本文是一篇由來自南非基因工程和生物技術國際中心生物農藥組,尼日利亞埃多大學微生物學系微生物學、生物技術和納米技術實驗室,尼日利亞國家根類作物研究所,南非農業研究委員會-植物健康和保護、雜草生理組,印度喀拉拉邦中心大學地球科學系統學院環境科學系,印度萊亞普爾卡爾薩學院生物技術系,波蘭格坦斯克大學重組疫苗系,尼日利亞阿布賈大學農學院植物保護系,印度卡納塔克大學植物學系的多位專家聯合撰寫的評論文章。深刻剖析了生物農藥研究和開發中存在的各種問題并針對性地提出了中肯的建議。

1. 引言

多年來,農藥對提高農業生產率和農民收入都做出了巨大貢獻,盡管如此,人們對一些農藥產品的安全性一直存在擔憂。日益嚴格的農產品農藥殘留規定,也反映了人們對高質量和安全食品的需求在不斷增長。生物農藥與傳統的化學合成農藥相比,通常其毒性更低,一般只影響目標害蟲及其密切相關的有機體,往往用量相對較少,分解更快,從而其暴露更少。

在過去的幾年里,生物農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目中,引起了全球的關注。在過去十年,IPM方案的采用大大提高了有害生物管理的效率,減少了農藥的使用,從而減少了對化學合成農藥的需求。

近年來,隨著法規越來越嚴格,一些農藥產品被淘汰出局,新的化學合成農藥的開發大幅下降,導致可供選擇的化學農藥更加有限,故生物農藥成為更可行的選擇。許多國家還不斷降低進口農產品的農藥最大殘留限量,越來越有必要探索有害生物防治方法的多元性,以減少對化學合成農藥的依賴。

本文以近期由全球生物農藥從業者參加的國際研討會為基礎,尋求廣泛的利益相關方的參與,共同評估應對生物農藥研發的挑戰的方案,并通過對非洲草地貪夜蛾的案例研究,詳細介紹了生物農藥的應用前景。

2. 生物農藥市場

目前,生物農藥僅占全球作物保護市場的一小部分(5-6%),價值介于30億美元和40億美元之間。這在一定程度上得益于許多國家和地區努力實施法規,采用環保產品用于農業生產。最近報道了一些有前景的產品,如蝶豆植株提取物,木霉菌產品,黃藍狀菌菌種,氧化苦參堿,干酪乳桿菌菌株LPT-111的發酵產物, 蘇云金芽孢桿菌黃粉蟲變種的菌株Xd3 (Btt-Xd3)產品,橄欖油廠副產物, 從葡萄藤提取物中分離得到二苯乙烯類等。雖然這些物質很有潛力,但在不同的種植體系中,它們對特定害物的作用仍然不清晰。

因更強的環保和健康意識、可持續發展、監管壓力和零售商的需求等多方因素推動,生物農藥的市場正在迅速擴大。過去,生物農藥只由當地或地區的小公司生產,這些公司在嚴格的法規流程中掙扎,無法擴大市場份額；目前,大型跨國農化公司正在這一領域大力投資,因此,預計持續增長的生物農藥市場將在未來20-30年里在市場規模上趕上化學農藥。然而,采用率的不確定性,特別是在發展中國家,可能會影響此預估。

3. 開發和商業化生物農藥的前景和挑戰

監管、研究、政策和產業

生物農藥的定義和分類以及生物農藥法規的嚴格程度在不同的國家、地區、監管機構甚至科學界都有所不同。例如,美國環保署認可了植物組合劑,即將轉移到植物體內的基因(如Bt基因)所產生的殺蟲物質作為生物農藥。另一方面,在歐盟,“生物控制劑”一詞被用來代替“生物農藥”一詞；而PIPs不被認為是生物農藥。這些差異使得企業很難應對監管過程,包括Arora(2016)和Balog等人(2017)在內的幾篇評論文章已經討論過這些差異。盡管有許多生物活性物質已經被分離和制劑化了,但由于許多國家冗長而官僚的監管程序,很少有能完成登記。目前除了在美國等少數國家之外,生物農藥的監管過程往往是類似于化學農藥的,并沒有專門制定適合生物農藥的監管模式。

風險評估是生物農藥登記的關鍵要求。然而,盡管這種評估應通過以科學證據為基礎的程序進行,但在一些國家提交報告的程序比較冗長。因此,需要修改登記要求,以促進對生物農藥活性物質的有效評估。阻礙生物農藥登記的另一個因素是新藥劑登記的高成本。建議監管部門根據合理和適當的規定,加快生物農藥產品的登記程序,使新產品能夠快速進入市場,從而產生收入。

許多研究通常是在生物農藥開發的早期階段進行的,從而產生了大量關于“潛在的”生物農藥的文章。有人建議,這些物質應該被稱為生物控制劑,只有被批準用于商業用途后才被標注為生物農藥。

從研究項目到產品實現的轉變需要各個領域的專業知識。有必要對生物農藥研究進行協調,從而形成“生物農藥創新鏈”和/或集中研究、開發和提供生物農藥。

生物農藥的發展,正如其他所有的研究和開發工作一樣,需要有技能的人力,充足的基礎設施,與一個或多個中小企業協作,在研究的早期階段和整個開發過程提供投入,確保開發的產品的商業化潛力。還需要與農藥工業以外的配套部門加強互動。像大公司那樣,為創新申請專利以獲得收益,對小公司而言也是非常重要。自然存在的有機體不可能申請專利,但是專利法能夠區分發現和發明,而發明只要符合《與貿易有關的知識產權》(TRIPS)第27條規定的可專利性標準(新穎性、發明步驟和工業適用性)就可以申請專利保護。從消費者的角度來看,與生物農藥使用相關的主要挑戰是需要加強管理和接受其藥效比化學農藥的略差。

簡而言之,未來生物農藥的開發需要各學科之間更廣泛的協作,并確保行業投入從研發物質的早期篩選、研發過程,直到確定最合適的商業和融資模式。

4. 利用病毒生物農藥的機會

現狀和未來

已知有幾種病毒可以感染昆蟲,但只有桿狀病毒科(一種高度專化的病毒)的病毒被開發出來用于防治害蟲。這是因為它們具有良好的安全性和高特異性。然而,直到最近,由于其緩慢的殺蟲作用和商業化離體生產的技術困難,它們作為生物農藥的應用一直受到限制,這個情況因巴西農業研究公司的弗拉維奧博士的巨大努力,得以改變。

如今,許多國家都增加了受桿狀病毒保護的作物面積,如印度、中國、巴西和南非等。巴西于1980年代初引進了一項控制大豆夜蛾的方案,在2003/2004年的季節,用核多角體病毒防治大豆夜蛾的面積約200萬公頃。目前,巴西的大豆、玉米和棉花田受到棉鈴蟲核多角體病毒的保護,免受棉鈴蟲的侵害,面積約130萬公頃,而大面積的木薯田則噴灑了木薯天蛾顆粒體病毒的制劑。

以下兩種旨在擴大桿狀病毒生物農藥的應用的方案將在未來實施：一是在限制使用轉基因生物的國家,將主要是在診斷水平、離體生產和改變生物農藥配方等方面予以改進；二是通過對桿狀病毒基因組與另一自然病原體的基因進行基因修飾,以增強桿狀病毒的殺蟲活性。

5. 植物源農藥--研究現狀與展望

植物源農藥是指用于防御各種害蟲的源于植物的有機農藥。其通過驅避、抗取食、抗保幼激素活性、產卵/孵化威懾、抗生育或生長中斷等機制來控制害蟲。這些生物農藥對真菌、病毒和細菌也有效。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,它干擾昆蟲分泌保幼激素的腺體的功能,從而在蛻皮階段抑制了昆蟲的生長。拒食劑的作用機理主要是針對昆蟲的味覺細胞,或者通過刺激味覺感受器,或者阻止進食刺激物,還有被認為會引起神經系統不穩定的電脈沖,干擾了昆蟲的進食。植物制劑作為殺蟲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,有必要優化它們的藥效,并生成相關的藥效和安全方面的數據。

植物源農藥研發的一個關鍵挑戰是,植物的粗提取物是屬于不同化學類別的化學分子的混合物,所有這些化學分子可能都不具有生物活性,因此,要使植物源農藥有效,必須有化學標準化過程來識別和濃縮具有活性成分的化學分子。從積極的方面來說,植物源農藥在幾天甚至幾個小時內就會降解得很快,所以大多數植物源農藥對環境是安全的。但是,也正因此,它們的施用次數會增加,使用成本也更高。

簡而言之,由于諸多障礙,只有很少的植物源農藥被商業化,這些障礙包括：大規模生產的植物材料短缺,標準化化學復合物提取比較困難,監管部門的要求嚴格,植物農藥的藥效緩慢,缺乏殘留數據,以及市場上有很多更具成本優勢的競爭產品。然而,鑒于一些合成農藥的負面影響,有必要解決這些挑戰,使植物源農藥的制劑能夠商業化并進入市場。

6. 生物除草劑的生產和田間應用的限制

雜草對作物的嚴重影響威脅著全球糧食供應和農業經濟。這些雜草主要是通過施用化學除草劑來控制的。然而,化學除草劑的過度使用、施用和管理不當,造成環境污染,對包括人類在內的非目標生物造成危害。

為此,研究人員已經開發出生物除草劑,即從活的生物體中提取的除草劑。風險更低,在環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展的風險。目前,只有一些生物除草劑已在市場上獲得成功,這可歸因于一些挑戰,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,需要采取擴大寄主范圍、改進配方和田間持效性、增強除草特性和采用先進技術等策略。

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的生物防治劑,但只有很少一部分被商業化了。在細菌中,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為商業用途,還有其他尚處于評估階段的微生物種類將作為商業產品進行登記注冊和開發。

在生物除草劑的開發過程中,由于大多數的產品都具有宿主特異性,所以宿主的范圍是一個復雜的問題。由于植物系統發育與病原菌特異性之間的關系缺乏明確的證據,宿主范圍試驗中微生物種類的選擇比較困難。

生物除草劑微生物定植對植株產生的風險,需要在選擇生物除草劑之前對其進行評估；由于潛在的定植在自然中發生,妨礙了其商業化的可能性。微生物之間對營養、空間的競爭和拮抗作用可能減少微生物的數量,植物濾液中的有毒物質可能對生物除草劑的藥效產生負面影響。

環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、侵染擴展和擴散到雜草的速度等,目標雜草的二次感染率也會受最佳環境因素控制。生物除草劑的商業化開發主要取決于大規模生產一種活的、致病的和遺傳穩定的繁殖體(如微生物孢子、碎片或顆粒)的可行性。需要具體的技術和政策手段,使生物除草劑既經濟又能受農民歡迎。研究人員應該考慮克服生物除草劑發病機理的生物學和環境限制的重要性,使它們成為有潛力的商業產品。

7. 生物農藥應用前景

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于美洲的極具侵略性的鱗翅目害蟲,偏愛玉米,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年在非洲首次被報道,2018年傳播到亞洲。草地貪夜蛾對至少16種昆蟲病原敏感,包括病毒(核多角體病毒)、真菌(包括綠僵菌、綠僵菌和白僵菌)、原生動物、線蟲和細菌(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生的,其中真菌、病毒和細菌最為常見,是草地貪夜蛾種群的重要的自然控制因子。在非洲,它們會在野外殺死草地貪夜蛾的幼蟲。

生物農藥中,病毒(核型多角體)、細菌(蘇云金芽孢桿菌)、真菌(綠僵菌和白僵菌)以及植物源殺蟲劑(印楝素)都顯示出了防治草地貪夜蛾的潛力,應被進一步研究。還有昆蟲病原線蟲已被證明可以作為生物防治策略,如異小桿線蟲,印度小桿線蟲和小卷蛾斯氏線蟲,也可防治草地貪夜蛾。

以病毒為基礎的殺蟲劑具有高度的特異性、毒性,對脊椎動物無毒,有開發為生物農藥的巨大潛力。桿狀病毒在生態系統中控制各種昆蟲的數量方面,往往發揮著重要作用。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配方中可能會改善核型多角體病毒的性能。害蟲是通過攝入受污染的植物材料而經口感染的。感染了NPV的幼蟲會出現斑點、皮膚變黃等癥狀,食量比健康幼蟲的低10%。受桿狀病毒感染的幼蟲通常向光移動,因此經常在植物頂部發現。死后,它們通常被發現掛在植物上,頭朝下。死亡的幼蟲變得柔軟,最終滲出類病毒顆粒和液體,這有助于進一步傳播病毒。影響病毒效力和殺滅速度的關鍵因素有：草地貪夜蛾幼蟲的年齡、攝取病毒的量、病毒的毒性、當時的氣候條件即溫度、濕度和太陽輻射(紫外線)、使用的配方、噴灑的時間和使用的設備類型等。因此,除其他外,有必要進行研究,以確定這些生物農藥的最適當的配方和應用方法。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。

昆蟲病原真菌是大多數生態系統的重要和廣泛的組成部分。真菌在昆蟲種群中通常是一個重要的自然死亡因素。盡管約有90屬的700多種真菌對昆蟲具有致病性,但只有少數真菌在農業害蟲管理方面得到了充分的研究。真菌的一個優點是,大多數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通常會在自然條件下引起動物流行病,故可以從廣泛的宿主中分離和鑒定本土真菌分離物。真菌孢子通過昆蟲的體毛進入昆蟲體內并在昆蟲體內繁殖,從而破壞昆蟲的組織,產生毒素,導致宿主死亡。病蟲停止進食,變色,死亡后常出現變硬和鈣化,同時真菌生長旺盛。球孢白僵菌、綠僵菌和萊氏蛾霉是常見的真菌,具有開發成生物農藥的潛力。球孢白僵菌已被用于防治草地貪夜蛾,不過它的致死率中等。研究表明,與其他鱗翅目害蟲相比,草地貪夜蛾幼蟲對球孢白僵菌的敏感度最低。國際昆蟲生理學和生態學中心進行了一些研究,測試了三種不同屬(綠僵菌屬、白僵菌屬和伊氏菌屬)的真菌分離物對草地貪夜蛾二齡幼蟲的活性,然而,試驗結果并不是很理想。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病原菌。

蘇云金芽孢桿菌是一種常見的居于土壤的、產生芽孢的革蘭氏陽性細菌,可生成晶體毒蛋白,是目前應用于害蟲防治的最為廣泛的微生物農藥。不同種類的昆蟲對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的Bt產品,但它們對草地貪夜蛾的防治藥效仍不明確。實驗室研究表明,在不同的Bt菌株中,草地貪夜蛾對鲇澤亞種和蘇云金亞種更敏感。雖然庫斯塔克亞種對多種鱗翅目害蟲有效,對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草地貪夜蛾的有效Bt菌株。草地貪夜蛾種群可能對不同的Cry毒素具有不同的敏感性,因此,這將影響不同地區草地貪夜蛾防治中基于Bt的生物農藥的選擇。除Cry毒素外,草地貪夜蛾還易受Bt培養基中發現的多種營養殺蟲蛋白的影響。商業化的Bt生物農藥,特別是以鲇澤亞種菌株為基礎的Bt生物農藥已經在非洲注冊,并在一定范圍內可用。已建議進行評估這些生物農藥對非洲草地貪夜蛾的有效性的研究。

昆蟲病原線蟲在控制對人類、動物和環境安全的土壤害蟲方面可以作為化學合成農藥的替代品,因此被廣泛應用于園藝行業。草地貪夜蛾也被證明對這些有益線蟲高度敏感,特別是對小卷蛾斯氏線蟲和Steinernema riobravis。然而,線蟲的挑戰在于,它們需要在非常特定的時間使用,通常是在清晨或深夜,此時草地貪夜蛾幼蟲非常活躍,很容易被線蟲發現。這些窗口期還有助于將線蟲暴露在紫外線下的時間降到最低,否則它們會被紫外線殺死。

EPNs的一個優點是,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,與產生電荷的設備噴霧混合,也可以用那些使用液壓和旋轉噴嘴的設備噴霧。實驗室研究表明,有幾種與三種EPNs兼容的商用殺蟲劑,包括印度小桿線蟲、小卷蛾斯氏線蟲及昆蟲病原格式線蟲。事實上,一些研究表明,當線蟲與殺蟲劑混合時,其效果會得到增強,例如, 印度小桿線蟲與虱螨脲復配可提高對草地貪夜蛾的療效。

但是,有必要全面評估殺蟲劑和EPNs的相容性,以作為開發防治非洲草地貪夜蛾IPM項目的一部分。盡管在非洲開發控制草地貪夜蛾的EPNs具有很大的潛力,但迄今為止只有幾個國家進行了調查。例如,在埃及已經進行了一些有前景的研究,調查了在一些種植系統中將EPNs納入IPM項目的潛力。在南非用EPNs防治甘蔗桿螟蟲的研究只取得了有限的成功,歸因于這樣一個事實：這些害蟲十分神秘,出沒的地點通常是充滿了大量的蛀屑和蛀痕。在控制草地貪夜蛾中應用EPNs也可能會面臨這樣的挑戰。雖然在非洲尚未開發出商業化的產品,但有必要對EPNs進行廣泛的研究,并探索其作為生物農藥和IPM項目組成的潛力。

目前已知幾種植物具有殺蟲性能,并具有巨大的開發為防治草地貪夜蛾的植物農藥的潛力。其中一些已經在世界其他地方的草地貪夜蛾的防治中被使用。大多數植物殺蟲劑是可生物降解的,對人類和動物(包括天敵)是安全的,因此可以在IPM項目中作為生物農藥使用。有幾種植物提取物具有殺蟲特性,可以防治非洲谷物的莖螟蟲,如金合歡,辣椒,菊花,西非山毛豆,麻瘋樹,檸檬草,印楝,洋蔥,波斯丁香,除蟲菊,煙草,西非胡椒,野生萬壽菊,野生鼠尾草和野生向日葵。

需要評估這些植物制劑對草地貪夜蛾的藥效,并在該地區的農民中推廣有效的植物制劑。

8. 生物農藥生產與加工的發展現狀

利用納米技術和微膠囊技術可以提高生物農藥產品的穩定性、持效性和有效性。納米技術是研究納米尺寸(1-100納米)的材料,即納米顆粒,具有獨特和新穎的物理、化學和生物特性。這些NPs具有靈活的物理特性,表面積與體積比大,對蛋白質有很強的親和力。通過微膠囊工藝將固體、液體和氣體物質封裝成1-1000摩爾/升的微粒子,廣泛應用于醫藥、食品、化妝品和先進材料等領域。微封裝確保了核心材料被完全包裹和隔離,從而免受外部環境的影響。

因此,納米生物技術的產品可以在作用部位控制釋放分子,從而最大限度地減少對非目標生物的潛在毒性影響,并防止微生物降解活性劑。基于此,納米技術產品將降低毒性,增強功效,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印楝素不被迅速降解,從而對目標害蟲產生長期影響。

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巴西豆象,從而表明其緩釋的生物活性。也有報道稱,各種納米粒子可以包裹和保護含有活性成分的次生代謝物,這些活性成分有生物農藥的作用。微囊化的草地貪夜蛾核多角體病毒粒子保護病毒免受紫外線滅活,展示出其作為生物農藥的發展潛力。

因此,納米技術將有助于開發具有良好安全性的低毒生物農藥,提高活性成分的穩定性,增強其對靶標害蟲的活性,從而促進農民的采用。然而,使用納米顆粒的一些潛在風險因子需要通過相關的研究加以解決,其他需要解決的問題包括從納米顆粒系統釋放活性分子的速度、存儲穩定性和該技術的成本效益等。

9. 結論與未來展望

目前已經分離鑒定了一些有潛力的、可進一步發展為生物農藥的產品,有必要對其進行進一步的研究,以確保之前的努力不是徒勞。在研究新產品的同時,也需要研究克服那些影響某些產品藥效的障礙。利益相關者之間的合作仍然是至關重要的,生物農藥研究人員必須與工業、農民、決策者、政府和其他相關利益相關方密切合作。確保生物農藥與現有農業系統相結合的方法也是必要的：眾所周知,生物農藥不能完全替代化學殺蟲劑,因此,如何將生物農藥有效地整合到害蟲綜合治理戰略中,也應該成為努力和研究的重點。

同樣重要的是,生物農藥的使用成本必須確保其使用者有利可圖,特別給發展中國家的農民使用。有必要讓不知情的農民,特別是發展中國家的農民了解生物農藥是緩解一些合成農藥的大部分負面影響的可持續方案,并讓他們了解這個的重要意義。促進生物農藥登記注冊的法規也可以促進其商業化和市場供應。雖然有幾種新物質具有防治害蟲的潛力,但需要進行更多的田間研究,以評估其在特定種植系統中的藥效。

納米技術等新技術在提高生物農藥的藥效和持效期方面顯示了巨大的潛力,應該進一步探索它們的潛力。發展中國家的大多數研究所在知識產權管理方面缺乏最基礎的能力。公共研究機構需結合法律、商業和技術知識,制定其獨立的知識產權政策和有效的管理。