中國是一個農業大國,生態環境多樣,作物種類繁多,病、蟲、草等危害頻繁發生。農藥是農業生產中必需的生產資料,我國目前使用的農藥以化學農藥為主、生物農藥為輔,為促進生態文明建設和農業可持續性發展,研發和使用無公害的生物農藥得到全社會的高度重視。生物農藥的定義和范疇因不同國家和不同發展時期稍有不同,主要包括植物源農藥、動物源農藥、生物化學農藥和微生物源農藥。微生物源農藥主要包括活體微生物農藥和微生物代謝產物農藥(microbialmetabolitepesticide,簡稱MMP)。

MMP是以微生物發酵產生的代謝產物為活性成分、用于防治病蟲草等有害生物或調節植物生長發育的生物農藥,主要包括農用抗生素、植物免疫誘抗劑和植物生長調節劑。農用抗生素具有特定的殺菌或殺蟲活性,化學結構和防治作用機理明確,如井岡霉素和多抗霉素；植物免疫誘抗劑誘導植物產生免疫反應,增強植物抗病蟲害能力,如阿泰靈；植物生長調節劑調節植物生長發育或抗逆性,如S-誘抗素。

本文總結了我國研發的主要代謝產物農藥種類、特點和最新研發與應用進展,分析了目前研發與應用中面臨的問題與挑戰,為新型代謝產物農藥的研發與應用提供參考。

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微生物代謝產物的特點

微生物代謝產物通常具有如下特點：

(1)化學結構復雜,不能或不易通過化學方法合成；

(2)生物活性具有選擇性,病原菌對這些代謝產物不易產生抗藥性；

(3)兼具誘導植物產生免疫反應,提高植物抗病性,且有增產效果；

(4)在土壤環境中的殘留時間短,能夠被微生物分解利用；

(5)微生物代謝產物生產原料多為淀粉、糖類、玉米漿、黃豆粉等廉價再生性生物資源；采用發酵工藝生產,廢液和廢水可以回收再利用,對環境污染小,同一套設備略加改造可應用于其它菌種的發酵生產,投入成本相對較低。這些特點決定了微生物代謝產物農藥與化學合成農藥在研發、管理、使用和藥效評價等方面不能等同。

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農用抗生素

農用抗生素是隨著醫用抗生素的發展而興起,始于應用鏈霉素和土霉素等防治植物病害。日本科學家從20世紀60年代開始先后研發出滅瘟素-S、春日霉素、多氧霉素和有效霉素等一系列產品。我國從20世紀70年代開始先后成功研制并推廣應用了10多個農用抗生素品種,包括殺菌劑：農用鏈霉素、防線菌酮、滅瘟素-S、井岡霉素、多抗菌素、春雷霉素、寧南霉素、中生菌素、武夷菌素、農抗120、公主嶺霉素、四(梧寧)霉素、金核霉素；殺蟲/螨劑：瀏陽霉素和華光霉素；除草劑：雙丙胺磷；抗雞球蟲劑：鹽霉素；殺鼠劑：C/D型肉毒梭菌毒素(表1)。除此之外,下列農抗產品在我國有過研究或小規模應用,但是由于各種原因沒有取得登記或大面積推廣,包括殺菌劑：慶豐霉素、那他霉素、滅粉(多米)霉素、天柱菌素、秦嶺霉素、長川霉素、新奧苷肽、捷安肽素；殺蟲/螨劑：南昌霉素、梅嶺霉素、戒臺素、殺粉蝶菌素。

2.1  井岡霉素(Jinggangmycin)

井岡霉素又稱有效霉素(validamycin),是吸水鏈霉菌井岡變種Streptomyces hygroscopicus var. Jinggangensis TH82所產生的氨基糖苷類代謝產物(圖1A)。井岡霉素在紋枯菌細胞內被β-D-糖苷酶水解成井岡羥胺,強烈抑制真菌海藻糖酶,干擾能量代謝。沈寅初教授等通過多種誘變方法獲得高產工程菌株,于20世紀70年代中期在浙江、江蘇、上海等地產業化生產,廣泛用于水稻紋枯病、棉花立枯病和麥類紋枯病等防治。此外,井岡霉素作為一個天然產物還能夠誘導植物產生免疫抗性,可與其他化學農藥或生物農藥復配,因此,井岡霉素是我國應用面積最廣的農用抗生素之一。上海交通大學鄧子新教授團隊克隆了井岡霉素的生物合成基因簇,在變鉛青鏈霉菌Streptomyces lividans TK24中實現了井岡霉素的異源合成,系統闡明了井岡霉素生物合成機理。在此基礎上,進一步闡明了井岡霉素生物合成的轉錄調控機制、群體感應調控和溫度調控機制,并開展了系統的遺傳與代謝改造,將工業高產菌株中井岡霉素的發酵效價提高了20%左右,降低了井岡霉素的生產和使用成本。

2.2  阿維菌素(avermectin)

阿維菌素是1975年從阿維鏈霉菌Streptomyces avermitilis中分離得到的十六元環大環內酯類聚酮化合物,因其高效殺蟲活性而被廣泛應用在農業、畜牧業和醫藥行業上。阿維菌素包含8個組分,組分A1a、A2a、B1a和B2a占80%～90%,組分A1b、A2b、B1b和B2b占10%～20%,其中B1a殺蟲活性最有效(圖1B)。我國的阿維菌素研究始于1984年,上海市農藥研究所從廣東揭陽土壤中分離篩選得到阿維菌素產生菌7051。沈寅初教授主持阿維菌素研發工作,證實了其在農業和畜牧業上的應用潛力。北京農業大學李季倫教授通過誘變育種、代謝工程等技術提高了阿維菌素的發酵效價,通過改進提取技術,使阿維菌素的質量得到顯著提高。最近,中國科學院微生物研究所等單位采用合成生物學策略控制三磷酸甘油脂動態降解,所得工程菌株在180升工業規模發酵罐中B1a組分的發酵效價提高了50%,進一步降低了阿維菌素的生產成本。中國目前已是阿維菌素最大生產國,在該產品研發與應用過程中有3個鮮明的特點：

(1)自主知識產權；

(2)國際領先的生物合成機理研究和高產工程菌株改造技術；

(3)國際市場話語權。

甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽(簡稱″甲維鹽″)是以發酵產品阿維菌素B1為中間體化學衍生的一種新型高效殺蟲劑和殺螨劑。與阿維菌素相比,甲維鹽增加了對鱗翅目害蟲的殺蟲活性,殺蟲譜變寬,對溫血動物的毒性變低,不易產生抗藥性。

2.3  多殺霉素(spinosad)

多殺霉素是刺糖多孢菌Saccharopolyspora spinosa發酵液中提取的一種大環內酯類高效殺蟲代謝產物(圖1C),商業化的產品是spinosyn A和spinosyn D的混合物,故稱其為多殺霉素。多殺霉素可以持續激活靶標昆蟲乙酰膽堿煙堿型受體,也可以影響γ-氨基丁酸受體,導致害蟲迅速麻痹、癱瘓,最后導致死亡。多殺霉素對靶標昆蟲具有獨特的快速觸殺和攝食毒性,可以有效防治小菜蛾、甜菜夜蛾等多種鱗翅目害蟲,而對哺乳類、鳥類等幾乎沒有毒性,因此,兼具化學農藥的速效性和生物農藥的安全性,具有低殘留、快速降解等優點。合成多殺霉素的基因簇共有23個基因,長約80 kb,其生物合成包括大環內酯的合成和修飾、鼠李糖及福樂糖胺的合成與連接等環節。乙基多殺菌素是通過化學修飾衍生而來的一種新型多殺霉素類殺蟲劑,安全性和防治效果更佳。我國多家研究機構一直在研究多殺霉素生物合成與調控機理,構建了一系列高產工程菌株,目前已由相關企業實現產業化。

2.4  申嗪霉素(Shenqinmycin)

申嗪霉素是假單胞菌Pseudomonas代謝產物吩嗪-1-羧酸(phenazine-1-carboxylicacid,PCA)的商業名稱(圖1D)。莽草酸途徑的終產物分支酸是申嗪霉素生物合成前體；基因簇phzABCDEFG編碼的7個酶負責協作完成從分支酸到申嗪霉素的轉化?；谏赅好顾厣锖铣蓹C制和調控網絡,以許煜泉教授為核心的上海交通大學研發團隊開展了一系列的遺傳、代謝與合成生物學改造,所得工程菌株申嗪霉素發酵效價可達到10 g/L左右。相關企業優化了高產工程菌株的大規模發酵條件,發明了一套水基化酶法綠色提取工藝,研制出環境友好的1%申嗪霉素懸浮劑劑型。截至2016年,1%申嗪霉素懸浮劑獲得防治9種作物病害(水稻紋枯病、稻瘟病、稻曲病、小麥全蝕病、赤霉病、甜椒疫霉病、西瓜枯萎病、黃瓜灰霉病、霜霉病)農藥登記證,應用于主糧和經濟作物病害防治。

申嗪霉素的研發獲得了上海市科技進步一等獎、教育部科技進步獎(推廣類)二等獎。申嗪霉素在病原菌中的作用靶標兼具多樣性和特異性。申嗪霉素處理顯著提高水稻白葉枯菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)活性氧的積累,降低過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性,改變胞內氧化還原態平衡和碳水化合物代謝；水稻紋枯病菌(Rhizoctonia solani)經申嗪霉素半致死劑量連續處理30代,沒有出現抗藥性。申嗪霉素及其衍生物吩胺霉素抑制水稻紋枯病菌幾丁質合成酶活性和線粒體中的電子傳遞和氧化磷酸化。經0.1～1μmol/L吩胺霉素處理后,水稻對稻瘟病菌Magnaporthe grisea的抗性、大豆對立枯病菌Rhizoctonia solani Kuhn的抗性都顯著增強。吩胺霉素對小麥赤霉病菌Fusarium graminearum的生長抑制作用明顯,作用靶標之一為組蛋白乙?；?。

2.5  武夷菌素(Wuyiencin)

武夷菌素是小白鏈霉菌武夷變種Streptomyces albulus var. wuyiensis產生的多組分代謝產物,主要是武夷菌素a和b。組分a通過紅外光譜、碳譜、氫譜分析,確定其分子式C₁₃H₂₁N₃O₁₄,為一種含有胞苷骨架和過氧鍵的核苷類抗生素(表1),屬于一種結構全新、具有自主知識產權的新型農用抗生素。此外,武夷菌素產生菌發酵液中還含有ε-聚賴氨酸、苯甲酸、間苯二甲酸和黃酮類化合物等代謝產物(圖1K,J),因而具有較強的抑菌活性。武夷菌素防治植物病原真菌的作用機制包括兩個方面：一是直接抑制病原菌生長以及分生孢子萌發；二是誘導植物產生防御相關酶(如超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶和苯丙氨酸解氨酶),提高植物自身的抗病性。近年來,中國農業科學院植物保護研究所與相關企業合作,建立了該有效成分分離純化的新方法；克隆了武夷菌素生物合成基因簇,闡明了武夷菌素生物合成機理；采用增加主效基因表達等策略,創建了武夷菌素產生菌高效遺傳轉化體系,定向選育了多株高產武夷菌素工程菌株。在此基礎上,建立了武夷菌素與其他生物農藥、化學農藥協同應用的技術模式,并在黑龍江、天津、青海等地開展示范應用,對蔬菜灰霉病、白粉病、葉霉病等真菌病害的防治效率在85%以上。

2.6  中生菌素(Zhongshengmycin)

中生菌素是淡紫灰鏈霉菌海南變種Streptomyces lavendulae var. hainanensis產生的一種N-糖苷類次級代謝產物,含有6個同系物類有效成分,各組分之間依次遞增一個β-賴氨酸(圖1E)。我國相關研究單位在產生菌分離篩選和鑒定、高產菌株選育、作用機制、合成調控基因、發酵工藝和后處理技術、田間應用等方面開展了系統研究,成功將其研發成一種應用較廣泛的微生物代謝產物農藥。中生菌素主要是通過抑制菌體蛋白質的合成而起到抑制病原菌的作用,也對真菌孢子形成和萌發具有強烈的抑制作用。中生菌素還能與植物互作,提高植物防衛反應的主要酶系如過氧化酶、苯丙氨酸解氨酶、查爾酮合成酶的活性,誘導植物抗病性。中生菌素是目前防治細菌性病害的特效藥劑之一,主要用于防治水稻白葉枯病、番茄青枯病、黃瓜細菌性角斑病、煙草野火疫、梨火疫病等,同時對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)

春雷霉素是土壤放線菌春日鏈霉菌Streptomyces kasugenesis產生的代謝產物,分子結構包含3部分：D-肌醇、春日霉胺和亞氨基醋酸側鏈(圖1F)。1964年我國從江西泰和縣的土壤中也發現了春日鏈霉菌,于1970年由中國科學院微生物所研制成功并命名為春雷霉素,后發現與日本科學家發現的春日霉素結構相似。春雷霉素干擾病原菌蛋白質合成過程中氨酰-tRNA與核糖體結合,從而阻止氨基酸形成肽鏈,抑制蛋白質生物合成,主要用于防治稻瘟病、高粱炭疽病、黃瓜真菌性和細菌性病害、番茄真菌性和細菌性病害以及馬鈴薯環腐病等。

2.8  寧南菌素(Ningnanmycin)

寧南霉素是諾爾斯鏈霉菌西昌變種Streptomyces noursei var. xichangensis產生的一類代謝產物,活性成分為胞嘧啶核苷肽型抗生素(圖1G),能誘導植物產生病程相關蛋白,降低植物體內病毒粒體濃度,破壞病毒粒體結構。寧南霉素低毒,獲得國家AA級綠色食品生產資料認證,在深層發酵過程中還產生17種氨基酸、多種微量元素和維生素,對作物的生長發育具有明顯的調節和促生作用,從而改善農作物品質和提高產量。寧南霉素兼具預防和治療作用,是我國首例能防治植物病毒病的農抗產品,對細菌和真菌性病害也有防治效果。

2.9  多抗霉素(Polyoxin)

多抗霉素又稱多氧霉素、多效霉素。中國科學院微生物研究所1967年從安徽合肥土壤中分離的一株金黃色鏈霉菌Streptomyces aureus,產生的活性代謝產物與日本科學家發現的多氧霉素的兩個組分相似,1978年定名為多抗霉素。多抗霉素含有A至N共14種不同同系物的混合物,為肽嘧啶核苷酸類化合物,主要成分是多抗霉素A和多抗霉素B(圖1H),屬于廣譜性抗生素類殺菌劑。多抗霉素對由幾丁質為基質構成細胞壁的子囊菌門、擔子菌門、半知菌門的一些真菌病害有良好防效,尤其是對鏈格孢屬真菌、絲核菌屬真菌、宮部旋孢腔菌防效顯著,具有安全、高效、內吸性強、藥效穩定和速效等特點。

2.10  四霉素(Tetramycin)

四霉素又名梧寧霉素,不吸水鏈霉菌梧州變種Streptomyces ahygroscopicus var. wuzhouensis的發酵代謝產物,含有A1、A2、B和C四個組分。A1和A2為大環內酯類四烯抗生素,B組分為肽類抗生素,C組分屬含氮雜環芳香族衍生物(表1)。15%四霉素水劑對人、畜和環境安全,殺菌譜廣,適用于多種作物的真菌和細菌性病害,對鞭毛菌、子囊菌和半知菌亞門真菌等三大門類26種已知病原真菌有殺滅作用。此外,四霉素還能促進愈傷組織愈合,促進弱苗根系發育,提高作物抗病能力和品質。

2.11  公主嶺霉素(Gongzhulinmycin)

公主嶺霉素又名農抗109,不吸水鏈霉菌公主嶺新變種Streptomyces ahygroscopicus var. gongzhulingensis產生的代謝產物,主要成分為脫水放線酮、異防線酮、奈良霉素B、制霉菌素、苯甲酸和熒霉素6種組分混合的多組分農用抗生素(表1),可用固體發酵法生產。0.215%可濕性粉劑主要針對禾谷類黑穗病、水稻惡苗病、稻曲病等種傳病害,在小麥、高粱、谷子、玉米、水稻和蔬菜等作物播種前用公主嶺霉素悶種、浸種或拌種處理即可。

2.12  農抗120(Agro-antibiotic 120)

農抗120是吸水刺孢鏈霉菌北京變種Streptomyces hygrospinosis var. beijingensis產生的代謝產物,是一種混合型抗菌素,抗病譜廣,直接抑制病原菌蛋白質合成,導致病菌死亡。此外,2%～4%水劑對白粉病、瓜果和蔬菜炭疽病、西瓜枯萎病以及水稻紋枯病具有顯著的防治效果,也可以提高作物的抗病能力和免疫能力,具有保護和治療雙重效果。與其他傳統的殺菌劑代森錳鋅、多菌靈、百菌清混配聯用,可以有效增強這些殺菌劑的防治效果,從而減少其使用量。農抗120由水溶性和脂溶性組分組成,水溶性組分推測是一種堿性核苷類化合物；脂溶性組分的一種是茴香霉素(圖1I),另外一種組分是四烯大環內酯類抗生素四霉素。最近,王俊博等基于基因組挖掘發現農抗120活性成分還包括制霉菌素和豐加霉素(圖1K,J)。

2.13  華光霉素(Huaguangmycin)

華光霉素又稱尼柯霉素(Nikkomycin),從蘇州地區土壤中分離的輪枝鏈霉菌產生的具咪唑啉結構的代謝產物,是一種核苷肽(圖1L),作用靶位在真菌的細胞壁,可抑制胞壁骨架成分之一幾丁質的合成,進而抑制了真菌的生長,人和動物沒有細胞壁,所以具有很好的選擇毒性,對人、畜和環境安全,對作物無毒害。2.5%可濕性粉劑主要用于防治蘋果山楂葉螨和柑橘全爪螨,并對多種真菌有效。

2.14  鹽霉素(Salinomycin)

鹽霉素由白色鏈霉菌Streptomyces albus發酵產生的聚醚類一元羧酸代謝產物,具有特殊的環狀結構(圖1M),是典型的離子載體,它對細胞中的陽離子,尤其對K+和Na+的親和力特別強,使生物所必需的陽離子通過膜上脂質屏障的浸透性增強,妨礙細胞內外陽離子的傳遞,使細胞內外離子濃度發生變化,從而影響滲透壓,最終使細胞崩解,起到殺菌作用。鹽霉素主要對革蘭氏陽性菌、真菌、病毒及瘧原蟲有抑制和殺滅作用,預防球蟲病效果為100%,保護率為100%。本品是被世界各國廣泛承認的抗球蟲劑,用于雞球蟲病和促進畜禽生長。

2.15  雙丙氨磷(Bialaphos-sodium)

雙丙氨磷是土壤鏈霉菌Streptomyces hygroscopicus和綠色產色鏈霉菌Streptomyces viridochromogenes產生的一種三肽代謝產物L-2氨基-4-[(羥基)(甲基)膦基]丁酰-L-丙氨酰-L-丙氨酸鈉鹽(圖1N)。雙丙氨膦是一種非選擇性除草劑,其作用比草甘膦快,比百草枯慢,而且對多年生植物有效,對哺乳動物低毒,在土壤中半衰期較短(20～30天)。雙丙氨膦本身無除草活性,在植物體內降解成具有除草活性的草丁膦和丙氨酸,與植物體內谷氨酰胺合成酶爭奪氮的同化作用,導致游離氨的積累,阻礙谷氨酰胺和其它氨基酸合成,主要用于葡萄、蘋果、柑橘園中去除多種一年生及多年生的單子葉和雙子葉雜草,以及免耕地、非耕地滅生除草。

2.16  其他在研農抗產品

熱穩定抗真菌因子(heat stable antifungal factor,HSAF)是由產酶溶桿菌Lysobacter enzymogenes產生的多環大環內酰胺類次級代謝產物,由一個獨特的大環內酰胺體系、一個四胺酸結構單元和5,5,6-三環骨架組成(圖10),其生物合成基因簇包含編碼一個雜合聚酮合酶/非核糖體肽合成酶以及4個氧化還原酶在內的10個基因。HSAF通過作用于神經酰胺合成酶來干擾絲狀真菌鞘脂合成從而抑制靶標真菌的生長。南京農業大學和江蘇省農業科學院植物保護研究所劉鳳權教授團隊率先根據HSAF的生物合成機理和調控機制,開展了以小分子化學信號調控為核心的遺傳改良和高產工程菌株構建,并優化了HSAF高產發酵工藝和提取工藝,最終將HSAF的發酵效價從2 mg/L提升到目前的570 mg/L。40 mg/L HSAF水劑對小麥赤霉病的大田防效達80%,HSAF凝膠劑和水劑已在12個省20個縣梨樹病害示范應用,對梨樹腐爛病、黑星病等真菌病害的防效達到75%以上。

河北農業大學研發團隊從玫瑰黃鏈霉菌Streptomyces roseoflavus中分離到了一種具有廣譜抗真菌活性的氧五烯大環內酯類化合物Roflamycoin(圖1P),該化合物可以在病原菌細胞膜上形成跨膜離子通道,導致病原菌死亡,對17種常見植物病原真菌的半致死劑量(EC50)可達2.1～7.1 mg/L?；谌蚪M測序,通過生物信息學和遺傳學分析解析了Roflamycoin的生物合成途徑與調控機制,并通過遺傳改造構建了高產工程菌株。1,000倍稀釋的Roflamycoin水懸浮劑對黃瓜白粉病的田間防治效果達到88.1%。

湖北省生物農藥工程研究中心從1998年開始與國際農藥巨頭先正達公司合作分離微生物源天然產物農藥活性化合物,已分離獲得細菌與真菌資源總數超過16萬株。對每個菌株的搖瓶發酵都進行了多靶標生物活性測定和結構鑒定。2013年,從一株放線菌HBERC-20821發酵液中分離鑒定出一個高抗真菌活性的新型32元大環內酯化合物,命名為諾沃霉素(Novonestmycin)(圖1Q)。優化培養基后諾沃霉素搖瓶發酵水平可達1.5 g/L,采用膜濃縮工藝,諾沃霉素總收率在90%以上,濃縮液經噴霧干燥即可制成可濕性粉劑。諾沃霉素對多種農作物真菌性病害,如水稻紋枯病菌、水稻稻瘟病菌、蔬菜灰霉病菌等,具有良好防治活性,室內最低抑菌濃度可達1 mg/L左右。2014-2020年,在湖北省天門市、咸寧市進行了大面積的應用示范,在推薦使用濃度下,對于水稻紋枯病的田間防效可達85%左右。

米爾貝霉素(Milbemectin)是灰色產色鏈霉菌Streptomyces griseochromogenes和冰城鏈霉菌Streptomyces bingchenggensis產生的十六元大環內酯類天然產物(圖1R),與阿維菌素和伊維菌素(Ivermectin)的結構類似。米爾貝霉素作為γ-氨基丁酸激動劑,具有優良的殺螨、殺內寄生蟲以及殺線蟲活性,對益蟲及害螨的天敵沒有顯著影響,對哺乳動物的毒害作用非常小,是一種廣譜、高效、安全和易降解的生物殺蟲劑。東北農業大學向文勝教授團隊從冰城鏈霉菌發酵產物中分離出多種米爾貝霉素成分,并公布了其基因組序列。呂振斌等研究了米貝鏈霉菌DSM41911的基因組序列,在其發酵液中檢測到了米爾貝霉素B5、E、VM44864和B1等組分,并推測出相關組分的生物合成途徑。目前,我國米爾貝菌素工程菌株的發酵效價有待提高。

帕克素(Pekingmycin)是由嗜線蟲致病桿菌Xenorhabdus nematophila產生的異香豆素衍生物,對馬鈴薯晚疫病具有較好的防控效果,目前中國農業科學院植物保護研究所已成功獲得了高產帕克素的工程菌株。

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微生物源植物免疫誘抗劑

在微生物與植物互作過程中,植物能夠有效識別微生物產生和分泌的代謝產物,產生免疫反應抵抗微生物侵染,因此,這些微生物產生的天然代謝產物可以用于研發植物免疫誘抗劑。植物免疫誘抗劑對農作物病蟲害沒有直接的殺滅作用,而是激活植物體內分子免疫系統,提高植物抗病性,激發植物體內的一系列代謝調控系統,提高抗逆性,促進植物生長和作物增產。

鏈蛋白PeaT1是極細鏈格孢菌Alternaria tenuissima JH505產生的一個效應蛋白,具有保守的NAC結構域,能與煙草細胞膜蛋白PtBP1互作,引起胞內多酚氧化酶、過氧化物酶活性提升,調控細胞內絲裂原活化蛋白激酶、水楊酸、茉莉酸等植物免疫信號傳導途徑,提高抗性基因和抗性蛋白的表達以及植保素的合成,最終增強植物抗性。中國農業科學院植物保護研究所與相關企業合作改進和優化了PeaT1蛋白發酵工藝、提取工藝和助劑,將該蛋白的生產成本降低了60%,貨架期延長到2年,突破了植物免疫誘導蛋白規?；苽浜烷L期保存的技術瓶頸。

寡糖類物質模擬植物病原菌的細胞壁結構,激活植物的免疫系統,增強植物應對病蟲害的能力,在生物防治領域得到廣泛應用。將寡糖與鏈蛋白復配而成的6%寡糖.鏈蛋白可濕性粉劑于2017年取得正式登記,商品名為阿泰靈,登記作物病害為番茄病毒病和煙草病毒病。阿泰靈在水稻、白菜、西瓜、柑橘、馬鈴薯、番茄、辣椒、生姜、蘋果、葡萄等多種作物上也具有良好的抗病增產作用。

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微生物源植物生長調節劑

植物生長調節劑是通過人工合成或利用微生物發酵產生的活性物質,與植物激素具有類似的生理和生物學效應,在農業生產上用于調節作物的生長與發育過程,達到穩產增產、改善品質、增強作物抗逆性等目的。我國登記使用的植物生長調節劑種類繁多,赤霉素是使用面積最廣的植物生長調節劑之一,由于其在植物組織中的含量甚微,大規模生產是利用藤倉赤霉菌Gibberellafujikuroi通過發酵產生。近年來,我國自主研發的微生物源植物生長調節劑主要包括S-誘抗素、冠菌素和谷維菌素。

4.1  S-誘抗素(S-Abscisic Acid)

S-誘抗素簡稱為S-ABA,化學結構式是15碳的以異戊二烯為基本單位的倍半萜羧酸(圖1S),是植物五大內源激素之一,也是薔薇色尾孢菌Cercospora rosicola、豆類煤污尾孢菌Cercospora cruenta和灰葡萄孢菌Botrytis cinerea等真菌的次級代謝產物。中國科學院成都生物研究所研究團隊通過對一株灰葡萄孢霉進行遺傳改良,獲得高產S-ABA工程菌株TBC-A,并研制了精準流加補料發酵工藝等多項S-ABA液體深層發酵生產工藝技術。研究成果經相關企業進行產業化轉化,建成了世界首條50噸發酵罐規模的S-ABA液體深層發酵工業化生產線,S-ABA產量達到6.0g/L以上；采用大孔樹脂吸附、膜分離技術等進行S-ABA產品提取收集,產品總收率大于93%。

目前已研制開發出多個S-誘抗素調節作物生長及發揮免疫誘抗功能的農藥制劑新產品,如″1% S-誘抗素可溶粉劑″″0.25% S-誘抗素水劑″″0.1% S-誘抗素可溶液劑″等,獲得90% S-誘抗素原藥及11個制劑的農藥正式登記。2010年,S-誘抗素產品首次獲得了美國環保署的EPA登記。S-誘抗素在調節植物生長發育、誘導植物抗逆性等方面發揮著重要作用,主要有以下幾個方面：

(1)S-ABA作為植物″脅迫激素″,在干旱、低溫、鹽堿、病菌侵害、紫外輻射等逆境脅迫的應答中起著重要作用；

(2)S-ABA可促進種子和果實的儲存蛋白和糖分的積累,提高農產品和水果的品質等；

(3)S-ABA還能控制花芽分化、調節花期、促進生根、控制株型等。

4.2  冠菌素

冠菌素(Coronatine,COR)是丁香假單胞菌Pseudomonas syringae中的一些致病變種產生的次級代謝產物,由一個含α-氨基酸的冠烷酸和一個含有聚酮結構的冠菌酸通過酰胺鍵連接而成(圖1T)。COR是丁香假單胞菌等病原菌在侵染植物過程中產生的一種″利己素″,與植物激素茉莉酸的結構和功能類似。低濃度冠菌素對植物生長、分化、發育、次生代謝、抗逆(抗旱性、抗寒性、抗鹽性)和抗病性具有生理調控效應,減輕逆境對植物的傷害；高濃度冠菌素抑制氣孔和質外體介導的防衛反應抗性(stomatal based defense and apoplastic defense),降低植物抗病性。COR誘導棉花葉片葉綠素降解,導致葉片和果實等器官脫落,有利于棉花的機械化收獲。目前COR發酵生產菌株主要包括丁香假單胞菌P. syringae pv. Glycinea 4180和P. syringae pv. tomato,以及惡臭假單胞菌P. putida KT2440等。成都新朝陽作物科學股份有限公司登記了98%冠菌素原藥和0.006%可溶液劑,用于棉花和番茄的生長調節。

4.3  谷維菌素

谷維菌素(Guvermectin)又稱德夸霉素(Decoyinine)和狹霉素A(Angustmycin A),是吸水鏈霉菌Streptomyces hygroscopicus發酵產生的一種核苷類代謝產物(圖1U),具有抗菌和抗腫瘤活性,可以應用于農作物種植業。有報道表明谷維菌素促進羅漢果和擬南芥生根；促進水稻出苗和根系生長,增加分蘗數、株高、有效穗數、稻粒數和谷粒飽滿度,提高水稻的抗病性、抗逆性和對灰飛虱的抗蟲活性。谷維菌素上述生物學功能的分子作用機制還有待進一步研究。谷維菌素可以提高擬南芥內源生長素IAA的水平,改變水稻中IAA和細胞分裂素的信號傳導途徑,但不僅限于這些信號途徑。東北農業大學向文勝教授團隊利用中藥重樓內生放線菌NEAU6,建立了谷維菌素的生產工藝、劑型和施用方法,94%谷維菌素原藥和1%種子處理液劑于2021年獲得登記證。

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目前存在的問題、發展趨勢和前景

我國農藥市場上生物農藥占10%～13%,在我國農業綠色發展中起到了重要支撐作用,蘊含著巨大的經濟和社會效益。我國微生物代謝產物農藥研發基礎比較好,但是在創新、登記與應用等環節面臨挑戰,主要表現在兩方面：

(1)產、學、研、用等環節嚴重脫鉤。我國缺少生物農藥龍頭企業,多數企業研發能力不足,缺乏有效的市場營銷策略；從事生物農藥相關研究的科研院所大多關注基礎研究,對產業化過程中的問題關注不足；有效的代謝產物農藥品種不多,缺乏高效價的生產菌株和綠色生產工藝,導致代謝產物農藥推廣應用面積遠遠比不上化學農藥。

(2)我國微生物代謝產物農藥登記管理有待進一步創新完善。微生物代謝產物源于活體細胞,在自然界土壤和水體等環境中經歷了長期的自然選擇,我國40多年農抗應用過程中沒有發生大的毒性事件和交叉抗性風險,因此,將天然產物與化學合成的新物質等同登記管理有待商榷。建議根據代謝產物產生菌的安全性、代謝產物作用機理和原藥的毒性級別,進行環境評價和毒理試驗分級管理,科學地減免登記要求。由于歷史原因和農藥登記制度的不斷更新,這些基于微生物代謝產物開發的生物農藥雖然種類多、防治對象雜,但它們的防效″好與壞″尚未經過專業機構統一的″現場評比″,因此,難以對它們的防效和特點做出比較。此外,農用抗生素對土壤微生物中機會病原菌的影響應該引起重視,建議有關部門盡快建立實驗室評價體系和技術平臺,為指導和加快農用抗生素的發展提供科學、可靠依據；對部分作用機理明確、不會導致病原微生物產生耐藥性的農抗產品,可以科學地減免登記要求。

微生物代謝產物農藥是未來綠色農藥研發的一個重要方向。我國微生物資源豐富,從事微生物遺傳、代謝與合成生物學研究的隊伍不斷壯大,研究水平與發達國家處于并跑階段。只要積極穩妥推進產學研融合,系統開展活性代謝產物篩選與鑒定、生物合成途徑與分子機理研究,利用現代合成生物學技術培育高效價的生產菌株,集成生物合成與化學合成技術,研發綠色生產工藝和農藥使用技術,創新登記標準與管理,我國微生物代謝產物農藥研發與應用完全可能彎道超車,引領全球生物農藥的發展與應用。

來源：《中國生物防治學報》2022年第3期

作者：何亞文,李廣悅等