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生物农药CE大蒜素 ——投放全球杀菌剂市场的细菌炸弹

2022-08-08
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作者:李真真、陈庭倬、牟天秀


农业细菌性病害通常由致病细菌侵染所引起,通常可通过作物气孔、伤口等借助雨水、昆虫进行传播,易在高温高湿环境下爆发。感染细菌性病害后,作物会出现腐烂、萎蔫等症状,严重时会造成大面积绝产,造成严重经济损失。目前全球范围内能够引起作物病害的细菌种类超过500种,由200多种发生在中国。在中国年病害发生面积1.2亿亩次左右,造成减产可接近20%。但是针对细菌性病害的产品数量仅占防治病害类药剂的2.6%,且同质化严重,无机铜类、有机铜类、抗生素类等长期使用造成病害抗性倍增,同时带来农药残留超标,严重影响农产品和食品的质量安全,影响人类健康。但是,防治细菌病害的创新药开发周期长、费用高,过去十多年已无新型的化学药上市,特别是环境友好型的新药更是匮乏。同时,随着人类社会的快速发展,高品质农产品食品消费需求升级和生活生态环境的改善迫在眉睫。


随着科学技术的快速发展,通过对天然植物源提取技术、制剂技术的深入研究,发现越来越多的代谢产物用于防治农业细菌病害,不仅具有良好的应用效果,且在自然界降解快,不易产生抗药性。而大蒜(Allium sativum)作为一种有着独特气味、含有抗菌活性的百合科葱属植物,研究发现其具有抗菌、消炎、祛风、止痢、散痈消毒等功效, 它的药用价值主要在于其含硫化合物, 其中最重要的有效成分是大蒜素(Allicin) [1]

 

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图1:药食同源的大蒜

 

一、关于大蒜素的初期研究


自从十九世纪初、中期,巴斯德明确提出大蒜具有一定的抗菌活性后, 这方面的研究引起了许多学者的兴趣, 大蒜也因此被誉为″植物性天然广谱抗生素″。半胱氨酸作为细菌繁殖生长必需的分子,大蒜素中所携带的氧原子可以与其含有的巯基可以与进行结合从而抑制细菌进一步的繁殖生长[2]。大蒜素对生物胁迫比如某些病原菌有一定的抑制作用,主要针对细菌病害防治,可用于防治柑橘、猕猴桃、瓜类、茄类、叶菜类等多种作物由细菌性病原菌引起的病害,如角斑病、软腐病、溃疡病、青枯病等[3],防治效果一般,大都在40~50%不等。全球研究报道大蒜素提取工艺研究主要可以分为3类:有机溶剂浸提、水蒸气蒸馏法、超临界CO2萃取[4-5]


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图2:大蒜素对根腐[A]、立枯[B]致病菌菌丝体的破坏作用


虽然大蒜素具有广谱的抗细菌活性, 是天然产物生物农药,但是由于其结构的原因使得大蒜素非常容易发生降解, 在高温和碱性条件下极不稳定,从而导致实际使用时对细菌的抑制能力显著降低。中国农药信息网显示,截至2010年,仅一家企业针对黄瓜、枸杞白粉病进行了登记,后来未看到续展登记。且相关研究仍然停留在论文中,产业化进程未见进展。


二、大蒜素的最新研究进展


(1)大蒜素的登记信息。大蒜素作为一种新型纯天然植物活性分子,已被全球主要地区所认可。在巴西,大蒜素被登记为一种针对作物根结线虫的生物农药,在美国,大蒜素被登记为一种针对刺吸式口器虫害、细菌性病害的生物防控产品。欧盟在2021年也首次批准了大蒜素的农药登记。


根据中国农药信息网显示,2016年,成都新朝阳作物科学股份有限公司(以下简称″新朝阳″)获得了50%大蒜素母药以及5%大蒜素微乳剂制剂登记证,是中国首家获得该植物源成分的登记,也是截止目前中国唯一的母药登记证。


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(2)CE大蒜素的提取技术研究。据相关报道,新朝阳经过多年研发,利用植物源″共同提取技术″,解决了组分单一的问题,实现了大蒜素的产业化应用。CE大蒜素母药提取制备技术在保证指示成分含量的前提下,尽可能多的保留了其他活性组分,组分间的协同增效作用使产业化成为了可能。

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图3:CE大蒜素母药多种主要活性成分(数据来自企业标准信息公共服务平台)

 

(3)CE大蒜素制剂处方技术研究。为了确保CE大蒜素的稳定性,新朝阳经过多年研发,开发出了基于天然稳定剂的抗分解技术,使得母药分解率降低了4倍。最大限度的减缓了活性成分在田间的分解。通过高分子表面活性剂筛选和优选配比,实现制剂纳米级乳化,进一步改善制剂有效成分的粒径细度及稳定性,入水自动分散,与水完全快速互溶。同时利用物理掩蔽技术,大幅降低CE大蒜素刺激性气味,制剂加工过程安全、环保,对环境无污染,产品储运安全,避免了在使用环节的气味问题。

                                                      

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图4:5%CE大蒜素微乳剂制剂性能、混配性非常好


(4)CE大蒜素应用技术研究。植物源杀菌剂5%CE大蒜素微乳剂的出现有助于减少生物胁迫对农业的不良影响,缓解日益严重的环境问题。目前,长期依赖单一化学农药、使用化学农药不够科学,用药水平增高,施药次数增多、单位面积农药投入量较大,导致植株抗药性十分严重、防治效果逐年下降、农残超标风险极大和污染生态环境等问题突出[6]。相比于化学农药而言,生物农药优点在于降解快,毒性小,不易产生抗药性,不易产生有害物质,对环境友好等[7],但是其持效期相对传统化学农药缩短30-40%。

室内测试评价。通过室内活性测试发现,单用5%CE大蒜素微乳剂不仅而且对溃疡病、烟草青枯病和细菌性角斑病等细菌性病害有很强的抑制作用。对立枯丝核菌、辣椒枯萎病、根结线虫等其他常见病害也有较好的抑制作用。image.png

      图5:5%CE大蒜素微乳剂对辣椒枯萎病和立枯丝核菌室内活性结果


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图6:5%CE大蒜素微乳剂对根结线虫离体活性达到83-100%


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图7:5%CE大蒜素微乳剂对柑橘溃疡病、烟草青枯病室内效果


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图8:5%CE大蒜素微乳剂对水稻细菌性条斑病室内效果


综上,5%CE大蒜素微乳剂单剂在500倍、1000倍以及2000倍浓度下对柑橘溃疡病、烟草青枯病和水稻细菌性条斑病三种病原菌的抑菌效果均要优于对照药剂或者与对照药剂相当。对烟草青枯菌最高抑菌率可达97.81%,对柑橘溃疡最佳抑菌率可达97.18%;对水稻细菌性条斑最佳抑菌率可达74.04%,且对作物植株生长有一定促进作用。

 

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图9:5%CE大蒜素微乳剂对瓜类腐皮镰孢菌抑制作用


光学显微镜镜检图显示5%大蒜素微乳剂与噁霉灵均可抑制分生孢子的产生,降低真菌致病力从而减少对植物的侵染能力。


田间测试评价。为了解决植物源农药实际应用问题,充分发挥其优势,新朝阳建立了生物农药″预防-预防性治疗-治疗″的主动防治体系,即在病害发生前和初期,单一使用生物农药,抑制病害的传染,降低病害发生指数,具有较好的防治效果,有效减少生物胁迫带来的危害。



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图10:5%CE大蒜素微乳剂防治水稻细菌性条斑病试验·广西百色


5%大蒜素防治水稻细菌性条斑病试验结果表明,在发病初期使用5%CE大蒜素微乳剂,第二次用药后10天左右观察,大蒜素50ml/亩防效明显优于化学对照,超过大多数化学农药防治效果,大蒜素40ml/亩防效和化学对照相当,且水稻长势更健壮,叶片更绿。


在病害发生的中后期,即是高发期,因单一的化学农药和生物农药均不能起到很好的防治作用,且为了提高防治效果,随着化学农药的用药量增加,病虫害耐药性逐步增强。因此,选择以″生物农药+化学农药″为防治策略从而达到减量增效的核心应用技术手段,通过生物农药使用,可有效降低病害发生指数,减少病害的侵染,显著提高防治效果。同时,降低化学农药使用量,降低病害的抗药性,降低化学农药残留,提高农产品品质,改善农业生态环境,维系生物多样性和减轻环境压力。生物农药+化学农药的防治策略,可在减少化学农药用量30-50%的前提下,提高总体防效20%。


大量的田间实验结果表明,在细菌病害发生高发期, 5%CE大蒜素微乳剂与春雷霉素、铜制剂等化学农药分别复配后一是可降低化学农药春雷霉素、铜制剂等的使用量30-50%,提高田间防效20%以上,伤口愈合快、能快速抑制病斑扩散,激发作物细胞自我修复,且对环境更为友好。


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图11:江苏徐州,使用5%CE大蒜素微乳剂+2%春雷霉素处理1次,病斑干枯,叶片发绿,籽粒饱满;农户自防,细条病继续扩散、叶片干枯,穗粒干瘪。

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图12:5%CE大蒜素微乳剂500倍搭配2%春雷霉素1000倍,对柑橘溃疡病防效达到74.80%,且结疤快、病斑变干、伤口愈合好。

 

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图13:南宁沃柑,使用5%CE大蒜素微乳剂1000倍+2%春雷霉素,用药5天后,沃柑溃疡病病斑变褐色并开始干疤,且叶片明显转绿。

 

image.png图14:5%CE大蒜素微乳剂+6%春雷霉素药后6天调查,芒果炭疽病病斑变干愈合。

 

综上,在病虫害发生高发期,使用5%CE大蒜素微乳剂+春雷霉素等化学农药,可以显著降低细菌病害的发生指数和侵染能力,起到对细菌病害具有显著的防治效果,且病斑结疤快、伤口愈合好、持效期长达30多天。且随着化学农药减量使用,农产品中抗生素等化学农药的残留量完全能够达到中国《食品安全国家标准食品中农药最大残留限量》、《欧盟食品中农药残留限量标准》和《美国食品中农药残留限量标准》,为食品安全和农产品质量安全提供坚实的保障。


三、合成生物学技术助推大蒜素的产业化应用


中国是世界大蒜种植的第一大国,很多地区都有种植大蒜的传统。2017年中国大蒜种植面积和产量分别占全球的51.98%和78.88%。目前中国是世界大蒜出口量最多的国家,2014~2019年大蒜出口量总体呈现上升趋势[8]。据世界粮农组织统计,2014~2017年,中国大蒜产量、出口量与出口额均稳定增长。这些数据表明,中国大蒜的出口量及出口额均居于世界第一 [9,10],为大蒜素的产业化应用奠定了坚实的基础。


与此同时,随着现代生物技术的快速发展,利用合成生物学技术从事酶催化生物合成大蒜素研究已获得进展,正在进一步产业化研究,未来必将进一步推动大蒜素的深入产业化应用。


四、CE大蒜素防治细菌病害的市场潜力


截至2022年,中国细菌药剂登记共有693项,主要以铜制剂、中生菌素、春雷霉素、四霉素等抗生素、醋酸盐类化合物以及枯草、多黏芽孢杆菌等微生物制剂为主,同质化严重。目前保护性药剂比较多,治疗性药剂少;老旧产品多,重复使用同一类药剂,抗药性逐步产生,防治效果下降。目前全球很多地区均伴随着细菌性病害常年发生,严重制约了大田作物、果树、蔬菜、粮油、药材等各类作物的经济发展,其市场容量超过百亿。


据统计,2018年,中国细菌病害防治市场销额约18亿元,预计未来10年内市场容量约为30亿元。其中柑橘溃疡病仅在中国每年即可贡献30亿的产业价值,具有超2.4亿的杀菌剂市场[11-12]。未来,依托全新植物源化合物—CE大蒜素″+″防治细菌性病害产品极具市场潜力。

 

[1] Bakri IM, Douglas CW. Inhibitory effect of garlic extract on oral bacteria[J]. Arch Oral Biol, 2005, 50(7): 645.

[2]苏贝婷, 苏振丹, 张宿荣. 大蒜素抗菌作用机制的研究进展[J]. 中华生物医学工程杂志, 2020(2):6.

[3]张嘉杨. 细菌性病害主要化学防治药剂[J]. 环球市场, 2019, 000(002):260.

[4]初乐, 赵岩, 周元忻等. 超临界CO2萃取大蒜素的研究[J]. 农产品加工,2013,9(3):33-34

[5]孙翠玲, 于大胜. 大蒜素的提取及其应用[J]. 广州化工, 2009,37(6):64

[6]崔伯法. 47%春雷霉素·王铜防治柑桔溃疡病田间药效试验[J]. 中国南方果树, 2007, 36(2):1.

[7]于忻滢,张国良,范松,黄志炜,张叶.植物源农药研究进展[J].黑龙江农业科学,2021(07):123-129.

[8]马招弟, 丁天娇. 中国大蒜出口贸易现状研究[J].农村经济与科技,2017,28(2):64,266.

[9]杨宾宾, 宗义湘, 赵邦宏. 中国与″一带一路″沿线国家大蒜出口贸易的发展路径研究[J].北方园艺, 2019(9): 164-169.

[10]马龙传, 宁宁, 于许敬. 金乡县大蒜加工产业存在问题及发展建议[J]. 农业科技通讯, 2018(8):36-38.

[11]王晓宇,彭埃天,宋晓兵,黄峰,崔一平.柑橘溃疡病综合防控技术研究进展[J].中国农学通报,2021,37(31):106-111.

[12]姚廷山, 周彦, 周常勇. 应用铜制剂防治柑橘溃疡病的研究进展[J]. 园艺学报, 2016, 43(9):8.


来源: 新朝阳
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