綠僵菌屬(Metarhizium)真菌是一種具有較強(qiáng)致病性的麥角菌科異蟲(chóng)草屬昆蟲(chóng)病原真菌,該屬菌株可寄生于約8個(gè)目、42個(gè)科,共200多種昆蟲(chóng)、螨類(lèi)和線蟲(chóng)體內(nèi)。據(jù)報(bào)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(chóng)、對(duì)人畜農(nóng)作物無(wú)毒害等特點(diǎn),被制成粉劑、干菌絲、混合劑及無(wú)紡布菌條等形式的真菌生防制劑,用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)害蟲(chóng)的生物防治,防治效果極佳,具有很高的生態(tài)應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)應(yīng)用價(jià)值。

綠僵菌的發(fā)現(xiàn)

最早發(fā)現(xiàn)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(chóng)死后兩天,從它們身上生出菌絲,尤其顯著的是菌絲環(huán)繞著氣門(mén)的周?chē)?菌絲初為白色,隨后變?yōu)榫G色,最后呈暗綠色。隨后,Sorokin(1883年)根據(jù)梅契尼科夫確定的金龜子蟲(chóng)霉(Entomophthora anisopiae Metsch.)轉(zhuǎn)屬建立了綠僵菌屬(Metarhizium)。綠僵菌可從金龜子、梨虎幼蟲(chóng)、葉蟬等昆蟲(chóng)尸體中分離獲得。自綠僵菌建屬以來(lái),相繼發(fā)現(xiàn)42個(gè)新種和變種。最早的綠僵菌應(yīng)用是Metchnikoff在1880年嘗試應(yīng)用并取得成功,這使生物防護(hù)中生物防治制劑開(kāi)始以病原真菌作為原材料。

綠僵菌的侵染機(jī)理及生防機(jī)制是什么？

綠僵菌對(duì)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(jié)果。目前綠僵菌對(duì)昆蟲(chóng)寄主的侵染過(guò)程已基本清晰,首先是分生孢子附著在昆蟲(chóng)體表,孢子萌發(fā)后產(chǎn)生入侵菌絲并穿過(guò)體壁在及主體內(nèi)大量繁殖,同時(shí)產(chǎn)生毒素并形成圓筒狀孢子,最終導(dǎo)致寄主死亡。在侵染過(guò)程中綠僵菌分泌多種酶(如蛋白酶、幾丁質(zhì)酶、脂酶等),形成特殊結(jié)構(gòu)(如附著胞、穿透釘、穿透菌絲等),并克服昆蟲(chóng)體表某些物質(zhì)的抑制作用及昆蟲(chóng)體內(nèi)的一系列免疫活動(dòng)。

綠僵菌侵染循環(huán)

總體來(lái)說(shuō),綠僵菌的侵染過(guò)程主要分為以下幾個(gè)階段：孢子萌發(fā)、穿透蟲(chóng)體、體內(nèi)發(fā)育和致死。

孢子萌發(fā)

分生孢子黏附于寄主表皮后,受體表有關(guān)活性物質(zhì)的刺激而萌發(fā)產(chǎn)生芽管,芽管的生長(zhǎng)對(duì)表皮具有很強(qiáng)的影響性。目前有部分研究認(rèn)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(jīng)過(guò)螺旋式伸長(zhǎng),尋找合適侵染點(diǎn),并進(jìn)一步分化產(chǎn)生穿透釘。例如氨基酸、蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、類(lèi)脂等一般的營(yíng)養(yǎng)物就能使金龜子綠僵菌分生孢子發(fā)芽。

穿透蟲(chóng)體

綠僵菌在附著胞形成期間可產(chǎn)生大量的胞內(nèi)蛋白酶,通過(guò)酶解作用使得附著胞下面蠟層消失,促進(jìn)穿透釘通過(guò)機(jī)械作用擠入上表皮。Butt(1988)的研究表明此過(guò)程寄主也將引發(fā)免疫反應(yīng),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(xì)胞和血淋巴的應(yīng)急機(jī)制等。

體內(nèi)發(fā)育和致死

綠僵菌穿透昆蟲(chóng)體壁后即在昆蟲(chóng)體內(nèi)發(fā)育,生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列環(huán)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(yīng),最終導(dǎo)致昆蟲(chóng)死亡。

為什么開(kāi)發(fā)綠僵菌生防制劑？

近年來(lái),因?yàn)榛瘜W(xué)農(nóng)藥的大量使用,導(dǎo)致部分昆蟲(chóng)抗藥性明顯增強(qiáng),持續(xù)的加大藥量形成惡性循環(huán),甚至達(dá)到無(wú)藥可用的局面,從而食品和藥材安全問(wèn)題、環(huán)境保護(hù)問(wèn)題倍受重視,使得生防制劑的研發(fā)及推廣應(yīng)用更加刻不容緩。綠僵菌對(duì)環(huán)境、土壤無(wú)污染,對(duì)人、畜、農(nóng)作物無(wú)毒,是減少農(nóng)藥殘留、降低環(huán)境污染、發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的環(huán)保型藥劑。另外,綠僵菌通過(guò)寄生殺滅害蟲(chóng),不會(huì)產(chǎn)生抗藥性問(wèn)題。在適宜的溫度條件下,綠僵菌還能不斷繁殖,持續(xù)感染并殺滅地下害蟲(chóng),是一種持效期長(zhǎng)的真菌活體殺蟲(chóng)劑。因此,綠僵菌以其極具優(yōu)勢(shì)的作用機(jī)理與功能,是解決農(nóng)藥抗藥性、降低農(nóng)藥使用量,保障農(nóng)產(chǎn)品安全的有效途徑之一。

綠僵菌產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

近五年我國(guó)新農(nóng)藥登記的數(shù)量,生物農(nóng)藥成為創(chuàng)新的主體。2022年獲得登記的新品種5個(gè),全部為微生物農(nóng)藥。生物農(nóng)藥作為綜合防治的重要措施,在重大病蟲(chóng)害綠色防控中發(fā)揮作用越來(lái)越大。總體上看,生產(chǎn)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(chǎn)品廣泛應(yīng)用。微生物農(nóng)藥產(chǎn)量居前的5個(gè)品種分別是:蘇云金桿菌、枯草芽孢桿菌、棉鈴蟲(chóng)核型多角體病毒、金龜子綠僵菌COMa421和多粘類(lèi)芽孢桿菌KN-03,約占微生物農(nóng)藥產(chǎn)量的75%。真菌類(lèi)生物農(nóng)藥的占比小。

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

(1)提高真菌競(jìng)爭(zhēng)力,降低雜菌污染；

(2)提高真菌產(chǎn)分生孢子速度,減少培養(yǎng)時(shí)間；

(3)確保接種菌液對(duì)固體顆粒物質(zhì)的均勻覆蓋,使菌體能同步生長(zhǎng)。

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(lèi)型,開(kāi)發(fā)成真菌類(lèi)生物制劑產(chǎn)品用于作物蟲(chóng)害防治。具有環(huán)保無(wú)污染、高效低成本且不易使害蟲(chóng)產(chǎn)生抗藥性等潛在優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)登記情況

經(jīng)中國(guó)農(nóng)藥信息網(wǎng)查詢(xún),截止目前(2023年5月),金龜子綠僵菌在國(guó)內(nèi)共有18個(gè)登記產(chǎn)品,其中有3個(gè)衛(wèi)生用藥,用于防治蜚蠊。具體登記情況見(jiàn)下表：

綠僵菌產(chǎn)品劑型方面的優(yōu)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(guò)程而制成的具有一定細(xì)度的粉狀制劑。

優(yōu)缺點(diǎn)：不夠環(huán)保、穩(wěn)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(rùn)濕劑、分散劑以及其他輔助劑,經(jīng)混合、粉碎工藝達(dá)到一定細(xì)度的粉狀劑型?？蓾裥苑蹌┘铀?dāng)嚢杩尚纬煞€(wěn)定、分散性良好的懸濁液,供噴霧使用。標(biāo)準(zhǔn)：達(dá)到98%通過(guò)325目篩,潤(rùn)濕時(shí)間小雨2分鐘,懸浮率60%以上。

優(yōu)缺點(diǎn)：節(jié)省有機(jī)溶劑,展著好,包裝儲(chǔ)運(yùn)方便,穩(wěn)定性有待提高,持效期短,易產(chǎn)生藥害。

顆粒劑由原藥、載體和少量其他助劑通過(guò)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(yōu)缺點(diǎn)：方便撒施,粒劑穩(wěn)定較差。

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

優(yōu)缺點(diǎn)：儲(chǔ)藏和防效穩(wěn)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(zhì)中形成的穩(wěn)定的懸浮液體制劑。其有以下兩大特點(diǎn)：

一是使用植物油、礦物油等分散介質(zhì),具有安全、環(huán)保的特點(diǎn)；

二是具有保護(hù)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(rùn)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(nóng)藥利用率。

優(yōu)缺點(diǎn)：提高藥物在作物表面的粘附性、潤(rùn)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(fēng)險(xiǎn)低,對(duì)環(huán)境污染小。

綠僵菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸及技術(shù)突破

近些年隨著國(guó)家政策鼓勵(lì),綠僵菌產(chǎn)業(yè)取得了一定的發(fā)展,但是仍有相關(guān)因素制約著該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,筆者整理如下：

• 產(chǎn)品方面：產(chǎn)品效果不穩(wěn)定、貨架期短、價(jià)格高、使用技術(shù)要求高。

• 生產(chǎn)發(fā)面：缺乏大規(guī)模純菌固態(tài)發(fā)酵技術(shù),缺乏投資,產(chǎn)品生產(chǎn)工業(yè)化動(dòng)力欠缺。

• 研發(fā)方面：缺乏在生產(chǎn)條件下的生產(chǎn)、儲(chǔ)藏、制劑關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。

• 應(yīng)用技術(shù)：未充分利用真菌的作用特點(diǎn),開(kāi)發(fā)具體產(chǎn)品在不同環(huán)境下不同作物上與其他藥劑的應(yīng)用技術(shù)。

為解決以上問(wèn)題,創(chuàng)制″理想″農(nóng)用微生物制劑(活體微生物農(nóng)藥、微生物菌劑(肥)等)將成為持續(xù)發(fā)展綠僵菌有效途徑?！謇硐搿遛r(nóng)用微生物制劑產(chǎn)品應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

• 廣譜：一藥多防--防控多種病蟲(chóng),涵蓋全生育期。

• 持效：藥效期長(zhǎng)--無(wú)抗性、能繁殖、保護(hù)天敵。

• 多功能：一菌多效--防控病蟲(chóng)、促進(jìn)生長(zhǎng)等。

• 改良土壤：結(jié)構(gòu)功能--松土、解毒、釋放營(yíng)養(yǎng)、抑害促益。

開(kāi)發(fā)創(chuàng)制″理想″農(nóng)用微生物制劑新思路

1.菌株分子設(shè)計(jì)育種：打造農(nóng)用微生物產(chǎn)業(yè)的高端芯片

• 發(fā)掘重大性狀功能基因及功能物質(zhì)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(殺蟲(chóng)、殺菌、殺線、除草、促生、抗逆和產(chǎn)孢等)。

• 構(gòu)建無(wú)外源DNA的轉(zhuǎn)化體系。

• 發(fā)掘基因調(diào)控元件。

• 構(gòu)建表達(dá)害蟲(chóng)靶標(biāo)基因dsRNA的工程菌。

2.研制高效穩(wěn)定制劑

• 耐短時(shí)高溫(運(yùn)輸)制劑。

• 高抗雜菌的真菌制劑。

• 種子處理劑。

3.開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定施藥技術(shù)

• 無(wú)人機(jī)超低容量施藥技術(shù)。

• 生防微生物原位擴(kuò)繁技術(shù)。

筆者認(rèn)為,農(nóng)用微生物領(lǐng)域發(fā)展仍需要政策引導(dǎo)、資金支持,持續(xù)加大研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面的研究力度,突破相關(guān)核心技術(shù),打破瓶頸,開(kāi)發(fā)出性?xún)r(jià)比更高,防效更好,使用更便捷的微生物制劑(農(nóng)藥、肥料等),秉承″預(yù)防為主″的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)理念,合理結(jié)合化學(xué)藥劑的使用,助力全球農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。