浅谈苏云金芽孢杆菌和现代生物农药

　　摘要 总结了苏云金杆菌的发现及杀虫机理,对苏云金杆菌的研究现状、研究中存在的问题及解决的思路进行了阐述,并对苏云金杆菌的应用前景进行了展望。

　　新型微生物农药作为无公害农林生产资料,在未来的农作物病虫害防治方面将有巨大的市场需求。进一步加快微生物农药的研制、产业化和推广应用进程,降低农药在农副产品中的残留和对农田生态环境的污染,实现农作物重大病虫害的可持续控制,必将产生巨大的社会、经济和生态效益。

　　1苏云金芽孢杆菌(Bt)的发现及杀虫机理

　　1.1苏云金芽孢杆菌(Bt)的发现

　　1901年日本学者石度繁从患猝倒病的家蚕幼虫中分离到第1个产生晶体的芽孢杆菌。10年后Berliner从德国苏云金地方一家面粉厂染病的地中海粉螟中分离到一个相似的菌株,并正式定名为苏云金芽孢杆菌(Bt)。4年后,一个叫克林诺的科学家发现,在这种细菌的细胞中可以形成方形或菱形的晶体,可惜这个发现并未被重视。直到40年后的1953年,一位叫汉纳的生物学家证明了这种晶体是有毒的蛋白质晶体,才揭示了粉螟死亡的原因。在1920~1930年间,Bt作为微生物杀虫剂主要用来防治玉米螟。1938年第1个商品制剂Sporeine在法国问世,从此拉开了生物杀虫剂的序幕。以后相继发现了对鞘翅目、螨类、同翅目、膜翅目、直翅目昆虫、动植物寄生线虫、鞭毛虫、变形虫、吸虫、绦虫有毒杀作用的Bt菌株。

　　进一步的研究发现,Bt是革兰氏阳性菌,另外,它可寄生在一些蛾类和蝶类的幼虫上,甚至是植物表面。

　　苏云金芽孢杆菌分泌出的由Cry基因编码的、有杀虫活性的δ-毒素(或被称为杀虫晶体蛋白)的蛋白结晶构成了内孢子。Cry蛋白对鳞翅目(如蛾与蝶)、双翅目(如苍蝇、蚊子)和鞘翅目(甲虫)有很大杀伤力。因此,可将苏云金芽孢杆菌发酵生产制成高效生物杀虫剂,或用Cry基因制成防虫害的转基因产品。

　　1.2苏云金芽孢杆菌(Bt)的杀虫机理

　　苏云金芽孢杆菌(Bt)之所以能够杀虫,是由于它们的细胞内存在着一种有毒的蛋白质,叫做伴孢晶体,昆虫吞食后就会中毒而死。而这种活细胞及伴孢晶体对环境无毒无害。因为在动物的胃肠道内,酸性环境下蛋白质晶体不能溶解,从而对人畜无害。所以它是一种高效安全的生物杀虫剂,可用来杀灭多种农作物害虫。苏云金芽孢杆菌(Bt)杀虫机理主要是:昆虫取食苏云金芽孢杆菌后,杆菌在其胃肠道内产生蛋白质晶体内毒素(δ-内毒素)、热稳定毒素(β-外毒素)、叶蜂毒素(α-外毒素)及Bt-γ外毒素。这些毒素能侵蚀昆虫肠道细胞,破坏肠道内膜,并进入血淋巴组织,使害虫因饥饿而出现败血症最后死亡。苏云金芽孢杆菌的防治对象是鳞翅目、膜翅目、双翅目、鞘翅目等多种害虫,其药性的持效期可达7~10d左右。需要特别注意的是:苏云金芽孢杆菌(Bt)及其制剂对蚕具有很高的毒性,桑园必须禁用。另外,勿与碱性杀菌剂混合施用,晴天的傍晚或阴天施药效果最佳。

　　2苏云金芽孢杆菌(Bt)的研究现状

　　2.1苏云金芽孢杆菌(Bt)的研究主要集中在分子水平上

　　过去Bt是作为一种制剂应用于农林害虫的防治,随着生物技术的发展,现在已对苏云金芽孢杆菌的杀虫蛋白质和相关基因作了深入而透彻的研究,也就是说在基因的水平上对它有了更多的了解。研究发现,在其体内具有一种Cry基因,正是这种基因编码产生的蛋白质对上述昆虫具有极大的毒性,所以这种基因的结构和特性就影响到它本身,也影响到它的杀虫范围。当然某一基因的长期应用会刺激昆虫产生抗体。因此,现在对苏云金芽孢杆菌的研究更多地集中在分子水平上。

　　2.2国内主要研究成果

　　中国现在在苏云金芽孢杆菌杀虫剂的商品化生产和防治农林害虫的系统工作方面,取得的主要成果有:研制和生产质优价廉的Bt悬浮剂和高效价的粉剂,实现了中国Bt杀虫剂的商品化生产;建立了以生物测定为基础的产品毒力效价测定的质量标准化技术化系统;研究了助剂及贮存条件对Bt的影响,为助剂的筛选和有效存贮提供了可靠的依据;大规模推广应用Bt杀虫剂以防治棉、粮、果疏及林业害虫,并取得了良好的效果。该研究中研制和生产的适合中国的优质廉价的Bt悬浮剂,已在农林害虫防治中得到广泛应用;Bt粉剂的毒力效价和防虫效果,已达到国际同类产品先进水平;以棉铃虫和小菜蛾为标准昆虫,建立了中国Bt产品质量标准化测定技术系统,为国产Bt杀虫剂的行业标准的建立奠定了良好基础,为与Bt杀虫剂国际质量标准接轨提供了保障。

　　3研究中存在的问题及解决的思路

　　3.1主要问题

　　苏菌基因的表达会发生变化。例如,如果温度不理想,就可能降低毒素的产生,使植物易受侵蚀。更加严重的是,试验证明毒素减少的晚季植物会形成启动子的DNA甲基化。 另外,毒素的持续使用会使普通害虫演化为抗性虫。试验发现,小菜蛾对苏菌毒素的喷雾形式就已产生抗性。

　　苏菌毒素的运用还有一些可能的危险,如:如果转基因玉米与变异野草杂交,苏菌基因的抗性就有可能因食物链来到食草动物群落中,蜂群衰竭失调(CCD),也可能跟苏菌转基因作物有关。

　　3.2解决的思路

　　(1)有抗植株与无抗植株间种。减少害虫抗药性的一个有效方法就是将有抗植株与无抗植株间种,目的是减少抗性基因频率,牺牲少量无抗植株保证产量。美国和欧洲的某些区域已经立法要求使用上述方法种植。这种方法的理论依据是假设抗性基因是隐性的。依目前来看,这种方法应该可以延迟害虫对苏菌的抗性;另一方面,假如产生了多种苏菌毒素的农作物可以完全灭绝害虫,抗性基因的存在也就不可能了。不过,至今为止,害虫灭绝的情况还未出现。

　　(2)通过接合构建新菌株。苏云金芽孢杆菌菌株的特定质粒可以自行转移,这些质粒可以通过接合来构建新菌株。例如,科罗拉多马铃薯甲虫(鞘翅目)是北美最具破坏性的马铃薯害虫,欧洲玉米螟和土豆块茎蠕虫,对马铃薯也有很大的破坏作用。从自然界中分离的苏云金芽孢杆菌菌株,没有一个菌株对所有这些昆虫都具毒性。然而,通过质粒转移杂交,现在已经构建出对3种害虫都有效的新菌株,田间试验表明,该菌株作为广谱的马铃薯杀虫剂很有前途。

　　4苏云金芽孢杆菌(Bt)的应用前景

　　微生物农药是21世纪农药工业的新产业,代表着植物保护的方向,其最大的优势在于能克服化学农药对生态环境的污染,并减少农药在农副产品中的残留量。同时,在推广微生物农药应用过程中,农副产品的品质和价格将大幅度上升,有力地促进农村经济增长和农民增收,社会效益不可估量。

　　我国是一个农业大国,农业的发展事关重大。为了更好地落实科学发展观,建立环保型、节约型农业,微生物农药将为农产品优质安全生产和降低有毒物质残留提供技术和物质保证。微生物农药研究与发展,将有效地实现农产品的优质安全生产,提升农产品的经济附加值,扩大我国农副产品外销市场,推进绿色产业的发展。所有这些均对发展农村经济、增加农民收入、促进农村繁荣具有重要的推进作用。

　　参考文献

　　[1] 喻子牛.苏云金芽孢杆菌[M].北京:科学出版社,1990.

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　　吴继星.苏云金芽孢杆菌的抗药性研究[J].微生物学杂志,1992(1):60-61.