繭蜂Aphidiusgifuensis對辣椒上桃蚜Myzuspersicae的適合度最高,而對甘藍上桃蚜的適合度最低[15]。不同濃度CO2對蚜蟲寄生蜂的影響不同,燕麥蚜繭蜂A.avenae發育速率、寄生率和雌性后代比例均隨CO2濃度升高而降低[16]。

蔬菜害蟲寄生蜂:菜蛾盤絨繭蜂Cotesiavestalis是世界性蔬菜害蟲小菜蛾Plutellaxylostella的優勢寄生蜂。該寄生蜂攜帶多種寄生因子,包括毒液和多DNA病毒(polydnavirus,PDV),這些寄生因子調控寄主的代謝、免疫及發育等使其成功完成寄生[17-19]。萬氏潛蠅姬小蜂Diglyphuswani是為害多種蔬菜的潛葉蠅類害蟲的重要抑性外寄生蜂[20],該寄生蜂繁殖速度快,是我國田間潛葉蠅害蟲的優勢寄生蜂[21]。斜紋夜蛾側溝繭蜂M.prodeniae對斜紋夜蛾Spodopteralitura和甜菜夜蛾S.exigua幼蟲均具有較高的寄生效率[22]。

林果類害蟲寄生蜂:橡膠樹害蟲橡副珠蠟蚧Parasaissetianigra主要為害橡膠樹,藍色長盾金小蜂Scutellistacaerulea是其外寄生蜂,33℃時寄生效能最大;日本食蚧蚜小蜂Coccophagusjaponicus則是其內寄生蜂,偏好寄生3齡幼蟲,24℃時寄生效能最大[23-24]。人工釋放長尾全裂繭蜂Diachasmimorphalongicaudata可以顯著降低為害番石榴的橘小實蠅Bactroceradorsalis的田間種群數量[25]。瓜實蠅B.cucurbitae和南亞果實蠅B.tau寄生蜂已報道多達十余種,其中蠅蛹俑小蜂Spalangiaendius對瓜實蠅的寄生率可以達到58%[26-27]。始刻柄繭蜂Atanycolusinitiator是油松蛀干害蟲的優勢寄生性天敵,可以寄生包括天牛、象甲、小蠹蟲、吉丁蟲等多種蛀干害蟲[28]。

赤眼蜂的控害作用及應用:我國學者在贊比亞采集到2種寄生草地貪夜蛾卵的寄生蜂,經鑒定為黃分索赤眼蜂Trichogrammatoidealutea和姆萬扎赤眼蜂Trichogrammamwanzai。這2種寄生蜂均能寄生草地貪夜蛾各日齡的卵并順利完成發育,且T.lutea的寄生率最高,T.mwanzai的發育時間最短[29]。梨小食心蟲Grapholitamolesta卵經紫外光處理后會使暗黑赤眼蜂Trichogrammapintoi的寄生率顯著降低[30]。

目前利用柞蠶卵成功實現大規模商業化飼養的赤眼蜂蜂種僅有松毛蟲赤眼蜂T.dendrolimi和螟黃赤眼蜂。國內學者對多種赤眼蜂組合進行了共寄生測試,并開發了多種基于柞蠶卵為中間寄主的“一卵多蜂”產品,降低了很多赤眼蜂的生產成本。例如,利用松毛蟲赤眼蜂和玉米螟赤眼蜂T.ostriniae共寄生柞蠶卵實現了利用柞蠶卵正常繁育玉米螟赤眼蜂[31]。對體外培育赤眼蜂的低溫貯存技術和耐寒機制的研究表明,人工卵繁殖的松毛蟲赤眼蜂最適宜冷藏溫度為13℃,最佳貯存期為預蛹期,最長貯存期為4周[32]。

田間生態環境的多樣性能造就更加穩定的棲境,進而提高赤眼蜂的防治效果。研究表明,赤眼蜂取食含糖食物后,壽命和繁殖力增加,有利于種群的延續[33]。但是,目前關于蜜源植物的田間試驗報道還較少,需要進一步研究,測試和篩選出合適的蜜源植物。

寄生蜂對寄主的調控作用:寄生蜂寄生能引起寄主生長發育的變化,比如陳壯美等發現斯氏側溝繭蜂Microplitissimilis可顯著抑制草地貪夜幼蟲的生長和取食[34]。Wang等發現菜蛾盤絨繭蜂Cotesiavestalis的miRNA能夠跨界調節寄主蛻皮素受體(EcR)的表達來抑制寄主的生長發育[17]。菜蛾盤絨繭蜂病毒CvBV不僅需要自身編碼的重組酶,而且需要招募鱗翅目寄主的反轉錄病毒整合酶才能將自身基因組全部整合到寄主基因組中[35]。CvBV的基因CvBv-7-1能降低宿主小菜蛾酚氧化酶活性,抑制黑化包囊[19]。菜蛾盤絨繭蜂畸形細胞分泌trypsin inhibitor-like蛋白也可以抑制寄主小菜蛾血淋巴的酚氧化酶原被激活[36]。異腹小環腹癭蜂Leptopilinaheterotoma和布拉迪小環腹癭蜂L.boulardi通過基因的水平轉移獲得不同的毒液蛋白,分別抑制免疫反應和逃避免疫反應[37]。菜蛾盤絨繭蜂寄生能夠導致寄主小菜蛾腸道中脂合成水平減弱,從而使其體內脂含量顯著降低[38]。布拉迪小環腹癭蜂也能調控寄主腸道微生物醋酸桿菌Acetobacterpomorum促使寄主積累脂質,滿足寄生蜂幼蟲生長發育[39]。Yang等發現蠅蛹金小蜂Pachycrepoideusvindemmiae毒液蛋白Kazal型絲氨酸蛋白酶抑制劑能降低寄主黑腹果蠅Drosophilamelanogaster血淋巴中晶細胞的數量,抑制寄主血淋巴黑化[40]。Wang等發現蝶蛹金小蜂Pteromaluspuparum寄生引起寄主脂質水平發生變化,如導致寄主菜粉蝶Pierisrapae脂肪體中高度不飽和、可溶性三酰甘油酯(TAGs)的含量升高[41]。

寄生蜂還能調控宿主的行為,但目前相關研究較少。Chen等發現布拉迪小環腹癭蜂毒液蛋白EsGAP引起寄主幼蟲中樞神經系統內的活性氧(ROS)水平升高,導致寄主出現逃逸行為,從而避免種內競爭的新機制[42]。

1.1.1.2捕食性瓢蟲的研究與應用

捕食性瓢蟲基因組及部分遺傳機制:使用高通量測序獲得異色瓢蟲Harmoniaaxyridis、孟氏隱唇瓢蟲Cryptolaemusmontrouzieri、小短角瓢蟲Noviuspumilus、稻紅瓢蟲Micraspisdiscolor的高質量基因組[43-46],結合不同食物處理的轉錄組分析,表明瓢蟲一系列化學感受、消化、解毒和免疫功能基因的表達與食性有關[44, 47-48],揭示了孟氏隱唇瓢蟲引進種群的基因組快速進化歷史[49],明確了昆蟲表皮骨化的天冬氨酸-β-丙氨酸-NBAD途徑可以調控異色瓢蟲體壁黑色斑點的數量和大小[50]。從瓢蟲基因組中鑒定出一系列編碼細胞壁水解酶基因cwh,發現這些基因是從細菌中獲得的水平轉移基因,具有抗菌功能[46]。利用基因沉默技術(RNAi)明確了異色瓢蟲體壁黑色素是多巴胺黑色素[51]。通過比較轉錄組和微生物組推測共生細菌在稻紅瓢蟲消化花粉時發揮降解花粉內壁纖維素的作用[43]。

捕食性瓢蟲控害效果的影響因子:發現新煙堿類殺蟲劑降低七星瓢蟲Coccinellaseptempunctata種群適合度進而影響其控害效果,因此使用新煙堿類殺蟲劑應避開捕食性瓢蟲的定殖期[52]。捕食蚜蟲的瓢蟲能適應一種來自蚜蟲腸道的自由生活細菌Serratiasymbiotica,該細菌借助蚜蟲腸道和糞便傳播給瓢蟲[53]。在低溫和短光周期條件下,黃底型異色瓢蟲捕食能力均顯著高于黑底型,該結果為不同環境條件下捕食性瓢蟲釋放策略的制訂提供了理論依據[54]。合理的田間空間布局可以提高龜紋瓢蟲Propyleajaponica的遷移數量,有效控制蘋果黃蚜Aphiscitricola的危害[55]。功能植物金盞花Calendulaofficinalis可以降低異色瓢蟲和龜紋瓢蟲的種內和種間捕食作用,此外研究表明花粉充足的溫室中,異色瓢蟲和龜紋瓢蟲的數量也隨之增加,其潛在作用機理主要體現在瓢蟲生殖力提高以及減少功能團內捕食效應。功能植物的輔助應用可顯著提高捕食性瓢蟲對設施番茄上蚜蟲的控害作用[56]。

1.1.1.3捕食螨的研究與應用

捕食螨的生態學:發現為增加葉片葉綠素和果實產量設置的LED燈可通過改變植物氣味揮發譜而影響葉螨和捕食螨天敵的互作關系,利用遠紅外線可以增加捕食螨的種群數量;生態系統中微生物群落對捕食螨天敵作用極大。如植物病原菌會對害螨和捕食螨不利,危害二者的互作關系;溫室中捕食螨天敵的共生菌群受植物根際和葉際微生物群落影響較大,但卻是增加溫室生態系統微生物種類、促進流動和擴散的主要生物動力[57]。

捕食螨天敵應用技術:目前生產上應用較多的捕食螨種類是斯氏鈍綏螨Amblyseiusswirskii、安德森鈍綏螨A.andersoni、巴氏新小綏螨Neoseiulusbarkeri、加州新小綏螨N.californicus、胡瓜新小綏螨N.cucumeris、偽新小綏螨N.fallacis、智利小植綏螨Phytoseiuluspersimilis、檬鈍近走螨Amblydromaluslimonicus等十余個商品化天敵。捕食螨與其他生防產品協同使用存在諸多問題。如利用球孢白僵菌Beauveriabassiana和捕食螨聯合防治二斑葉螨Tetranychusurticae,生防真菌對天敵的存活和產卵均有害。部分植物源農藥也對捕食螨存活有影響。目前備受關注的納米農藥也在捕食螨研究中有所涉及,如多種納米材料復配殺蟲/殺螨劑,包括甲螨酯、阿維菌素、滅螨菌素、抗蚜威對捕食螨急性與慢性致死作用的劑量與作用機制將成為未來重要的研究方向[58]。

1.1.1.4其他捕食性天敵昆蟲的研究與應用

小花蝽:發現3種植物預接種東亞小花蝽Oriussauteri均會降低對西花薊馬Frankliniellaoccidentalis和煙粉虱的適合度,但是存在不同程度的差異;與對照相比,在番茄上預接種東亞小花蝽會顯著降低西花薊馬的存活率,而在豇豆上預接種東亞小花蝽會顯著降低煙粉虱的存活率[59]。從8種新煙堿類殺蟲劑中篩選出對靶標害蟲西花薊馬毒性大而對捕食性天敵昆蟲東亞小花蝽毒性相對較小,且環境評估低風險的兩種藥劑——啶蟲脒和氟吡呋喃酮[60]。

草蛉:室內捕食功能評價試驗表明,麗草蛉Chrysopaformosa對多種害蟲具有良好防控效能,3齡幼蟲對草地貪夜蛾卵及低齡幼蟲具有較高的捕食能力[61]。南俊科等發現麗草蛉3齡幼蟲對美國白蛾Hyphantriacunea卵和低齡幼蟲也具有較好的捕食能力[62]。

蠋蝽:優化用牛奶和雞蛋、柞蠶蛹等為主要生物成分的人工飼料,篩選出可滿足蠋蝽若蟲發育的人工飼料配方,蠋蝽體重增加,成蟲獲得率提高,產卵量增加[63]。建立了中試生產線,優化替代寄主和人工飼料擴繁工藝,制定生產操作規程,制定產品質量標準,在貴州遵義建立了天敵昆蟲擴繁中心,年擴繁蠋蝽7 000萬頭。唐藝婷等測定了蠋蝽5齡幼蟲對草地貪夜蛾的捕食作用,結果顯示蠋蝽對草地貪夜蛾具有較好的控害能力[64];蠋蝽對小菜蛾、斜紋夜蛾等鱗翅目昆蟲、荔枝蝽Tessaratomapapillosa和綠盲蝽Apolyguslucorum等半翅目昆蟲、榆蘭葉甲Pyrrhaltaaenescens等鞘翅目昆蟲均具有較好的控害潛力[65-66]。

1.1.1.5天敵規?；a、應用技術和推廣示范

規?；a的天敵種類:目前我國天敵生產企業主要分布于吉林、北京、天津、河北、山東、浙江、福建、廣東、廣西、貴州等省(區市)。常用的天敵昆蟲主要分3大類:防治鱗翅目昆蟲的卵寄生蜂,如松毛蟲赤眼蜂和螟黃赤眼蜂,以及蛹寄生蜂,如白蛾周氏嚙小蜂Chouioiacunea;防治鞘翅目蛀干害蟲天牛、吉丁蟲的管氏腫腿蜂Sclerodermusguani、花絨寄甲Dastarcushelophoroides;防治果樹、蔬菜上蚜蟲、紅蜘蛛的瓢蟲和捕食螨。

寄生性天敵釋放技術:目前應用面積最廣的天敵是赤眼蜂,在東北地區主要是大規模淹沒式釋放松毛蟲赤眼蜂防治亞洲玉米螟Ostriniafurnacalis,每公頃釋放225 000頭赤眼蜂可防治第一代亞洲玉米螟近70%種群,再釋放75 000～150 000頭/hm2防治二代亞洲玉米螟確保防效,保障玉米產量[67]。隨著國家行業標準“釋放赤眼蜂防治害蟲技術規程第1部分:水稻田(NY/T 3542.1-2020)”公布實施,利用赤眼蜂對水稻螟蟲的控制技術更加規范、完善。2014年-2019年間吉林省利用混合釋放松毛蟲赤眼蜂和稻螟赤眼蜂T.japonicum,防治水稻二化螟的面積從1 300 hm2增加到73 300 hm2[67]。利用螟黃赤眼蜂防治甘蔗螟蟲的面積每年也可達到10萬hm2,每公頃釋放5～6次約75 000頭赤眼蜂,可以減少20%產量損失[67]。

捕食性天敵釋放技術:捕食性天敵中最具規模化應用的是捕食螨,目前應用較為成功的捕食螨主要種類包括斯氏鈍綏螨、胡瓜新小綏螨、智利小植綏螨、巴氏新小綏螨、加州新小綏螨等。近年來,利用捕食螨攜帶生防菌的技術日益發展,結合化學農藥施用,構建了捕食螨、生防菌株與化學農藥結合使用的害蟲害螨防控新策略,在22省市區的主要經濟作物上應用獲得成功。

多種天敵聯合釋放技術:基于農業生態系統中多害蟲、多蟲態發生情況,許多研究探索聯合釋放天敵取得了良好效果,比如麗蚜小蜂與東亞小花蝽聯合防治煙粉虱、溫室白粉虱Trialeurodesvaporariorum等,其控制效果優于單一天敵;茄子表面釋放巴氏新小綏螨、根系周圍釋放劍毛帕厲螨Stratiolaelapsscimitus,兩者組成立體防護網防治薊馬:巴氏新小綏螨捕食薊馬的卵和幼蟲,劍毛帕厲螨攻擊薊馬的蛹和成蟲。

天敵的保護和助增技術:從不同尺度、空間配置和布局改進農作物單一化種植環境,以改善適宜天敵的生態環境,為天敵提供食物、活動場所和避難所,保護田間天敵種群,有助于增加自然天敵的自然控害作用。比如,在麥田-玉米田系統中,種植蛇床Cnidiummonnieri可以起到保護麥田前期天敵且可作為“橋梁”將麥田天敵轉移過渡到玉米田。設施間種植波斯菊等蜜源植物帶有助于天敵種群誘集并定殖形成“天敵庫源”,對臨近溫室的害蟲防治也有增益效果[68]。茶園常年種植長節耳草Hedyotisuncinella、間作羅勒Ocimumbasilicum和紫蘇Perillafrutescens等芳香植物和黃金菊Euryopspectinatus等顯花植物給天敵提供轉換寄主和庇護所的同時,也可以引誘天敵并為其種群發展提供所需的花粉及花蜜等食物補充[69]。

1.1.2微生物殺蟲劑的研究和應用

1.1.2.1細菌殺蟲劑的研究和應用

殺蟲機理相關的研究:發現蘇云金芽胞桿菌Bacillusthuringiensis的Cry5Ba為一種典型的成孔毒素,通過觸發鉀離子泄漏引起線粒體損傷和能量失衡[70]。

新基因發掘與應用相關的研究:解析了對刺吸式害蟲稻飛虱高毒力的Bt殺蟲蛋白Cry78Aa的晶體結構,發現該蛋白的殺蟲活性與半乳糖等碳水化合物的結合密切相關[71];揭示了Bt Cry51Aa1和Cry51Aa2,屬于氣溶素樣β成孔蛋白的新型Bt蛋白,對棉花害蟲綠盲蝽Apolyguslucorum的活性及其作用機制[72]。

關鍵核心技術研發與應用:利用蘇云金芽胞桿菌G033A研發了我國首例基因工程生物殺蟲劑(農藥登記證號:PD20171726,商品名:禁衛軍),該產品也是我國首個對鞘翅目害蟲有效的Bt產品,可用于防治番茄上棉鈴蟲Helicoverpaarmigera、甘藍田小菜蛾、蘿卜田黃條跳甲Phyllotretaspp.、玉米田草地貪夜蛾等,目前已圍繞水稻、花生、玉米等作物害蟲防控在廣州、湖北、山東等地累計推廣1.4萬hm2,輻射近2萬hm2,示范區防效達85%以上。篩選出了含有殺線蟲晶體蛋白、殺線蟲蛋白酶和殺線蟲小分子活性物質的對植物線蟲具有高活性的Bt 菌株HAN055,并利用該菌株研制出了200億cfu/g的Bt 制劑HAN055 可濕性粉劑(農藥登記證號:PD20211358,注冊商標“壁壘”)。該產品對根結線蟲Meloidogynespp.和大豆孢囊線蟲Heteroderaglycines常年防效可達55.6%～82.7%,是國際上第一個獲得登記并商業化的防線蟲Bt制劑,目前已在海南、河北、黑龍江、山東、湖北等地開展推廣應用。

1.1.2.2真菌殺蟲劑的研究和應用

昆蟲病原真菌產孢的調控機制:有關昆蟲病原真菌正常產孢的調控研究明顯增多,并鑒定了一批與真菌正常產孢相關的基因。分別敲除正常產孢調控途徑的核心基因brlA或abaA后,球孢白僵菌幾乎不產生分生孢子[73],Zn(Ⅱ)2Cys6轉錄因子基因BbTpc1的敲除突變體的產孢量減少了近40%[74]。敲除轉錄因子基因MrSte12后,萊氏綠僵菌Metarhiziumrileyi在麥芽糖培養基上的產孢能力嚴重受損[75],GATA型轉錄因子基因MrNsdD敲除菌株的產孢量與野生型菌株相比降低了65%以上[76],跨膜蛋白基因MrMid2敲除突變體的產孢量顯著降低[77]。在羅伯茨綠僵菌M.robertsii中,與野生菌株相比,APSES型轉錄因子基因MrStuA的敲除菌株產孢量降低90%以上[78],G蛋白α亞基基因MrGPA1的敲除菌株產孢量減少了47%[79],肌動蛋白調節激酶基因MrArk1敲除菌株的產孢量減少58%[80],聚泛素基因MrUBI4敲除菌株的產孢量降低了61%[81]。在蝗綠僵菌M.acridum中,與野生型菌株相比,C2H2轉錄因子基因MaCreA的敲除菌株在1/4 SDAY培養基上的產孢量降低了95%以上[82],轉錄因子基因MaVib-1敲除菌株產孢量顯著降低,產孢時間提前[83],轉錄因子基因MaPacC的敲除菌株產孢量降低了50%[84],腺苷酸形成還原酶基因MaAfrIV敲除菌株在寄主體表的產孢能力幾乎喪失[85]。

昆蟲病原真菌抗逆的分子機制:關于昆蟲病原真菌抗逆機制的挖掘包括真菌對紫外、高溫、金屬陽離子和pH、細胞壁干擾、氧化、高滲等脅迫條件適應的研究。在蝗綠僵菌中,幾丁質酶CTS1[86]、C2H2鋅指蛋白MaNCP1[87]、氮代謝阻遏途徑的核心蛋白MaNmrA[88]、錨定蛋白MaOPY2[89]、HOG-MAPK通路中的一種保守的傳感器激酶MaSln1[89]、轉錄因子Mavib-1[83]和MaSom1[90]對真菌抵御紫外、濕熱均有重要貢獻。在球孢白僵菌中,Ⅲ類組蛋白去乙?；富駼bSirT2[91]、Zn2Cys6轉錄因子基因BbCmr1[92]、hsp70蛋白基因Bblsh1[93]、脯氨酸旋轉酶基因Bbfpr3[94]、海藻糖-6-磷酸磷酸酶基因BbTPP[95]、Rho GTPases家族蛋白基因Bbcdc42[96]等敲除后,真菌對紫外、濕熱耐受性降低。在羅伯茨綠僵菌中,線粒體中的G蛋白亞基 MrGPA1[79]、轉錄因子MrStuA[78]、聚泛素MrUBI4[81]的敲除菌株對紫外和高溫耐受性均顯著降低。

昆蟲病原真菌侵染致病機制:在蝗綠僵菌中,疏水蛋白基因MaHyd3、MaHyd4和MaHyd5因熒光增白劑敏感蛋白MaCwh1和MaCwh43的缺失而下調[97]。在轉錄因子MaCrz1突變體中,2個MaHyds基因的表達顯著降低,MaCwh1和MaCwh43的表達因MaCrz1缺失而降低,說明MaCrz1可能通過MaCwhs部分調控MaHyds的表達[97]。在羅伯茨綠僵菌中,MrHyd4的表達受轉錄因子MrCre1調控,該轉錄因子在羅伯茨綠僵菌萌發和附著宿主表面過程中由組蛋白賴氨酸甲基轉移酶MrKMT2介導[98]?；染G僵菌幾丁質合成酶家族中的MaChsⅢ, MaChsⅤ和MaChsⅦ在維持細胞壁疏水表面過程中發揮重要作用[99]。

殺蟲真菌遺傳改良:近5年來,殺蟲真菌的遺傳改良也取得了較大的研究進展。過表達蛋白酶基因CJPRB和CJPRB1以及三肽基肽酶基因CJCLN2-1的爪哇蟲草菌Cordycepsjavanica,與野生型菌株相比,對美國白蛾的侵染速度加快,毒力顯著提高[100]。在蝗綠僵菌中超表達cAMP/PKA通路中的關鍵轉錄因子基因MaSom1,蝗綠僵菌的產孢速度顯著加快,孢子對紫外和濕熱的耐受性顯著增強,對蝗蟲毒力顯著提高[90]。

生產菌株資源與選育:國內登記的生防菌株主要為防治線蟲的厚孢輪枝菌Verticilliumchlamydosporium、淡紫紫孢菌(淡紫擬青霉)Purpureocilliumlilacinum等菌株(中國農藥信息網)。2018年云南微態源生物科技有限公司采用厚孢輪枝菌菌株登記防治根結線蟲;2021年,河北中保綠農作物科技有限公司、山東惠民中聯生物科技有限公司、河北上瑞生物科技有限公司、柳州市惠農化工有限公司等公司分別采用4個不同的淡紫紫孢菌菌株登記殺線蟲劑(中國農藥信息網)。自2018年后,國內登記的廣譜殺蟲真菌菌株有10多個,主要為金龜子綠僵菌M.anisopliae和球孢白僵菌,分別由重慶聚立信生物工程有限公司、河北中保綠農作物科技有限公司、吉林省八達農藥有限公司等15家企業登記。重慶大學夏玉先教授提出了篩選針對一種作物(水稻)全部主要害蟲廣譜殺蟲而不傷天敵的新型菌株選育策略,從 1 000 多個菌株中篩選出廣譜殺蟲真菌菌株綠僵菌CQMa421菌株,可以侵染7個目昆蟲和線蟲等100多種害蟲和線蟲,對天敵安全,為目前國內外殺蟲譜最廣的生產菌株。2019年還發現該菌株對一些病原真菌,如灰霉菌Botrytiscinerea、晚疫病菌Phytophthorainfestans、鐮刀菌Fusariumspp.、立枯絲核菌Rhizoctoniasolani、紋枯菌、稻瘟菌Pyriculariaoryzae等20多種病原真菌具有良好的廣譜拮抗作用。另外,浙江大學馮明光教授團隊從感病螨中分離得到廣譜球孢白僵菌ZJU435,能防治鱗翅目、直翅目、半翅目和螨類等害蟲害螨,2020年由重慶聚立信生物工程有限公司在防治粉虱上登記。

制劑研究進展:殺蟲真菌有效殺蟲成分為活體菌絲或孢子,傳統殺蟲真菌制劑主要為粉劑、可濕性粉劑、顆粒劑等。2018年,重慶大學夏玉先教授團隊和重慶聚立信生物科技有限公司在研究殺蟲真菌保護膜工藝的基礎上,開發出金龜子綠僵菌CQMa421可濕性粉劑,該制劑常溫(20～25℃)條件下儲藏期1年以上。石曉珍利用凝膠包埋綠僵菌孢子制成了凝膠顆粒制劑;將顆粒劑粒徑控制在60～200目(297～74 μm)范圍,能均勻分布在田間,并能克服粉劑易于飛揚擴大污染的缺點。

殺蟲真菌農藥產業化:殺蟲真菌作為重要的生防資源,在作物病蟲害防治中具有重要的應用潛力,部分產品已廣泛應用于主要病蟲害防治。如重慶聚立信生物工程有限公司采用的固態發酵技術,所生產的金龜子綠僵菌CQMa421系列產品,年產能達上千噸。山東和眾康源生物科技有限公司將多種木霉作為飼料發酵菌劑進行商業化生產。江西天人生態股份有限公司、山西科谷生物農藥有限公司、湖北省陽新縣泰鑫化工有限公司、山西綠海農藥科技有限公司等對球孢白僵菌進行大規模生產,包括顆粒劑、油懸浮劑、水分散粒劑、可濕性粉劑,用于多種病蟲害的防治。

1.1.2.3病毒殺蟲劑的研究和應用

昆蟲病原病毒資源的發掘:目前全球報道的昆蟲病原病毒約有1 000多種,近5年新發現的有40多種,其中桿狀病毒36種,包括核型多角體病毒(NPV)30種,顆粒病毒(GV)6種,質型多角體病毒(CPV)2種,囊泡病毒1種,濃核病毒2種。草地貪夜蛾的病原病毒在美洲的阿根廷、墨西哥、巴西,非洲的尼日利亞和亞洲的中國都有新毒株發現[101-104]。這些昆蟲病原病毒的發掘為研發新的病毒殺蟲劑提供了優質資源。

病毒殺蟲作用機制的研究:在病毒與宿主相互作用、與病毒毒力相關的分子機制以及病毒的遺傳多樣性等方面的研究取得了較大進展。

病毒與宿主相互作用:近年來對桿狀病毒的包涵體釋出ODV(occlusion-derived virus)囊膜表面的病毒口服感染因子(per os infectivity factors, PIFs)復合物,介導ODV與微絨毛膜的結合和融合方面的研究取得重要進展[105]。通過晶體學手段解析得到PIF5胞外域分辨率為2.2?的晶體結構,這是首個報道的桿狀病毒口服感染因子結構[106]。NPV感染美國白蛾后,在感染組中鑒定出272個差異表達基因(DEG),其中162個上調基因和110個下調基因。分析表明,絲裂原激活蛋白激酶(MAPK)信號通路可能與美國白蛾幼蟲對病毒脅迫反應中的分子修飾有關[107]。

與病毒毒力相關的分子機制:病毒的毒力是其作為殺蟲劑的一個重要特征。棉鈴蟲NPV的結構蛋白ODV-E66具有軟骨素酶活性,它能夠降解宿主中腸圍食膜而促進病毒的感染[108]。在茶尺蠖NPV的高毒力和低毒力分離株感染灰茶尺蠖Ectropisgrisescens后,宿主體內氨基酸合成途徑和核糖體途徑相關基因的差異表達數量顯著不同[109]。

病毒的遺傳多樣性:在13種鱗翅目昆蟲和1種桿狀病毒中共鑒定出18種相關SINEs (short interspersed nuclear elements)。這些SINEs的反轉錄活性和拷貝數在不同宿主譜系之間差異很大,宿主-病毒相互作用促進桿狀病毒與其鱗翅目宿主之間SINEs的水平轉移[110]。

病毒殺蟲劑新的應用技術改進:對病毒殺蟲劑新的應用技術改進主要表現在如下方面:

劑型的改進:利用海藻酸鈣作為微膠囊殼體,并利用殼聚糖、乳清蛋白和聚多巴胺對海藻酸鈣進行修飾[111]。

病毒增效劑的改進:將多巴胺、辣木屬植物提取物、大豆黃酮類化合物、甲基阿維菌素、印楝素等加入病毒制劑中,可以提高桿狀病毒的殺蟲效果[112]。

桿狀病毒的遺傳改良:可以將外源基因插入病毒基因組以提高桿狀病毒的殺蟲活性,例如將黃地老虎GV的增效蛋白En3,蛋白激酶PK2,針對Bantam基因的小RNA插入AcMNPV(Autographacalifornicamultiple nucleopolyhedrovirus,AcMNPV)基因組,可以顯著提高它們對甜菜夜蛾的活性[113-115];也可以構建一種含有桿狀病毒膜融合蛋白GP64的重組病毒,在磷酸三苯脂的作用下,顯著提高了AcMNPV對草地貪夜蛾的殺蟲活性[116]。

1.2 植物病害生物防治研究與應用

植物病害生物防治是指引入或利用自然界對植物有益的微生物,利用其抗生、重寄生、競爭、捕食和溶菌等生防作用,直接作用于病原物,對病原物的生存或活動產生影響;利用有益微生物的保護、誘導抗病性及促生作用,增強植物的抗病性;利用微生物多樣性和植物微生態系的調控作用,改善生態環境,從而實現綠色及可持續防控植物病害的目標。

1.2.1植物病害生防細菌的研究和應用

1.2.1.1植物病害生防細菌資源的研究

基于“新方法、新菌種、新基因、新用途”的微生物資源發掘策略,從特殊生境篩選新的生防細菌資源已成為研究的熱點[117-118]。植物根際促生細菌(PGPR)、植物內生細菌和海洋細菌等,包括假單胞菌屬Pseudomonas、芽胞桿菌屬Bacillus等20多個屬,具有很強的定殖能力和獨特的微生態調控功能,已在小麥紋枯病、油菜菌核病、辣椒疫病和果實采后病害等防治方面顯示出良好的應用前景[119-122]。

1.2.1.2植物病害生防細菌生防機制的研究

生防細菌發揮生防作用的途徑是多種生防機制共同作用的結果。PGPR可通過其自身的代謝產物或定殖優勢直接或間接對植物產生有益的影響,如通過固氮作用、合成鐵載體協助宿主植物從土壤中吸收鐵離子、合成或促進植物合成生長激素、促進植物根系對多種無機離子的吸收、促進植物根際或葉圍污染物質的降解等方式提高植物的抗病性[123-125]。PGPR的群體感應信號分子AHL、揮發性物質和次級代謝產物如surfactin等可以作為激發子介導植物產生各種防衛反應[126-130]。

1.2.1.3高通量測序等新技術在生防細菌研究中的應用

宏基因組等高通量測序技術為微生物資源研究,包括免培養微生物在內的物種資源和挖掘未知生防細菌資源提供了理論依據和方法?；蚪M學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學等為生防機理研究提供了更全面和深入的技術支撐[131-133]。

1.2.1.4主要代表性研究成果

植物益生菌根際定殖精準調控信號分子研究: PGPR根際定殖過程包括根際趨化、根表黏附和定殖成膜3個步驟;明確了定殖過程中抑制根系局部免疫反應的信號分子;發現分子信號在調控合成菌群核心物種豐度與功能中的巨大潛力[133-139]。

根際微生物鐵載體介導根際菌群與土傳病原青枯菌的鐵營養競爭:鐵是根際的核心稀缺資源,鐵載體介導的根際細菌與青枯菌之間的鐵競爭是預測土壤微生物群落中細菌—青枯菌共存模式、決定病原菌是否入侵成功以及對宿主植物造成破壞的普遍機制[140-141]。

谷維菌素的研發:從中藥重樓Parisspp.的內生鏈霉菌Streptomycesspp. NEAU6的代謝物中發現了谷維菌素,其特點是環境安全性風險低、對作物安全性高,促進作物健康生長,是我國具有自主知識產權及廣闊市場前景的全新植物生長調節劑[142]。

1.2.2作物病害生防真菌的研究和應用

近十年來建立和完善的植物微生物組相關理論和技術顯著促進了植物病害生物防治研究的發展,從研究隊伍和研究成果看,我國在利用有益真菌防治作物病害研究方面發展迅速,挖掘出眾多的有益真菌資源,其中木霉屬真菌、內生真菌和真菌病毒研究成為了研究熱點。

木霉屬真菌是研究最為詳細的生防真菌,市場上已有多種商品菌劑銷售。篩選獲得了棘孢木霉Trichodermaasperellum、深綠木霉T.atroviride、哈茨木霉T.harzianum等17種木霉屬菌株[143-147]。研究了木霉與小麥、玉米和黃瓜等作物互作及促生機制[148-150],及木霉對微生物組群的影響[151-155]。發現木霉與芽胞桿菌混用可以防控小麥根部病害和赤霉病[156-157],棘孢木霉與球孢白僵菌混合使用可以防治亞洲玉米螟,共同處理玉米種子通過協調抗氧化與茉莉酸途徑促使玉米防蟲和抗病增產[158]。

從小麥、棉花、柑橘等30多種植物上分離獲得了內生真菌,鑒定出拮抗微生物的次生代謝產物,解析了內生真菌的抗病機制。發現一些昆蟲病原真菌也是作物的內生真菌,兼具殺蟲抗病功能[159-162]。將內生真菌白囊耙齒菌Irpexlacteus、稻黑孢霉Nigrosporaoryzae和昆蟲病原真菌球孢白僵菌混合培養可以獲得拮抗病原菌和對昆蟲具有驅避性的次生代謝產物[163]。發現雙子葉植物如油菜、大豆等植物的重要病原真菌核盤菌Sclerotiniasclerotiorum是小麥、水稻等禾本科植物的互惠性內生真菌,具有促進水稻和小麥等植物的生長和抗病作用,可以加以利用[164]。一旦這種現象被廣泛發現,將顯著拓寬挖掘有益微生物的渠道。

真菌病毒是重要的植物真菌病害生物防治資源。在核盤菌、絲核菌Rhizoctoniaspp.、葡萄座腔菌Botryosphaeriadothidea等近30種病原真菌中發現了真菌病毒。發現真菌DNA病毒SsHADV-1可以將核盤菌由死體營養型的病原真菌轉變為與植物互惠共生的內生真菌,提出了真菌病毒介導的植物疫苗理念[165]。真菌病毒促使其寄主由病原菌轉變為內生真菌的現象廣泛存在[166-168],預示植物疫苗防病策略應用前景好。首次在真菌中發現報道了類似類病毒的RNA分子,預示自然界存在一類新型的植物病害生物防治因子[169]。

發現茉莉酸、乙烯和水楊酸信號通路與粉紅黏帚霉Clonostachysrosea誘導番茄對灰霉病的抗病作用有關[170],明確了轉錄因子基因crtf和MAPK基因crmapk等在粉紅黏帚霉寄生核盤菌和產孢等方面的功能[171-175]。創制了用于噴霧的粉紅黏帚霉干粉菌劑,發現粉紅黏帚霉與琥珀酸脫氫酶抑制劑殺菌劑混合使用對番茄灰霉病的防治具有協同作用[176]。

解析了盾殼霉Coniothyriumminitans的基因組序列,從基因層面和轉錄組層面分析了盾殼霉與核盤菌的分子互作[177-180],發現盾殼霉可以與油菜長效專用配方肥料混合使用,以盾殼霉ZS-1SB菌株分生孢子為唯一有效成分的生物防治菌劑獲得了農業農村部的新農藥登記證書。

從寡雄疫霉Pythiumoligandrum中發現新的激發子可以提高茄科植物對辣椒疫霉Phytophthoracapsici的抗性及誘導大豆鐵死亡,增強對大豆疫霉P.sojae的抗性[181]。分離獲得了寡雄疫霉菌株并解析了其基因組序列[182]。發現寡雄疫霉的Nep1-like抑制大豆疫霉侵染但不依賴細胞死亡途徑和活性氧[183]。發現寡雄疫霉和另一種重寄生菌纏器腐霉Pythiumperiplocum的祖先可能與真菌發生過基因水平轉移,并從后者中獲得了編碼碳水化合物活性酶CAZyme的基因[184]。

開展了利用捕食線蟲真菌寡孢節叢孢菌Arthrobotrysoligospora、淡紫紫孢菌等捕食性和寄生性真菌對根結線蟲、松材線蟲Bursaphelenchusxylophilus和大豆孢囊線蟲的研究,獲得了近20種寄生和拮抗線蟲的真菌資源[185-186],從分子層面解析寡孢節叢孢菌、淡紫紫孢菌和紫色紫孢菌Purpureocilliumlavendulum等捕食真菌和寄生真菌的功能基因和生防機理[187-197],篩選出防控松材線蟲的真菌資源[198-200],研究了松材線蟲應答噬線蟲真菌強力節叢孢菌Arthrobotrysrobusta的分子機制[201]。

另外,獲得并證實了20多種對采后病害具有防病潛力的酵母菌類真菌,研究了酵母類生防菌的作用機制[202-205];將酵母與海藻糖、殼聚糖、低聚殼聚糖等物質混合使用可以提高對采后病害的防效[204]。研究了近30多種真菌的防病潛力,其中印度梨形孢Piriformosporaindica[206-208]、籃狀菌Talaromycesspp.[209-212]、單梗霉Simplicilliumspp.[213- 214]、非致病型尖孢鐮刀菌Fusariumoxysporum[167, 215]等的研究比較深入。

1.3 植物線蟲生物防治研究與應用

植物寄生線蟲種類有4 100多種,每年在全球作物上造成8.8%～14.6%的產量損失,經濟損失約1 370億美元;其在農林上的危害已成為僅次于真菌病害的第二大類病害[216]。生物防治是控制植物線蟲病的有效手段之一。植物線蟲生物防治狹義上是指在環境中人為引入能拮抗線蟲的活體生物或創造條件利于線蟲天敵自然發生而減少病原線蟲的種群數量和危害程度[217]。廣義上,植物線蟲生物防治包括利用生物活體或其活性代謝產物控制植物線蟲病。植物線蟲生物防治學科的定位和內容主要聚焦于:生防生物資源的發掘與防效評價、活性代謝產物鑒定及其生物合成與化學合成、生防資源的生防機制、“生防資源-線蟲-作物”分子互作、生防菌基因工程改造、生防產品開發與應用。

1.3.1殺線蟲天然代謝產物及代謝調控

2010年-2021年發表的天然殺線蟲代謝產物共344個,40%來自微生物、60%來自植物;其中2018年-2021年發表的活性化合物130個,47個活性化合物(36.2%)來自中國學者的研究[218]。第一類化合物:多酮類化合物。中國學者從阿維鏈霉菌Streptomycesavermitilis基因工程菌TM24報道了殺線蟲大環內酯化合物10種;其中某些化合物對松材線蟲的LD50小于5 μg/mL[219];從基因工程菌AVE-H39中發現系列阿維菌素衍生物,25-ethyl ivermectin,25-methyl ivermectin配合使用時對線蟲的活性比阿維菌素高4.6倍[220]。第2類化合物:萜類化合物和類固醇。近年來報道的這類殺線蟲化合物主要來自植物,從牛尾蒿Artemisiadubia中分離的倍半萜烯對南方根結線蟲Meloidogyneincognita的LD50為38.43 μg/mL[221];從臭蚤草Pulicariainsignis中發現的癸烷倍半萜苷對南方根結線蟲的LD50為25.42 μg/mL[222]。第3類化合物:非核糖體多肽聚酮化合物。這類殺線蟲化合物主要分離自微生物,從粉紅單端孢菌Trichotheciumroseum中發現的化合物trichomide D對孢囊線蟲的LD50為94.9 μg/mL[223], 從長枝木霉Trichodermalongibrachiatum中分離的化合物homodestcardin、trichomide B和homodestruxin B 對南方根結線蟲的LC50分別為149.2、140.6 μg/mL和198.7 μg/mL[224];從惡臭假單胞菌Pseudomonasputida和猴假單胞菌P.simiae中分離到的化合物cyclo(L-Pro-L-Leu)能抑制南方根結線蟲卵孵化[225];從嗜線蟲桿菌Xenorhabdusbudapestensis發現了7個殺線蟲活性LD50<50 μg/mL的線性肽化合物,其中rhabdopeptide-J的活性最好(LD50=27.8 μg/mL)[226]。第4類化合物:芳烴及有機酸類化合物。從3種茜草Rubia植物中分離的醌類化合物對南方根結線蟲的LD50為35.22 μg/mL[227];從日本曲霉Aspergillusjaponicus分離的1,5-檸檬酸二甲基鹽酸鹽酯對南方根結線蟲的LD50=0.761 4 mg/mL[228]。從寡孢節叢孢菌A.oligospora中發現化合物2(5H)-furanone在濃度250 μg/mL下對線蟲有強烈吸引作用;呋喃-2-基甲醇在濃度50 μg/mL下對線蟲有排斥作用;化合物 5-甲基呋喃-2-羧基醛對秀麗隱桿線蟲Caenorhabditiselegans的LC50為369 μg/mL;麥芽糖醇在濃度為2.5 μg/mL下,促進寡孢節叢孢菌網增加30%[196]。寡孢節叢孢菌中一類特有的PKS/TPS雜合生源少孢素類化合物Arthrobotrisins顯著提高和促進真菌在多種不同類型土壤中的定殖和生長[229-231]。從寡孢節叢孢菌中發現化合物farnesyltoluquinol 在12.5 μg/mL下對線蟲有較好的抑制率[232]。

殺線蟲代謝產物代謝調控與生物合成的研究主要集中在阿維鏈霉菌產生的阿維菌素及其衍生物[233]。將bicA、ecaA克隆到基因工程菌A229中可使阿維菌素B1a組分的效價提高到8 100 μg/mL[234];Wang等設計的“動態降解三酰甘油”策略使B1a的效價提高了50%,從6 200 μg/mL增加到9 310 μg/mL[235]。在阿維鏈霉菌S.avermitilis野生型中過表達sav-4189、soxR、zur基因可使阿維菌素的產量分別提高2.5倍[236]、2.4倍[237]和120%[238];將抑制阿維菌素產量的基因OhrR敲除后阿維菌素的產量可比野生型提高2倍[239]。S.avermitilis中的熱激因子HspR調控阿維菌素的產量,敲除或過表達hspR基因時,阿維菌素的產量分別降低43%和提高154%[240]。

1.3.2生防微生物侵染線蟲的分子機制

捕食線蟲真菌是自然界中調控線蟲種群平衡的主要微生物,這類真菌可形成捕器捕食線蟲,捕器的形成和形態發育與真菌的生防能力密切相關[241]。寡孢節叢孢菌能夠產生三維菌網捕器捕殺線蟲,寡孢節叢孢菌基因組中存在7種G蛋白信號(G protein signaling,RGSs),通過基因敲除和表型分析,發現RGSs在寡孢節叢孢菌的生長、發育和分化過程中發揮著重要的功能。敲除RGS1的編碼基因AoFlbA后,突變菌株(ΔAoFlbA)喪失產生分生孢子和捕食器官的能力;同時突變菌株菌絲細胞中的環磷酸腺苷含量顯著升高,說明RGSs通過調節cAMP的含量調控G蛋白信號下游的激酶途徑[242]。RIC8的作用與RGS相反,它能使與G蛋白α亞基結合的GDP磷酸化形成GTP,從而使失活狀態的G蛋白α亞基成為活化狀態。RIC8能夠與G蛋白的α亞基互作,敲除Ric8基因將導致突變菌株喪失產生捕器和捕殺線蟲的能力[243]。cAMP-PKA是G蛋白信號下游主要的調控通路,發現腺苷酸環化酶和蛋白激酶A(PKA)對于寡孢節叢孢菌的菌絲生長、產孢、捕器發育和壓力耐受能力發揮重要的調控作用[244]。絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號途徑也是真菌中重要的信號調控通路,在絲狀真菌中保守的MAPK主要包括3條調控通路Fus3、Hog1和Slt2。研究發現Slt2與寡孢節叢孢菌的菌絲生長、捕器形成和產孢能力密切相關,突變菌株喪失了產孢和形成捕器的能力[197, 245]。通過對細胞壁完整性調控通路的主要調控蛋白PKC、SLT2和SWI6的編碼基因敲除和表型分析,發現它們在菌絲生長、產孢、壓力耐受、捕食器官形成和捕殺線蟲能力等方面發揮重要的調控作用[197]。

Rab蛋白7A(Rab-7A)在寡孢節叢孢菌的生長發育過程中發揮重要的調控功能,突變菌株不能產生捕器和分生孢子[246]。寡孢節叢孢菌中Ras和Rho鳥苷三磷酸酶(Ras和Rho GTPases)對寡孢節叢孢菌的菌絲生長、捕食器官形成和捕殺線蟲能力等方面發揮調控作用[193,247]。自噬基因AoATG5不僅參與寡孢節叢孢菌的生長、產孢、自噬小體的形成;同時還參與細胞核數量、捕食器官形成和形態發育及對線蟲捕殺能力的調控[248]。捕食線蟲真菌產生的捕食器官中含有大量的電子致密體,敲除過氧化物酶體合成蛋白PEX1和PEX16的編碼基因,導致菌株生長遲緩、不能形成捕食器官,產孢能力也顯著下降[189]。捕食器官的形成機制非常復雜,有多種信號途徑和細胞過程參與捕器的形成和對線蟲捕食能力的調控。

1.3.3線蟲生物農藥的開發與應用

在中國農藥信息網上,以“線蟲”為防治對象進行檢索,2018年1月1日至2023年3月20日登記的殺線蟲農藥共118個;其中,以噻唑膦、阿維菌素為單劑或混劑的農藥數量最多,分別為62個(占52.5%)和53個(44.9%);以活體微生物為有效成分僅10個(8.5%),這10個活體微生物農藥中,淡紫紫孢菌5個、厚孢輪枝菌V.chlamydosporium1個、蠟質芽胞桿菌B.cereus1個、堅強芽胞桿菌B.firmus1個、殺線蟲芽胞桿菌B.nematocida1個、蘇云金芽胞桿菌B.thuringiensis1個。此外,以氨基寡糖素、印楝素分別登記的殺線蟲農藥各1個。以上數據表明,目前中國的殺線蟲劑市場仍以噻唑膦、阿維菌素和氟吡菌酰胺(拜耳股份公司2012年登記)為主;線蟲生物農藥整體表現出登記數量少、生防菌種類少、劑型單一、生防機制不明等問題。殺線蟲芽胞桿菌B16粉劑是近年來作用機制最為清晰的線蟲生物農藥新產品之一,由云南大學登記,母藥為100億cfu/g(PD20211349)、制劑為5億cfu/g(PD20211362),登記對象為番茄根結線蟲病。

1.4 植物免疫機制研究與應用

1.4.1植物免疫機制研究進展

剖析植物免疫系統的運作機制對于開發新型植物免疫調節劑及從作物角度理解指導生物防治工作具有重要意義?！吨参锩庖哐芯颗c抗病蟲綠色防控:進展、機遇與挑戰》一文對我國近20年來在植物免疫學領域的研究進行了系統的梳理;從各項數據來看,我國在植物免疫學研究的多個領域已躋身世界先進行列,甚至在少數方向完成了趕超,處于世界領先水平,為我國乃至世界農作物綠色防控技術的發展提供了重要的理論基礎和科學依據[249]。近5年來,我國在該領域的研究繼續保持著良好的發展態勢,成績斐然[250-280]。如:首次報道了細胞膜受體蛋白具有“免疫識別受體”和“抑制子”的雙重功能[266];首次揭示了植物中的抗病小體ZAR1[263];首次正面揭示了植物兩大類免疫通路PTI(pattern-triggered immunity)和ETI(effector-triggered immunity)的協同作用模式[272]等。

1.4.2植物免疫誘導劑研究進展

植物免疫基礎研究也推動了包含植物免疫誘導劑創制在內的應用研究的發展,目前研究較多的植物免疫誘導劑可分為糖類、蛋白類、小分子類3類。

1.4.2.1糖類植物免疫誘導劑

在糖類誘抗分子相關研究上的持續深入,拓展了我國在糖類植物免疫誘導劑制備上的選擇范圍和研發方向[281-286]。如:發現31-β-D-纖維二糖基-葡萄糖和31-β-D-纖維三糖基-葡萄糖是兩種新型DAMPs(damage-associated molecular patterns)分子,可誘發水稻免疫響應[284];揭示了幾丁寡糖通過引起植物氣孔關閉來抵御病菌入侵的誘抗新機制[283];首次發現了寡糖可通過非規范模式調節植物蛋白N-糖基化修飾,從而改善植物在N-糖基化受損時的抗病能力,從糖生物學角度為糖類分子的誘抗機制研究提供了新思路[281]。

1.4.2.2蛋白類植物免疫誘導劑

新型蛋白類激發子的發現、鑒定,不僅加深了人們對植物-病原互作過程中分子機制的認知,也為蛋白類植物免疫誘導劑的研發提供了廣闊前景。如:大豆疫霉的質外蛋白酶AEP1是一個典型的PAMP(pathogen-associated molecular pattern)[287];黃萎病菌Verticilliumdahliae的果膠酸裂解酶VdPEL1,可激發多種植物的免疫響應[288];發現蘋果腐爛病菌Valsamali中的小分子蛋白VmE02能夠誘導多種植物的免疫響應[289];發現稻曲病菌Ustilaginoideavirens中的磷脂酰肌醇鉚定蛋白SGP1能夠激發水稻免疫響應,增強水稻的廣譜抗性[290]等。值得一提的是,目前關于蛋白類免疫激活劑的制備還停留在常規的蛋白表達工程菌發酵階段,合成生物學新技術的介入還有所不足。

1.4.2.3小分子類植物免疫誘導劑

國內學者在新型小分子類免疫誘導劑研發上開展了系列工作,這些工作和糖類、蛋白類分子的相關工作為我國綠色農業的發展提供了重要的理論指導。如:以吲哚類和巰基類化合物為原料,合成了20余種具有植物誘抗活性的小分子化合物[291];發現宛氏擬青霉Paecilomycesvariotii發酵提取物“智能聰(ZNC)”可誘發植物產生強烈的免疫響應、增強植物抗性[292-293];發現褪黑素預處理可激發葡萄免疫響應,提高葡萄果實對灰霉菌的抗性,延長果實的保鮮時間[294]等。

1.4.3植物免疫誘導劑產品研發及應用進展

我國學者近年在植物免疫分子機制、各類植物免疫誘導劑挖掘及制備技術等研究領域所做出的卓越貢獻,為植物免疫誘導劑產品研發及應用打下了堅實的理論基礎。

1.4.3.1產品登記及產業化

據不完全統計,2018年-2023年期間,我國新登記的具有免疫誘導功能的農藥89個,其中以糖類生物農藥居多。值得一提的是,除了已經登記的產品外,還有包括多種寡糖、維大力(蛋白類激發子)、智能聰(微生物提取物)等尚未登記的同時具有促進生長與免疫誘導功能的產品,也在農業生產中得到了有效的應用。

1.4.3.2劑型與應用技術研究進展

在前期植物免疫誘抗劑葉面噴施等常規應用技術的基礎上,國內團隊也對這些制劑的施用方式進行了包括種子處理、土壤處理、復配混用、果實采后浸泡處理等[295-298]在內的系列摸索,力求發揮出相關藥劑的最佳效果。此外,在農藥施用設備方面,隨著農業裝備現代化的不斷推進,植保無人機(UAV)近年來一直處于快速發展階段,因其作業效率高、地形適應性廣、適用安全等特點,被廣泛應用于農林病蟲害雜草的防控。

1.4.3.3實際田間應用情況

國內學者研發的包含糖類、蛋白類、小分子類農藥在內的多種植物免疫誘導劑,已被廣泛地應用于我國農業生產的各個領域,為我國農業發展創造了巨大的經濟效益。

1.5 昆蟲性信息素的研究和應用

成蟲在性成熟時為了求偶和交配的目的,雌或雄成蟲在體內性腺中生物合成釋放引誘同種異性的化合物,這類化合物具有種的特異性,稱為昆蟲性信息素,俗稱性誘劑。昆蟲性信息素一般采用誘捕、誘殺和交配干擾應用于種群監測和害蟲防控中。研究范圍包括從氣味分子、嗅覺基因、嗅覺編碼到行為,例如性信息素化學結構鑒定、周緣和中樞神經生理和行為反應機制、田間配比優化及其防控效果評價、以及遺傳和進化等。這些分子生物學研究有助于鑒定活性化合物,即逆向化學生態學方法[299]?；瘜W結構鑒定主要在鱗翅目、鞘翅目、半翅目等種類,其詳細數據可以從https:∥www.pherobase.com/檢索。

性信息素識別的分子機制從傳統的種內拓寬至種間性信息素的識別[300]。天敵對寄主性信息素的識別[301]和寄生蜂種內性信息素的鑒定及其嗅覺識別的分子機制[302]有了新的進展,其突破為更好地監測和利用自然天敵提供了潛在的新技術和思路。性信息素的綠色化學合成有了快速發展[303]。如何解決性信息素的變異及嗅覺適應性,在生產中是一個難題。對于非遷飛性害蟲的誘捕,可采用多配比誘芯組合的方法[304]。為解決遷飛性害蟲性誘監測,性誘智能測報系統采用雙通道同時監測不同蟲源地害蟲的種群動態[305]。性誘測報制訂有農業農村部行業標準(NY/T3253-2018和 NY/T2732-2015)。至今已正式登記了13個昆蟲性信息素。

1.6 新方法和新技術研究與應用

近年來,新方法和新技術在生物防治學科中的研究和應用不斷增多,主要包括基因編輯與基因驅動、納米材料與RNAi技術、酶抑制技術等。在此主要總結近5年在基因編輯與基因驅動、納米材料與RNAi技術方面的研究與應用進展。

目前,利用CRISPR/Cas9系統已經成功鑒定并解析多種參與昆蟲翅型發育[306-308]、胚胎發育[309]和幼蟲生長發育[310-311]等的相關基因功能。在昆蟲信息素[312]、氣味結合蛋白[313]和性別決定機制[314]等方面也取得了重要進展。CRISPR/Cas9基因編輯系統在家蠶抗病毒方面也有應用,成功構建了抗BmNPV家蠶品系,該品系對BmNPV感染的抵抗力顯著高于野生型家蠶[315-316]。CRISPR/Cas9基因編輯系統也被應用于降低害蟲抗藥性和農藥作用位點鑒定等方面。敲除棉鈴蟲中解毒酶基因簇HaCYP6AE降低了棉鈴蟲的抗藥性,殺蟲劑處理后顯著降低棉鈴蟲的存活率[317]。敲除HanAChRα6后棉鈴蟲對多殺霉素和乙基多殺菌素的抗性增高,而敲除HanAChRα7后對棉鈴蟲的抗藥性無顯著影響[318]。此外,Asad等基于靶向Pxyellow基因的研究成功驅動EGFP在小菜蛾中表達,構建了小菜蛾CRISPR/Cas9基因驅動體系[319]。CRISPR/Cas9基因驅動系統在害蟲防治應用上展現了巨大的潛力,將是未來害蟲防治的主要手段,有助于解決害蟲抗藥性和化學農藥使用帶來的環境污染等問題。目前,基因驅動的效果已經得到了很好的驗證,相信隨著研究的進一步深入,該項技術存在的問題能得到有效解決并廣泛應用到害蟲的防治中。

基于RNAi的病蟲害防治策略長期以來是植物保護學的研究熱點,領域內專家發表了相關綜述[320],還出版了一本專著《RNA干擾——從基因功能到生物農藥》[321]。目前,大量的潛在RNAi靶基因不斷被篩選出來,為病蟲害的遺傳學防治提供了豐富的候選靶標。但RNAi在病蟲害防治方面的應用還處于起步階段,靶標有害生物的dsRNA吸收效率低,同時免疫系統會阻止外源dsRNA進入自身細胞并將其降解,從一定程度上降低了基因的干擾效率[322-323]。近5年,納米技術在農業領域發展迅猛,推動了傳統農業在交叉學科領域的不斷深化發展。以納米材料為載體高效攜帶外源核酸,誘導基因轉化和實現高效RNAi已成為國內外研究的熱點。在農業領域,納米粒子可以經過修飾作為一種藥物載體,快速包裹藥物分子,提高大顆粒、難容農藥分子的分散性和穿透力,提升農藥分子的附著力和利用率,因此,利用納米粒子開發新型農藥已成為國內外的研究熱點[324]。目前應用較為成熟的核酸型納米載體包括殼聚糖、脂質體、層狀雙氫氧化物、聚乙烯亞胺、聚酰胺-胺樹枝狀聚合物等。在植物病害防控領域,篩選獲得了可靶向疫霉菌CesA3和OSBP1關鍵區域的CesA3-/OSBP1-dsRNAs,制備了聚乙二醇異丙烯酸酯(PEGDA)功能化的碳點納米顆粒(CDs),其可以通過靜電結合等作用力高效裝載dsRNA,能有效防治辣椒疫霉侵染[325]。在害蟲防控領域,利用殼聚糖和脂質體遞送dsRNA飼喂二化螟幼蟲,致死率分別達到55%和32%[326];利用成本低廉的農用型納米載體創制了一種納米載體介導的dsRNA經皮遞送系統,將納米載體/dsRNA復合物點滴于靶標有害生物,即可實現高效的RNAi[327];還構建了一個由聚乙二醇和殼聚糖組成的載體系統,噴施該載體包裹的褐飛虱Nilaparvatalugens幾丁質合成酶基因A的dsRNA,褐飛虱的死亡率達65%[328]。目前,廉價、綠色、高效的RNA農藥載體創制剛剛起步,優良的納米載體的創制涉及材料學、化學、生物學科的深度融合。在RNA生物合成領域,雖然在一定程度上解決了dsRNA生產成本高昂的難題,但RNA農藥的防效偏低,仍然與化學/植物源農藥存在差距,如何進一步提升靶標有害生物的防控效果需要進一步深入挖掘關鍵RNAi靶標基因,同時對RNAi的脫靶效應進行評價,以保證RNA農藥的生物安全性。這些問題將是下一步RNA農藥創制的重要研究方向。

2 國內外發展比較

通過對我國天敵資源的研究和挖掘,國內天敵昆蟲的種類進一步豐富,優勢種也不斷發現。但與歐美發達國家相比,我國仍存在很明顯的差距。在基礎研究方面,寄生蜂調控寄主的分子機制研究達到國際領先水平,但所涉及的天敵種類還較少,需要擴充。天敵的規模化繁育方面,雖然已開發了赤眼蜂等天敵產品,但其控害作用評價還不夠充分細致,天敵繁育的人工飼料或替代飼料依然有較大的研發空間。目前可應用的天敵昆蟲種類和規模仍偏少,需要進一步擴大。田間使用過程中,人工釋放的天敵昆蟲的效能評價還不深入,亟須加強。生產天敵產品的企業數量和規模雖有增加,但仍不夠,需要進一步加大支持。

我國的細菌殺蟲劑基礎研究水平基本上與國外處于并跑階段。世界范圍內細菌殺蟲劑(主要Bt)的基礎研究均進入了深水區,在這種情況下想提出新理論、新機制比較困難。因此,新思路和新技術的運用顯得尤為關鍵。2020年西班牙瑪格麗塔·薩拉斯生物研究中心(Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas)研究團隊使用冷凍電鏡在國際上首次解析了Bt Vip3蛋白的孔洞結構,解決了20年懸而未決的問題。殺蟲蛋白結構的解析可以破解很多關鍵技術難題,因此我國在新技術的運用和新思路的突破方面仍然有待加強。我國微生物殺蟲劑產品開發水平迅速提高,除了上述Bt產品外,湖北省生物農藥工程研究中心將開發的一款對葉螨高活性的“微生物殺螨劑”—死亡谷芽胞桿菌Bacillusvallismortis,于2022年4月以5 000萬元的價格成功轉讓給企業。但我國微生物殺蟲劑研發主要依靠科研院所和高校等科研單位,研發效率、財力、人力和物力均無法與國外跨國大公司相提并論。此外,由科研單位而非企業牽頭的微生物殺蟲劑開發可能存在創新研發與產業化聯系不緊,導致產品轉化難的問題?？瓜x作物是殺蟲微生物(主要為Bt)殺蟲基因的主要出口,但目前國際上應用在農作物中的抗蟲基因主要掌握在跨國公司手中。我國目前的Bt殺蟲基因的發掘技術和能力已經逐步超過國際上其他國家,成為國際上發掘Bt殺蟲新基因最多的國家。但這些新基因仍存在與已知基因相似性高或殺蟲活性沒有已知基因強的情況。國外目前將很大精力放在非Bt殺蟲基因的尋找上,而我國在該領域成果不多,尚處于探索階段。

我國在殺蟲真菌領域近年來在菌種資源庫,殺蟲真菌分子改良與工程菌構建,殺蟲真菌產孢、抗逆、毒力相關功能基因挖掘等方面取得重要進展,特別是在殺蟲真菌農藥的應用技術和產業化方面已達到國際領先水平,基本解決了重要害蟲“無生物農藥可用”的難題。但是,迄今仍未有分子育種技術改良的生產菌株投入應用,殺蟲慢、田間防效穩定性差、儲藏期短、成本較高等問題仍然突出,因此重點圍繞殺蟲真菌農藥“管用”“好用”和“用得起”等方面,加大重要生防性狀形成機理研究的力度,尤其是殺蟲真菌活性物質代謝及調控機制、與寄主昆蟲特異互作的分子機理以及殺蟲真菌產孢及多抗逆性調控的分子機理等方面的基礎研究,建立無外源DNA轉化體系,為充分挖掘殺蟲真菌的生防潛力奠定基礎,以滿足規模生產和大面積應用的要求,促進殺蟲真菌產業的高質量發展。

我國在桿狀病毒口服感染的分子機制以及昆蟲抗病毒天然免疫反應機制方面的研究處于國際前沿水平。桿狀病毒系統發育學走向全基因組深度分析是大勢所趨,桿狀病毒分離株基因組的嵌合是否會顯著影響其作為病原體的適應性是值得關注的科學問題,這一方面國內、外學者都在積極跟進。在宿主對桿狀病毒的抗性方面,德國在蘋果蠹蛾對GV的抗性機制方面的研究處于先進水平,我國在家蠶抗NPV的機制方面也做出了大量的工作。在病毒類生物農藥的研發方面,全球近5年報道的病毒分離株約45個,中國科學家發現的占17個,可見我國在昆蟲病原病毒資源的發掘方面占有領先地位。近5年全球在桿狀病毒殺蟲劑方面的專利有101項,其中國外專利16項,而我國的相關專利85項。國外引起關注的專利包括:利用哌替啶噻唑(WO2022130188-A1),磷酸鎂和磷酸鈣(WO2022053640-A1),酰腙衍生物(WO2022004673-A1),二酰氨、甲二胺、異噁唑啉(WO2022034611-A1),甲氧基丙烯酸酯(WO2017017234)加入病毒生物農藥,以提高其殺蟲效果;利用石蠟作為殼包裹病毒顆粒提高病毒制劑抗紫外能力(US2021015106);針對桿狀病毒凋亡抑制基因RING區的18 nt反義DNA片段(RU2016122543-A)作為殺蟲活性成分。我國在桿狀病毒殺蟲劑方面的專利主要涉及以下6個方面:1)新發現病毒的應用,如抗草地貪夜蛾病毒殺蟲劑(CN112342199B),防治螟蟲廣譜桿狀病毒生物農藥(CN106417378B),黃楊絹野螟核型多角體病毒(CN111117971A),草原毛蟲核型多角體病毒(CN110669737A)等。2)劑型的創制與改進,如美國白蛾核型多角體病毒水分散粒劑(CN107637591A),昆蟲核型多角體病毒干懸浮劑(CN106857505B),美國白蛾核型多角體病毒乳濁液(CN110055226A)等。3)與其他農藥聯合使用,如將病毒與甲維鹽(CN109769857A),白僵菌(CN108739865A、CN108617695A),氟氯蟲雙酰胺(CN109845746A),氯蟲苯甲酰胺(CN109805031A),甲氧蟲酰肼(CN106417382A),雷諾丁受體或二酰氨(US201514730597)等混用。4)在病毒制劑中加入增效劑,如山奈酚(CN113973826B),染料木素(CN113994966A),香豆素(CN113994967A),大蒜素(CN113973825A),蛻皮酮(CN111727980B)等。5)生產、加工、使用方法,如核型多角體病毒野外擴增裝置(CN215123637U),斜紋夜蛾核型多角體病毒粉劑配方及其傳播方法(CN109964928A),棉鈴蟲核型多角體病毒自傳播裝置及方法(CN108174833B)等。6)其他與昆蟲病毒相關的技術,如棉鈴蟲蛹卵巢細胞系(CN112695010B),東方黏蟲蛹卵巢細胞系(CN112760277B)的構建,包裝大量外源蛋白的重組質粒(CN106701826B),檢測核型多角體病毒的PCR引物、試劑盒(CN110578018B、CN110484657A、CN105950782B、CN109295258A、CN106755569B、CN105648113B、CN106350610A)等。

在病毒類生物農藥的應用方面,截至2022年我國登記的病毒殺蟲劑有11種,約62個產品,比2017年多一個品種,產品數量則減少了3個。2023年初,草地貪夜蛾專一性的病毒母藥和懸浮劑,以及廣譜的芹菜夜蛾病毒殺蟲劑母藥和懸浮劑獲得了登記,進一步豐富了我國病毒殺蟲劑的品種。2022年美國登記的病毒殺蟲劑有13種,約14個產品,比2017年多2個品種,產品數量則增加到了34個。2022年加拿大登記的病毒殺蟲劑有10種,約12個產品,比2017年多4個品種,產品數量則增加到了12個?？梢钥闯?我國在病毒類生物農藥的品種和產品數量上與發達國家相當,相關的專利數量全球領先,但產品質量控制和應用技術方面亟待加強[329]。

我國在植物病害生防細菌研究方面主要表現為:1)生防細菌資源的源頭創新與國外研究差距明顯。目前仍然以芽胞桿菌和假單胞菌居多,從濕地、高(低)溫、高鹽(堿)以及深海等特殊生境篩選生防細菌資源的研究報道較少;在篩選技術方面,國內仍然以傳統的分離培養技術為主。生防細菌資源的源頭創新與國外的差距明顯。2)生防細菌的遺傳改良和有益基因利用等方面需要加強。目前真正能規模化生產并應用的菌株(產品)較少,其原因除研究與開發過程中上、中、下游環節缺乏協同攻關的研發氛圍外,生防自身存在的缺陷如遺傳穩定性差、效價低、防治譜窄、防效不穩定等是制約菌劑研制和推廣應用的內在因素。通過分子生物學技術對生防細菌進行遺傳改造,可增強生防細菌的遺傳穩定性、環境適應性以及代謝活性物質的產生能力等,國外已有多個成功的案例,但我國在這方面還處在探索階段。

我國在植物線蟲生防細菌研究方面呈現如下特點:1)在線蟲生防微生物資源發掘方面:近年來國內外報道的線蟲生防菌新種類不多。云南大學的“中國西南野生生物庫——微生物分庫”是國際上唯一以線蟲生防菌為主體的菌種庫,目前保藏的線蟲生防微生物種類和數量占全國的90%、全球的32.5%,包括線蟲生防微生物新屬 5個、新種 75個;同時,還保藏了線蟲生防微生物中發現的活性化合物 586個,包括新化合物152個,新骨架化合物28個,是全球最大的線蟲生防微生物資源庫。2)在殺線蟲天然代謝產物及代謝調控方面:2010年-2021年發表的天然殺線蟲代謝產物共344個,其中2018年-2021年發表的活性化合物130個,47個活性化合物(36.2%)來自中國學者的研究[218]。有關殺線蟲化合物的生物調控研究,目前國內外主要聚焦在阿維菌素及其衍生物的代謝調控,從文獻分析來看,這方面50%左右的工作是中國學者報道的。由此來看,中國學者在此領域的研究處于領先水平。3)在生防微生物侵染線蟲的分子機制方面:近年來這一領域代表性的成果是對捕食線蟲的真菌模式種寡孢節叢孢菌捕器形成、生長、發育和分化過程等與捕食線蟲活性密切相關的基因及其信號途徑的研究。這方面的工作基本上是由云南大學線蟲生防團隊完成,代表了該領域的領先水平;將這些研究結果應用到基因工程菌改造并加以應用是國內學者在將來需要加強的工作。4)在線蟲生物農藥的開發與應用方面:整體而言,線蟲生物農藥在國際殺線蟲農藥市場上的份額很低(≤10%),絕大多數國家≤5%。與美國等發達國家相比,中國線蟲生物農藥整體表現出登記數量少、生防菌種類少、劑型單一、生防機制不清楚、防治靶標少等不足。

在植物免疫研究方面,我國已經是免疫機制研究的最重要與最領先的國家之一。在植物領域主要期刊及重要綜合期刊上發表的本領域高水平論文,我國已名列前茅。在植物免疫誘抗劑產品研發領域,我國現有產品類型、數量在國際上均具有一定優勢,尤其是糖類植物免疫誘抗劑具有顯著的優勢。但在新產品創制及制備技術上,近年來進展稍緩,在蛋白高效表達等技術上與國際相比還有待加強。在實際應用上,目前我國已經涌現了以氨基寡糖素、寡糖鏈蛋白等為代表的大宗產品,在產品使用量、應用作物、應用面積等方面也處于國際領先。

在昆蟲性信息素研究領域,有關性信息素在酵母和植物中的生物合成及其產業化方面,國際上已有顯著突破并逐步成熟,一些企業實現產業化生物合成,而國內企業還沒有開展類似工作。在國家循環經濟和綠色產業發展趨勢下,國內企業必須迎頭趕上。性誘測報,特別是自動智能化測報的技術水平、推廣數量及其范圍,我國明顯走在前面,但在數學模型的構建和預測預報的實際應用上需要進一步加強。

3 存在的主要問題、發展趨勢與對策建議

在天敵昆蟲研究和應用中,以下幾個方面有待加強:1)天敵昆蟲的資源挖掘及產業化開發,包括天敵昆蟲的人工飼料研制。2)高效天敵昆蟲的性狀與研發?；蚓庉嫼娃D基因技術體系在寄生蜂研究中還很少,應當加大科研投入力度,在重要的寄生蜂種類中建立基因編輯和轉基因技術體系。同時,通過比較不同種寄生蜂的寄生效率,不同種寄生蜂在生活環境脅迫下的生存曲線,獲得相應的控害潛能指數。通過基因組、轉錄組和蛋白質組等大數據分析手段,發現寄生蜂高效寄生的關鍵基因,并揭示其分子作用機理,為寄生蜂品種改良提供理論和技術儲備。3)天敵昆蟲控害效用的提升。田間生態環境的多樣性,能造就更加穩定的棲境,進而提高寄生蜂的防治效果。碳水化合物作為大多數寄生蜂生命活動和生理過程的能量來源,直接影響著寄生蜂的壽命和繁殖力。所以,田間蜜源植物的種植可能會作為輔助因子,增加寄生蜂的控害效能。但是,目前關于蜜源植物的研究和田間試驗報道還不多,需要進一步的研究和篩選出合適的蜜源植物。4)加強交叉學科的互融互促,特別是生物信息學、合成生物學、模型統計學等新老學科要在天敵領域發揮重要作用。5)開展以復合型實用技術為目的的田間研究,明確單項技術之間的互作效應,從而增加生物防治多技術融合的邊際效益。

利用微生物進行殺蟲、防病、促進作物生長是農業綠色發展的主流方向之一。因此,針對我國重要作物的主要蟲害、病害和生長特性選育出適于特定作物的兼具殺蟲、防病、促生等功能的微生物,并開展相關作用機制研究,將為新型微生物產品研發與應用技術研究奠定基礎。創制出兼具殺蟲、防病、促生功能的微生物產品可大大提高農產品的產量和質量、簡化栽培技術、提高生產效率,提高田間防效,降低生產成本,必將極大地推動我國農業產業的技術進步,促進農業綠色發展。在細菌殺蟲劑菌株方面,加強與農藥劑型團隊合作,開發更多微生物殺蟲劑的新劑型和助劑,以解決微生物殺蟲劑速效性和持效性差、抗紫外能力弱等“痛點”;目前針對一些在我國為害嚴重的害蟲尚未開發出高效的細菌殺蟲劑產品,如蚜蟲、薊馬和煙粉虱等尚待開發更廣譜的細菌殺蟲劑;目前微生物殺蟲劑研發主要在科研單位,或多或少與發酵生產和田間應用有一定脫節。因此科研單位應更多地與生產企業和田間對接,篩選殺蟲高效且發酵性能好的菌株;開展更多的田間防效試驗,掌握施藥方式和規律,開發配套施藥設備和技術。在細菌殺蟲劑基因方面,目前Bt殺蟲新基因發掘工作已經進入瓶頸,使用常規方法很難再有重大發現,引入顛覆性技術迫在眉睫。將人工智能引入殺蟲新基因發掘中可能為破局之策。未來我國以抗蟲作物為目標的新基因挖掘工作應在堅持Bt殺蟲基因挖掘的基礎上加強關注非Bt類殺蟲基因的開發工作。在昆蟲病原病毒研究和應用方面應重點關注以下幾點:1)致力于新產品的技術創新:主要包括昆蟲病原病毒重要殺蟲功能基因大規模發掘、功能鑒定,殺蟲活性的大規模、高通量篩選,病毒的遺傳改造,以及環境相容性、穩定性好的劑型研發,推進生產工藝、加工技術及產品劑型的現代化。2)加強知識產權管理:對已登記的病毒毒株進行分子鑒定,對新申請登記的產品統一毒種鑒定并錄入數據庫,保護毒種的知識產權,支持原始創新。3)做好產品的質量評價:完善病毒類生物農藥的加工工藝、產品質量標準、質量保證期、冷熱儲穩定性、有效性影響因素等,規范其安全合理使用技術規程。4)建立標準體系:做好病毒類生物農藥相關技術標準的制定,建立健全其標準體系,包括國際標準、國家標準、行業標準、地方標準、團體標準,也包括產品質量標準、檢測方法標準、評價方法標準等,為病毒類生物農藥產業發展提供技術支撐。

我國在植物病害生防細菌方面存在的主要問題有:生防細菌的菌種選育、生產工藝和工業化生產研究相對滯后,其原因一是綠色植保、生態植保的植物病害防治理念尚未廣泛形成;二是植物病害生物防治在防治效果和產品研發等方面存在諸多亟待解決的問題,如防效不穩定、見效慢、成本高、產品貨架期短等。此外,相關科研成果轉化效率低,大量研究成果僅停留在試驗水平。針對上述問題提出對策建議如下:1)重視特殊生境生防細菌資源的發掘,加強現代生物學技術在資源發掘中的應用;2)關注植物微生態系統,以生防菌—植物—病原物—微環境為研究體系,重視生防細菌生物學和遺傳特性的重要性,建立高效的試驗模型和互作模式,完善應用理論基礎;3)進行遺傳改良和有益基因利用,擴大生防細菌的應用范圍;4)加快研究成果的快速轉化和推廣應用;5)加強科研人才隊伍建設,提升我國植物病害生物防治在國際上的競爭力。

在植物線蟲生防研究方面,我國存在的問題主要為:線蟲生防微生物資源挖掘,侵染機制、活性化合物及生物合成調控研究,生物農藥的開發與應用等方面,國內團隊基本上是各自為陣,多數團隊僅集中于某一方面研究,缺乏以產品開發和應用為目標的研究力量和資源整合;因此,在應用基礎研究和產品開發應用方面很難產出標志性成果和產品。建議組織國內植物病原線蟲生防領域的知名學者,從頂層設計開始,分析和凝練出我國該領域亟待解決的科學難題和應用問題,利用國家重點研發計劃等項目,組合優勢研發隊伍、協同攻關。

我國在植物免疫機制研究與應用方面都取得了顯著的進展,但也還存在一些制約問題亟待解決。其中,最重要的問題及發展趨勢:1)基礎研究成果的應用轉化。目前,我國科學家在植物免疫基礎研究領域已經取得了大量豐碩的成果,如能將這些基礎研究成果高效地應用于生物防治領域,將進一步加強我國在此領域的領軍地位。2)植物免疫誘導劑品類拓展、生產工藝與質控技術提升。雖然我國現有植物免疫誘導劑的產品已超百種,但仍存在著發展不均衡、生產工藝相對簡單、質控標準模糊等諸多問題,解決這些問題,未來可能需要植物病理學家、植物保護學家與生物化工、發酵工程、精細化工、人工智能等領域科學家以及質量監管部門的通力合作。3)實際應用技術的細化與優化。目前關于這些新型農藥制劑的用法、用量尚不夠規范,未來也仍需要研究者、生產者、應用者合作,開展更多的試驗示范,探清植物免疫誘導劑的廣譜應用規律及特定條件下的應用特點,制定更多的精準使用方案,從而推動其更大規模的應用。4)提升認知、優化管理。近年來對于植物免疫、植物免疫誘導劑產品的認知已經有了翻天覆地的變化:從定位不明到有專門品類并被推薦應用,從理念的不被認可到研究熱點,從企業興趣寥寥到關注頗多,從開展田間試驗都存在困難到已經實現大規模應用,應該說已到快速發展期。但仍需從各層面進一步加大宣傳力度,進一步提高認知度;另外,從政策管理的角度,我們也呼吁能基于植物免疫誘導劑自身的特點,在農藥登記、推廣應用等政策上加以支持,從而更好地推動這個契合國家發展戰略的學科方向的前進,在生物防治乃至植物保護領域做出更大的貢獻,為我國農業綠色可持續發展提供助力。

昆蟲性信息素作為保護型生物防治技術的物化技術,因其對靶標害蟲的專一性,保護了田間自然天敵和有益生物,其意義在我國還未得到真正的重視和應用,甚至成為形式。近些年,在一些二化螟高抗藥性和大發生地區,性誘精準測報、灌水滅蛹和群集誘殺相結合的大面積推廣在防控中發揮了重要的作用。存在問題:1)缺少與應用技術相關的深入研究。重大專項的設置存在缺陷,常以害蟲為主線,以示范為主,缺少深入的技術開發和創新。2)產品農藥登記管理不科學。建議參照美國環境保護局(EPA)和經濟合作和發展組織(OECD)有關主成分登記方法,比較具有可行性和可操作性。3)加大宣傳培訓力度,促進技術推廣應用。4)市場混亂,良莠不齊,缺少監督管理,建議健全市場監督管理機制。