生物除草剂

配合低剂量的化学除草剂

生物除草剂（Biological Herbicide），配合低剂量的化学除草剂，高效、环保、无害。

产生背景

全世界广泛分布的杂草有30000种，每年约1800种对作物造成不同程度的危害，每年因杂草危害造成的农作物减产高达9.7%。近百年来采用化学除草剂有效地控制了许多杂草。但化学药剂的大量使用也引发了一系列的问题，诸如除草剂抗性杂草植株的出现、土壤污染、水质的退化、以及对非杂草生物(特别是人、畜)的危害等等。随着全球环境意识的提高和农业可持续发展的需要．高效、环保、无害的微生物除草剂的研究越来越显示其重要的社会意义和经济价值。

发展历史

生物除草剂研究历史和现状

利用生物防除杂草已有近200年的历史．以往只有利用植食性动物、病原微生物等天敌在自然状态下，通过生态学途径，将杂草种群控制在经济上、生态上与美学上可以接受的水平。随着人们对植物病原菌认识的深入，上世纪中叶开始了微生物除草剂的开发研究。近几十年来，随着植物病原菌的不断分离和研究，尤其是从杂草病株中筛选出来的一些植物病原菌表现出了潜在的除草活性,有可能开发成为可替代化学除草剂的新型生物除草剂。

1981年,Devine在美国被注册登记为第一个生物除草剂，Devine是美国弗罗里达州的棕榈疫霉致病菌株的厚垣孢子悬浮剂，用于防治杂草莫伦藤，防效可达90%以上，且持效期可达2年，被广泛用于桔园杂草防除。在此之后的近15年时间里，没有新的生物除草剂商品推出，在生物除草剂的发展过程中出现了一个断层。其实在此领域内的研究仍十分活跃。也取得了一大批研究成果，特别对造成停滞的主要原因的分析和总结，明确了生物除草剂未来的努力方向和重要攻克的目标。

限制发展的主要因素有：被控制杂草丰富的遗传多样性、生物除草剂的高度专一性、其对温度、湿度和土壤等环境条件近于苛刻的需求、工业化生产技术和设备的不配套、配方研究技术的落后、市场规模的过小、生产和应用成本较化学除草剂高等等。

研究进展

生物除草剂的主要研究成果

2.1 有潜力的候选生物除草剂的调查和发现

开展主要杂草的植物病原生物的调查，通过在实验室分离、纯化、培养繁殖再接种到原杂草上，用重分离技术获得单一型菌株，以供鉴定。迄今为止．约有100种不同的侵染生物种被研究用于防治约80种有经济意义的杂草。在已被研究的候选生物防治有机体中，相对集中于以下几个属：盘孢菌属(Colletotrichum)有18种，镰孢菌属(Fusarium)13种,链格孢菌属(Ahernaria)12种和尾孢菌属(Cercospora)8种。总共有41个属的真菌已经或正在被考虑作为生物除草剂的候选。虽然首选的是那些可以引起致命性病害的炭疽病、萎蔫病、枯萎病及叶斑病的种群，但其选择的范围是相当广泛的。在世界最重要的草害中，开展过调查的仅占少数，对大多数杂草有待进行进一步的调查。从上世纪80年代开始。欧洲杂草研究学会科学委员会就在全欧洲开展了lO种主要作物的生物防治目标杂草的天敌调查工作，有7种农田杂草的生防项目被批准实施。在美国，也对分布于玉米、高粱、大豆、水稻、棉花、蔬菜和果园的35种最主要的杂草进行了生物防治可行性评价工作。东南亚的一些国家也开展了对本地7种主要农田杂草的天敌资源调查，中国的这项工作尚处于起步阶段。稗草、看麦娘、马唐，鳢肠、蓼、狗尾草、波斯婆婆纳等农田杂草以及碎马草、狼毒等牧场杂草可望被作为首选列入调查名单。

技术原理

生物除草剂的除草效果及杀草机理

生防杂草有机体筛选，从理论上说主要依据两条标准：有效性(药效)和专一性(安全性)。而对于生物除草剂的发展，有效性则是最关键的因素。生物除草剂的药效包括控制杂草的水平、速度以及具体操作的难易程度等。除草机理涉及到它对防治对象的侵染能力、侵染速度以及对杂草的损害性等。侵染能力可以从侵染途径、侵染部位、侵染后在组织中的感染能力等反映，如某些菌可以侵染但不能在组织中感染发病。对杂草的损害常表现为引起杂草严重的病症如炭疽病、枯萎、萎蔫叶斑等，这些症状的发生，有时与真菌的特异植物毒素的产生有关。

真菌的侵害一开始和杂草生长处于相互拮抗和斗争状态。杂草的防御机制和生长会修复侵染物导致的损害、只有侵害速度高于杂草生长速度才能控制住杂草，虽然飞机草尾孢的侵染力强和专一性高。但侵染速度远滞后于紫茎泽兰的快速生长，而不具备发展尾生物除草剂的的良好前景。

技术要求

提高生物除草剂防效的途径之一是复配使用低量的化学除草剂或植物生长调节剂。通常，低量化学除草剂的存在可以削弱杂草的防御机制，降低生长势．有利于微生物的侵染，提高发病率，增强除草效果。在正常情况下，百日草链格孢控制苍耳，不足以达到好的防效，如将其孢子和低量化学除草剂灭草喹混配，具有极显著的增效作用。其他的尚有决明链格孢和罗得曼尾孢和除草剂的混配增效研究等。

另外,通过基因工程或原生质体融合技术将强制病基因导人能改善生物除草剂的药效。

寄主专一性

在经典的生物防治中，寄主专一性是首要的因素。因为这种方法是从外国或外地(通常是外来杂草的原产地)引进可以持久建立种群的天敌，它一经释放。则完全由生态过程控制其消长，不易被人类操纵。而生物除草剂的途径则不同，整个过程都在人类控制下进行，安全性可以通过人类在使用过程中实现。而且往往这些生物除草剂的原有机体都是在本地筛选的。例如DeVine和Collego都有一些敏感的非靶标植物，特别是Collego对几种重要的豆科作物也是敏感的，但它不会引起致命的损害。此外。其孢子的传播能力差，也不存在导致不能控制的传染病的可能性。

生物除草剂的寄主专一性常与寄主专一性毒素的产生有关。绿黏帚霉可以产生对反枝苋有毒害作用的的植物毒素(Viridiol)，但这种毒素对棉花不表现毒性，因而有可能被作为产生植物毒素的生物除草剂防治棉田的反枝苋。还有试验从链格孢菌分离到的AAL-Toxin毒素，研究其对杂草的控制作用。

关于寄主专一性植物毒素的深入研究，有可能启发人们研究开发选择性良好的生物源化学除草剂，这是未来化学除草剂研究开发的方向之一。

生物除草剂过度的专一性又成为它的缺点，直接影响其实用性，现正试图通过几种专一性生物除草剂的复配或甚至与某些化学除草剂的混配来解决。

生物除草剂的工业化生产

液体发酵法是生物除草剂工业化生产的首选方法。因为该法不需要对现有工业发酵设备做多少改进。任何在此基础上的繁杂技术，都将影响生物除草剂的工业化。现已商品化或正在生产上使用的生物除草剂，多是经发酵技术生产的，盘孢菌属是容易在淹没培养条件下产孢的，而孢子是普遍认为最适于做生物除草剂的部分。不过，有些种类的真菌在液体发酵罐中的震荡培养是不会产生孢子的，如链格孢属等。

一个交替的途径是结合液体一固体相结合的培养方法．以液体培养菌丝，而后在固体培养基上诱导孢化、生产孢子。此法用于百日草链格孢和链格孢的孢子生产是相当成功的。

传统的观念认为孢子在稳定性、寿命、活性、侵染力上都比真菌的其他部分更优越，但是某些类群也是有例外的．如链格孢属，其菌丝体的侵染力和生活力更强。直接利用菌丝体作为生物除草剂，不仅能克服孢化难的问题．而且，用相同量的培养基能获得比孢子更多的生物除草剂。用百日草链格孢和链格孢菌丝体的片段分别防治苍耳和紫茎泽兰，获得了与孢子相当或更好的防效。通过提高发酵罐的振荡速度。可以在液体培养中获得短小的菌丝体。如在决明链格孢的培养中，便可以直接制成生物除草剂用于生产中。

除草配方研究

生物除草剂区别于其他生物防治方法的显著特征是。其类似于化学除草剂的特定剂型的活生物制成品。剂型和配方研究的目的在于能使有机体成活并保持除草活性尽可能长的时间，改善对环境条件(如水分)的依赖性，易于保藏、包装、运输以及操作和施用。增加对杂草的亲和力和附着力。

生物除草剂有机体的除草活性是随着时间的推移而降低的。而从生产、销售到使用，又需要有一定的时间，这就需要根据接种物的不同特性．筛选出一种最佳的贮存介质。以延缓其衰退。

生物除草剂另一个缺陷是对环境条件有比化学除草剂更苛刻的需求。充足的水分(湿度至少在80%)、适宜的温度(20～30℃)才能保证良好侵染，引起杂草损害，达到好的防效。这就限制了生物除草剂在干旱地区的发展。解决的途径就是通过研制配方。

水是生物除草剂配方中最常用的成分，但不是处处适用。如链格孢属真菌在水中的寿命要比在干燥情况下短得多。因此，许多不同的物质被用于配方中。添加某些营养物质如葡萄糖，以利于在杂草体上的萌发、生长和侵染。

例如：在用高梁点霉(Phomasorghina)等防治千屈菜(￡ythrumsalicaria)时，用DIGS(包括葡萄糖、明胶以及几种多聚物和共聚物)作为配方成分；在圆盘孢防治刺苍耳的实验中。使用了植物油、矿物油、甘油及吐温；在狭卵链格孢(A.angustiovoidea)防治乳浆草(Euphorbia esula)时，使用了代号为 IEC的介质，IEC包括油相(煤油、单甘油酯乳化剂和石蜡)和水相(水、葡萄糖)，都降低或消除了对水分条件的依赖性。

商品生物除草剂Collego的配方是成分A为干孢子，成分B包含水合物和表面活性剂。

发展状况

中国生物除草剂研究状况

在上世纪60年代，中国已在实践中使用“鲁保一号”菟丝子盘长孢状刺盘孢(又称胶孢炭疽菌菟丝子专化型) (C．gtoeosporoides f.sp.cuscutae)的培养物防治大豆田菟丝子。“鲁保一号”是世界上最早被应用于生产实践的生物除草剂之一。虽然在上世纪80年代研究并解决了菌种在培养过程中的退化问题．但在随后的商品化研究和发展方面工作滞后。诸如：通过研制配方，克服对水分的需求，使能在广大的北方大豆产区使用：工业化大批量生产，成为便于农民施用的生物制成品，专利的申请、商品的注册，以获得合法保护等。新疆哈密植检站于上世纪80年代研制的“生防剂F798”控制西瓜田的瓜列当(Orobanche spp．)也取得实用性成果。此成果先前也已在前苏联使用大田。这是真菌尖镰孢(Fusariumoxysporum var．orthoceras)的培养物。此外，还有紫茎泽兰上的飞机草绒孢菌。该菌的缓慢致病速度可能更适宜用于经典的生物防治[7]。豚草植物病原菌的调查虽已展开．但没有有关专一性候选菌的深入研究的报道。

前一段时间以来，南京农业大学杂草研究室已经在以下几个方面开展了研究，并取得了明显的进展。从紫茎泽兰自然发生的病株上分离到链格孢(Altemariaaltemata)一菌株。

在野燕麦上分离到燕麦叶枯菌(Drechsleraa venacea)进行了致病性、寄主专一性和培养条件的测试，显示出该菌有潜力发展为防治野燕麦的生物除草剂。该菌也在澳大利亚被作为候选菌进行着研究。

从波斯婆婆纳上分离到胶孢炭疽菌(Colletotr- ichum glosporioides)专化菌株，其培养特性、致病性和专一性都已经被详细研究，显示出有进一步应用开发的价值。

在菟丝子的生物除草剂研究方面，将其范围从寄生于大豆上的菟丝子扩大到危害果树的日本菟丝子和苜蓿(Medicago sativa)及其他牧草上的田野菟丝子(Cuscttta campetris)并获得了4个菌株．正深入地进行研究，其中已有2个菌株显示出研究和应用的价值。

此外，中国农业大学杂草研究室和中国农科院杭州水稻研究所亦在进行稗草生物除草剂的研究，并取得了重要的进展。

这些都预示着在人类日益关注由于化学除草剂的使用带来的环境污染和残毒、渴求无污染、安全的新除草剂的背景下，在国际生物除草剂研究取得重大突破的形势下，中国生物除草剂的研究必将进入一个前所未有的崭新的发展阶段。

从商品化了的生物除草剂以及正在实践中使用的品种看来，生物除草剂的研究方向肯定是正确的。人类对环境问题的重视，又为该研究的深入开展注入动力。也许有人会发问，虽然已有相当的力量投入，但至今仅有屈指可数的几个生物除草剂产品可用，这似乎与的研究规模并不相称。如果我们将其与发展化学除草剂时是从数万个化合物中才能筛选出一个商业化的除草剂品种相比。生物除草剂的研究和成果产出比是相当高的。而研究和开发生物除草剂所需的费用也比化学除草剂少得多．登记注册也更容易。21世纪，很多国家都计划在若干年内将逐渐降低化学除草剂用量一半，能否以生物除草剂作为替代品，是关系这一计划实现的关键。而生物除草剂研制和开发工作的迅速发展是必要的前提条件。

最近，还有2项生物除草剂的研究在日本取得了新的进展：一是利用Exserohilum lnonocera孢子颗粒剂防治稗草；另一项是用Epicocosorus nernatosorus控制水稻田较难防治的野荸荠(Eleocharis koruguwai)。最值得注意的是这两种生物除草剂品种都是针对危害严重、发生广泛的杂草，其潜在的市场规模巨大。它们的商品化不仅会带来很大的经济效益，而且必将会带来巨大的社会效益。

一反以往生物除草剂研究多以控制生长中的杂草为目标的研究思路，就是直接利用可以杀灭土壤杂草种子库中杂草种子的微生物。研制土壤处理生物除草剂品种。其最大的优点就是可以克服茎叶处理时，对环境条件苛刻的需求；此外，这种处理还能有持续效应，甚至于维持到若干生长季节。最早报道的研究是1984年利用土壤真菌瓜类腐皮镰孢(Fusarium solani，sp．cucurbitae)控制杂草德克萨斯葫芦。但是，由于供试土壤真菌能引起广泛种类的植物病害，所以，这项研究一段时间没有能受到足够重视。自20世纪90年代初以来，在理论上对利用土壤微生物控制杂草进行了探讨，Kremer(1993)尝试用微生物来控制土壤杂草种子库。特别是近年来，澳大利亚开展了利用Pyrenophora semeniperda(变态Drechslera campanulata)控制一系列的一年生禾本科土壤杂草种子的前期的研究，其中包括该真菌的生长和孢子形成生物学、侵染叶和种子的过程，植物毒素代谢产物的分离、鉴定和生物活性．大田除草试验以及对小麦苗期生长的影响．对面粉品质的影响和对杀菌剂包衣的反应研究内容等．都显示出非常乐观的前景，推向实用化的研究也将在近期启动。此外，利用燕麦叶枯菌除了被研究作为防治野燕麦及黑麦草的茎叶处理生物除草剂外，还考虑被用作土壤处理，控制野燕麦等一年生禾本科杂草的种子。在加拿大，旨在寻找根际微生物控制加拿大蓟和野燕麦等禾本科杂草的研究，也获得了数个良好控制效果的菌株，其中3个菌株已被重点研究。美国亦正在开展根际微生物对杂草防治的研究。总之，这可能会成为生物除草剂在广泛范围内实用化的最有希望的选择之一。

随着在世界范围内对杂草天敌资源调查的广泛开展，人们将会更深刻地了解天敌生物对杂草侵染和控制的机理，将有更多的材料可供选择。用于发展高效、对环境安全的生物除草剂。

现代基因工程和细胞融合技术的介入，可以重组自然界存在的优良除草基因(如强致病和产毒素等)，给人们提供了改良生物除草剂品种、提高防效和改良寄主专一性的可能性。配合低剂量的化学除草剂,不仅能充分发挥生物除草剂的防效，而且可以弥补化学除草剂在对付某些抗性杂草上的不足．降低化学除草剂给环境带来的污染。通过研制配方来解决生物除草剂的稳定性和对水分的依赖性。随着科技的发展，可供用于配方的物质将会更多更优良。

随着全球绿色农业的不断发展和人们环保意识的日益提高,政府和企业将会更加重视生物农药(包括生物除草剂)的开发和研究，加之植物毒素自身广谱高效、易被生物降解等特点，将促进生物农药(生物除草剂)在杂草防除中的应用和发展。同时．随着生物除草剂活性和杀草机理研究的不断深入。特别是在杂草病原菌筛选模式模型的逐步建立之后。将使得植物病原菌的筛选摆脱大海捞针似的盲目性，使生物除草剂的研究步骤更加简化、更具有条理性。

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