綠僵菌屬(Metarhizium)真菌是一種具有較強致病性的麥角菌科異蟲草屬昆蟲病原真菌,該屬菌株可寄生于約8個目、42個科,共200多種昆蟲、螨類和線蟲體內。據報道,目前已有13種綠僵菌,包括金龜子綠僵菌(M. anisopliae)、貴州綠僵菌(M. guizhouense)、黃綠綠僵菌(M. flavoviride Gams &. Rozsypal)、白色綠僵菌(M. ablum)、棕色綠僵菌(M. brunneum)、平沙綠僵菌(M. pingshaense)、柱孢綠僵菌(M. cylindrosporum)、翠綠綠僵菌(M. iadini)、大孢綠僵菌(M. majus)、蝗綠僵菌(M. acridum)、耐寒綠僵菌(M. frigidum)、鱗翅目綠僵菌(M. lepidiotae)和球孢綠僵菌(M. globosum)。

綠僵菌具有分布范圍廣、殺蟲、對人畜農作物無毒害等特點,被制成粉劑、干菌絲、混合劑及無紡布菌條等形式的真菌生防制劑,用于農業、林業害蟲的生物防治,防治效果極佳,具有很高的生態應用價值和經濟應用價值。

綠僵菌的發現

最早發現綠僵菌的是梅契尼科夫(Metschnikoff),他在1879年觀察到一批死亡的金龜子在昆蟲死后兩天,從它們身上生出菌絲,尤其顯著的是菌絲環繞著氣門的周圍,菌絲初為白色,隨后變為綠色,最后呈暗綠色。隨后,Sorokin(1883年)根據梅契尼科夫確定的金龜子蟲霉(Entomophthora anisopiae Metsch.)轉屬建立了綠僵菌屬(Metarhizium)。綠僵菌可從金龜子、梨虎幼蟲、葉蟬等昆蟲尸體中分離獲得。自綠僵菌建屬以來,相繼發現42個新種和變種。最早的綠僵菌應用是Metchnikoff在1880年嘗試應用并取得成功,這使生物防護中生物防治制劑開始以病原真菌作為原材料。

綠僵菌的侵染機理及生防機制是什么？

綠僵菌對寄主的入侵是寄主與病原菌之間的生理生化作用的綜合結果。目前綠僵菌對昆蟲寄主的侵染過程已基本清晰,首先是分生孢子附著在昆蟲體表,孢子萌發后產生入侵菌絲并穿過體壁在及主體內大量繁殖,同時產生毒素并形成圓筒狀孢子,最終導致寄主死亡。在侵染過程中綠僵菌分泌多種酶(如蛋白酶、幾丁質酶、脂酶等),形成特殊結構(如附著胞、穿透釘、穿透菌絲等),并克服昆蟲體表某些物質的抑制作用及昆蟲體內的一系列免疫活動。

綠僵菌侵染循環

總體來說,綠僵菌的侵染過程主要分為以下幾個階段：孢子萌發、穿透蟲體、體內發育和致死。

孢子萌發

分生孢子黏附于寄主表皮后,受體表有關活性物質的刺激而萌發產生芽管,芽管的生長對表皮具有很強的影響性。目前有部分研究認為,芽管可依靠菌絲先端分泌的黏液黏附在寄主上表皮表面,經過螺旋式伸長,尋找合適侵染點,并進一步分化產生穿透釘。例如氨基酸、蛋白質、糖類、類脂等一般的營養物就能使金龜子綠僵菌分生孢子發芽。

穿透蟲體

綠僵菌在附著胞形成期間可產生大量的胞內蛋白酶,通過酶解作用使得附著胞下面蠟層消失,促進穿透釘通過機械作用擠入上表皮。Butt(1988)的研究表明此過程寄主也將引發免疫反應,包括體壁障礙、體表短鏈脂肪酸如辛酸、奎酸的抑制作用、血細胞和血淋巴的應急機制等。

體內發育和致死

綠僵菌穿透昆蟲體壁后即在昆蟲體內發育,生長過程中會產生一系列環狀六肽毒素即綠僵菌素,作為免疫抑制因子能夠限制和削弱寄主的防御反應,最終導致昆蟲死亡。

為什么開發綠僵菌生防制劑？

近年來,因為化學農藥的大量使用,導致部分昆蟲抗藥性明顯增強,持續的加大藥量形成惡性循環,甚至達到無藥可用的局面,從而食品和藥材安全問題、環境保護問題倍受重視,使得生防制劑的研發及推廣應用更加刻不容緩。綠僵菌對環境、土壤無污染,對人、畜、農作物無毒,是減少農藥殘留、降低環境污染、發展綠色農業的環保型藥劑。另外,綠僵菌通過寄生殺滅害蟲,不會產生抗藥性問題。在適宜的溫度條件下,綠僵菌還能不斷繁殖,持續感染并殺滅地下害蟲,是一種持效期長的真菌活體殺蟲劑。因此,綠僵菌以其極具優勢的作用機理與功能,是解決農藥抗藥性、降低農藥使用量,保障農產品安全的有效途徑之一。

綠僵菌產業化現狀

近五年我國新農藥登記的數量,生物農藥成為創新的主體。2022年獲得登記的新品種5個,全部為微生物農藥。生物農藥作為綜合防治的重要措施,在重大病蟲害綠色防控中發揮作用越來越大。總體上看,生產品種比較集中,其中蘇云金桿菌、枯草芽孢桿菌、木霉菌、未霉酸、苦參堿、阿維菌素等產品廣泛應用。微生物農藥產量居前的5個品種分別是:蘇云金桿菌、枯草芽孢桿菌、棉鈴蟲核型多角體病毒、金龜子綠僵菌COMa421和多粘類芽孢桿菌KN-03,約占微生物農藥產量的75%。真菌類生物農藥的占比小。

綠僵菌生防制劑的生產普遍以大米、米糠和稻殼為固體載體。綠僵菌產生分生孢子的方式有液體深層發酵(生產菌絲體)、固體發酵(生產真菌孢子)及液固雙相發酵工藝,液固雙相發酵綜合了前兩者的優勢：

(1)提高真菌競爭力,降低雜菌污染；

(2)提高真菌產分生孢子速度,減少培養時間；

(3)確保接種菌液對固體顆粒物質的均勻覆蓋,使菌體能同步生長。

以綠僵菌為原料的真菌生防制劑劑型主要有粉劑、可濕性粉劑、混合劑等類型,開發成真菌類生物制劑產品用于作物蟲害防治。具有環保無污染、高效低成本且不易使害蟲產生抗藥性等潛在優勢。

國內登記情況

經中國農藥信息網查詢,截止目前(2023年5月),金龜子綠僵菌在國內共有18個登記產品,其中有3個衛生用藥,用于防治蜚蠊。具體登記情況見下表：

綠僵菌產品劑型方面的優劣

粉劑,由原藥、填料(或載體)和少量其他助劑混合、粉碎、再混合等工藝過程而制成的具有一定細度的粉狀制劑。

優缺點：不夠環保、穩定性差、容易造成粉塵污染,用量逐漸減少。

可濕性粉劑,是含有原藥、填料或載體、潤濕劑、分散劑以及其他輔助劑,經混合、粉碎工藝達到一定細度的粉狀劑型。可濕性粉劑加水攪拌可形成穩定、分散性良好的懸濁液,供噴霧使用。標準：達到98%通過325目篩,潤濕時間小雨2分鐘,懸浮率60%以上。

優缺點：節省有機溶劑,展著好,包裝儲運方便,穩定性有待提高,持效期短,易產生藥害。

顆粒劑由原藥、載體和少量其他助劑通過混合、造粒工藝而制成的松散顆粒狀劑型。劑粒的有效成分含量在1%~20%之間,一般供直接撒施使用。

優缺點：方便撒施,粒劑穩定較差。

油懸浮劑,是由原藥與適宜的助劑制成的穩定的非水懸浮劑,其中至少有一種成分不溶于非水介質,久置后允許有少量分層, 輕微搖動或攪動應是均勻、可以使用的。

優缺點：儲藏和防效穩定,但必須超低容量噴霧,使用受限。

可分散油懸浮劑,有效成分以固體微粒分散在非水介質中形成的穩定的懸浮液體制劑。其有以下兩大特點：

一是使用植物油、礦物油等分散介質,具有安全、環保的特點；

二是具有保護有效成分、減少霧滴飄移、提高霧滴在作物表面的黏附性、滲透性及潤濕展布性等性能,最終使藥劑的防治效果有一定的提升,利于提高農藥利用率。

優缺點：提高藥物在作物表面的粘附性、潤濕性、滲透性,相比于乳油等劑型可分散油懸浮劑易燃易爆風險低,對環境污染小。

綠僵菌產業發展的瓶頸及技術突破

近些年隨著國家政策鼓勵,綠僵菌產業取得了一定的發展,但是仍有相關因素制約著該產業的發展,筆者整理如下：

• 產品方面：產品效果不穩定、貨架期短、價格高、使用技術要求高。

• 生產發面：缺乏大規模純菌固態發酵技術,缺乏投資,產品生產工業化動力欠缺。

• 研發方面：缺乏在生產條件下的生產、儲藏、制劑關鍵技術研發。

• 應用技術：未充分利用真菌的作用特點,開發具體產品在不同環境下不同作物上與其他藥劑的應用技術。

為解決以上問題,創制″理想″農用微生物制劑(活體微生物農藥、微生物菌劑(肥)等)將成為持續發展綠僵菌有效途徑。″理想″農用微生物制劑產品應具有如下特點：

• 廣譜：一藥多防--防控多種病蟲,涵蓋全生育期。

• 持效：藥效期長--無抗性、能繁殖、保護天敵。

• 多功能：一菌多效--防控病蟲、促進生長等。

• 改良土壤：結構功能--松土、解毒、釋放營養、抑害促益。

開發創制″理想″農用微生物制劑新思路

1.菌株分子設計育種：打造農用微生物產業的高端芯片

• 發掘重大性狀功能基因及功能物質的調控網絡(殺蟲、殺菌、殺線、除草、促生、抗逆和產孢等)。

• 構建無外源DNA的轉化體系。

• 發掘基因調控元件。

• 構建表達害蟲靶標基因dsRNA的工程菌。

2.研制高效穩定制劑

• 耐短時高溫(運輸)制劑。

• 高抗雜菌的真菌制劑。

• 種子處理劑。

3.開發高效穩定施藥技術

• 無人機超低容量施藥技術。

• 生防微生物原位擴繁技術。

筆者認為,農用微生物領域發展仍需要政策引導、資金支持,持續加大研發和產業化方面的研究力度,突破相關核心技術,打破瓶頸,開發出性價比更高,防效更好,使用更便捷的微生物制劑(農藥、肥料等),秉承″預防為主″的設計開發理念,合理結合化學藥劑的使用,助力全球農業高質量發展。