全球微生物除草剂的研究进展和应用现状

摘自：《生物技术通报》2024年08月

题目：微生物除草剂的研究进展

作者：刘璐; 朱哲远; 李颖曦; 王颉; 彭迪

农田杂草是危害农业生产最严重的有害生物之一，不但需要巨额的防除成本，而且对作物的产量和品质都造成严重损失。目前，杂草防治主要依赖化学除草剂，而长期大量化学除草剂的使用引起杂草抗药性增加，除草剂药效降低及用药量增大，除草成本提高，以及环境安全等问题，这些都影响到化学除草剂的安全使用和农业生产安全。

微生物除草剂是利用微生物本身或其代谢产物为前体经过人工修饰或合成的农药，是生物农药的主要组成部分。其具有资源丰富，不易产生抗性杂草，对非靶标作物安全，环境友好、残留少、安全性高等特点，是当前国际上杂草绿色防控技术发展方向。

20世纪中叶，随着人类对农产品食用安全的重视和农业可持续发展的客观要求，世界各国相继开展了微生物除草剂的开发研究，近年来在杂草生防微生物资源挖掘及控草机理等方面取得了较多进展。2020年农业农村部发布的《关于推进实施农药登记审批绿色通道管理措施的通知》（农农（农药）〔2020〕78号）文件中，提出要将微生物农药纳入登记审批绿色通道，预计未来微生物除草剂的研发进度将进一步加快，微生物除草剂的市场占有率也将逐步提高。

本文主要从微生物除草剂的类型、除草机理以及应用现状等方面进行了总结，以期为微生物除草剂的研究提供参考资料。

1、微生物除草剂类型

微生物除草剂按其除草活性成分划分为两类：（1）活体植物病原微生物及其制剂，主要为细菌、真菌、放线菌和病毒四大类，其中利用最多的是真菌；病原菌分离来源主要包括杂草感病组织、根际微生物群落以及特殊生境等。（2）微生物次生代谢产物，主要为多肽类、萜类、大环脂类和酚醛树脂类。

1.1 活体微生物除草剂

具有除草活性的真菌病原菌主要包括链格孢属（Alternaria）、 炭疽菌属（Colletotrichum）、 镰刀菌属（Fusarium）、 茎点霉属（Phoma）、 弯孢属（Curvularia）、 疫霉属（Phytophthora）、 平脐蠕孢属（Bipolaris）、柄锈菌属（Puccinia）、尾孢霉属（Cercospora）、壳单孢菌属（Ascochyta）、内脐蠕孢属（Drechslera）、 突脐蠕孢属（Exserohilum）、 小球壳孢属（Microsphaeropsis）、拟茎点菌属（Phomopsis）、木霉属（Trichoderma） 和核盘菌属（Sclerotinia）等。能防除马唐、稗草、牛筋草、藜等常见杂草的微生物均有较多报道（表1），如防除马唐的微生物有链格孢属真菌（Alternaria perpunctulata）、 画眉草弯孢霉菌（Curvularia eragrostidis）、内脐蠕孢菌（Drechslera gigantea）、小孢拟盘多毛孢（Pestalotiopsis microspore）等；能防除稗草的微生物有狭卵链格孢（Alternaria augustiovoidea）、画眉草弯孢霉菌（Curvularia eragrostidis）、尖角突脐孢（Pestalotiopsis microspore）等；能防除藜的微生物有层出镰刀菌（Fusarium proliferatum）、狭卵链格孢（Alternaria augustiovoidea）、极细链格孢菌（Alternaria tenuissima）、出芽短梗霉菌（Aureobasidium pullulans）等。

表1 用于微生物除草剂研究的病原菌及其防治对象

具有除草活性的细菌病原菌主要包括无色杆菌属（Achromobacter）、产碱杆菌属（Alcalligenes）、柠檬酸细菌属（Citrobacter）、肠杆菌属（Enterobacter）、欧文氏菌属（Erwinia）、黄杆菌属（Flavobacterium）、 假单胞菌属（Pseudomonas）、黄单胞菌属（Xanthomonas）。据报道，荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）可防控旱雀麦；野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）可防控小蓬草；肠杆菌属（Enterobacter sp.）致病菌对稗草和马齿苋有一定的防效。另外，部分芽孢杆菌如蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）、高地芽孢杆菌（Bacillus altitudinis）也具有除草活性，可使马唐、藜等枯萎。

具有除草活性的放线菌和病毒较少。放线菌病原菌主要包括小单孢菌属（Micromonospora）、拟诺卡氏菌属（Nocardiopsis）、野村菌属（Nonomuraea）、糖多孢菌属（Saccharopolyspora）、 链孢囊菌属 （Streptosporangtum）、链霉菌属（Streptomyces）。 链霉菌属一般以其代谢产物来发挥除草作用。藻类 病毒Lpp-1病毒可用来防治水中的蓝绿藻等水生杂草。 据报道，Charudattan 等发现了烟草轻绿花叶病毒（tobacco mild green mosaic tobamovirus，TMGMV）能抑制毛果茄的生长， 致死率可达到83%-97%。

1.2 代谢产物除草剂

已被报道的具有除草活性的植物毒素包括真菌性植物毒素、细菌性植物毒素和放线菌性植物毒素， 其中来源于真菌的植物毒素最多（表2）。已知的 具有除草活性的真菌毒素有环肽毒素（maculsion）、 AAL毒素、 细交链格孢菌酮酸（TeA）、 腾毒素（tentoxin）、刺盘孢菌素（colletotrichin）、尾孢菌素（cercosporin）、 蛇孢假壳素（ophiobolin）、 除莠菌素（herbicidin）、绿僵菌素（destruxin E）、杆孢菌素 （roridins）、莎草素（cyperin）、格孢壁菌素（alteichin）和疣孢菌素（verucarins）等。Chen等从患叶斑病紫茎泽兰的病斑上分离到一株链格孢菌，其所产生的TeA毒素对马唐、稗草、狗尾草等杂草有明显的抑制作用。

表2 具有除草活性的毒素

此外，细菌毒素也具有除草活性。烟草野火病菌毒素（tabtoxin）是一种非专化性毒素，对多种动植物等具有毒性。冠菌素（coronatine）能使黑麦草正常叶片萎黄。菜豆假单孢菌（Pseudomonas syringae）产生的phaseolotoxin能引起野葛叶片出现黄萎病。放线菌是开发天然除草活性物质的重要来源之一，其产生的毒素包括双丙氨膦（bialaphos）、 氧丁霉素（oxetin）、phosalacine、hydantocidin、放线酰胺素（actinonin）、phthoxazolin、pyridazocidin和尼日利亚菌素（nigericin）等。第一个被开发为商品的是链霉菌（Streptomyces viridochromogenes）代谢产物中的双丙氨膦，可防除单子叶和双子叶植物的广谱性除草剂。

2、除草机理

2.1 活体微生物及代谢产物除草

微生物除草机理示意图见图1。微生物通过侵染杂草寄主使其产生炭疽病、枯萎、萎蔫叶斑等症状，进而引起杂草的导管闭塞、体内水分减少，最终使植株萎蔫并枯死。真菌是通过孢子、菌丝直接穿透植株表皮，进入寄主组织来进行侵染，其代谢产物中有效活性物质通过作用于植物细胞膜、线粒体以及叶绿体等位点，影响到细胞结构的完整性、生物膜功能和脂质稳定性、能量传递、光合色素合成、脂类合成及氨基酸的合成等，最终达到除草的目的。链格孢属真菌主要通过机械穿透、分泌植物细胞壁降解酶和代谢产物等来使杂草致病，如交链格孢菌（Alternaria alternata）通过侵染龙葵和曼陀罗叶片，进而在其组织内繁殖，产生AAL毒素，抑制植物神经酰胺合成酶，从而使寄主死亡；链格孢菌A.alternata产生的毒素tenuazonic acid作用于光和系统II进而阻断能量传递过程。真菌禾长蠕孢稗草专化型菌（Helminthosporium gramineum Rabenh. f. sp. echinochloae, HGE）通过孢子萌发产生的芽管穿透寄主组织，并在细胞间或细胞内生长、繁殖，进一步释放毒素，最终导致植株组织坏死、枯萎死亡。壳二孢菌（Ascochyta sp.）通过侵染香附子来产生莎草素，抑制植物烯酰还原酶，进而引起植株叶绿素的缺失。

图1 微生物除草机理

病毒和细菌一般是通过植物伤口、自然开口或通过昆虫的媒介作用感染侵入。活体细菌除草剂Camperico就是通过修剪的早熟禾断面侵入，在微管系统内增殖产生多糖黄原胶，引起杂草微管系统堵塞而枯死。Tekiela等发现荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）D7菌株产生具有抑制胞脂膜合成的物质，导致过氧化氢酶的代谢受阻，引起细胞膜的过氧化，细胞受到伤害而死亡。

2.2 前体除草

前体除草是一种以微生物活性产物为先导化合物的新型除草剂，具有靶标精准，活性强、稳定性好等优点。以链霉菌（Streptomyces hygroscopicus）中分离的双丙氨膦（bialaphos）为先导化合物合成的产物草铵膦，就是一个很好的例子。此外，从来源于植物天然产物中分离到的活性先导化合物，经有机合成的修饰改造后也可能表现出强的除草活性。如以Callistemon spp.植株中的纤精酮作为先导化合物进行结构改造，开发出了三酮类除草剂，经过一系列衍生后发现了用于稻田防除稗草的农药环庚草醚等。由此可见，通过先导化合物结构的修饰改造，是提高除草活性的有效方式之一，可为高效防治杂草提供全新的作用靶点。

3、微生物除草剂应用现状

3.1微生物除草剂的商品化

微生物除草剂在生产和应用过程中存在寄宿范围小、易受环境因素影响、稳定性差等多种问题，阻滞了微生物除草剂产品化和商业化进程。目前，全球仅有20多个生物除草剂产品进行了登记，主要以美国和日本为主；而我国申请到的生物除草剂相关专利约有30个，投入生产应用被人熟知的却只有鲁保1号。

国外登记的微生物除草剂主要包括Devine、Collegeo、Biochon、Biomal、Camperico、Bialaphos等，其中大部分为真菌除草剂（表3）。利用棕榈疫霉（P. palmovora）制成的真菌除草剂Devine对柑橘园中的莫伦藤（Morrenia odorata）防治效果超过90%；利用胶孢炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）亚种的孢子制作而成的Collegeo对水稻和大豆田中的豆科杂草防效可达90%以上； 利用银叶菌（Chondrostereum purureum）的代谢产物制成Biocho可用来防治木本杂草野黑缨；利用盘长孢状刺盘孢锦葵专化型（Colletotrichum. gloeosporioides f.sp. malvae）的孢子开发的Biomal 可用于防治圆叶锦葵、苘麻等杂草。利用黄单孢杆菌（Xanthomonas campestris）开发的细菌除草剂Camperico可用于防治早熟禾及剪股颖等杂草，防效可达90%以上，且具有较高的专一性。利用链霉菌（Streptomyces viridochromogenes）和吸水链霉菌（Streptomyces hygroscopicus）次生代谢产物开发的双丙氨膦（Bialaphos），广泛用于防除一年生和多年生禾本科杂草及阔叶杂草；以链霉菌（Streptomyces toyocaensis）产生的茴香霉素为先导化合物合成了去草酮（methoxyphenone）， 成功开发为稻田除草剂并已商品化。我国研究学者利用胶孢炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）开发的″鲁保1号″ 可用来防治大豆菟丝子（Cuscuta australis），防治效 果在85%以上。

表3 微生物除草剂产品

3.2 微生物除草剂应用的限制因素

国内外在生物除草剂的新菌株筛选以及商品化产品开发等方面进行了大量的研究。由于生物除草剂专一性高，且对温度、湿度和土壤等环境条件的要求与其他防治技术相比较为苛刻，工业生产流程相对落后、市场规模小、生产和应用成本高等原因，生物除草剂的发展和应用受到了一定的限制。主要表现在以下几方面：（1）真菌除草剂的作用范围较窄，对寄主的专一性很强，杂草群落往往不是单一的、种类繁杂，因此真菌除草剂的使用受到了限制。（2）真菌除草剂使用条件苛刻，尤其是通过活体真菌产生作用的除草剂，其药效受环境条件（如温度、湿度）影响较大。（3）化学农药同真菌除草剂的拮抗作用。在实际生产过程中，病虫草害同时发生的情况较为常见，因此杀虫剂、除草剂等同时施用的情况常有发生，很容易造成其中一方的作用效果被抵消。（4）使用活体或者孢子来产生作用的真菌除草剂储存条件要求高，货架期短。

3.3 防控效果提升策略

针对上述问题，有以下几种方法提升微生物除草剂杂草防除效果。

（1）合理配置剂型改善除草剂稳定性和效用。现有的产品主要分固体剂型和液态剂型两类，各有优缺点。固体如胶囊状，在田间缓慢释放对外界环境因素变化具有一定抗性，且助剂当中存在一定的营养物质，在真菌孢子的生长初期可以为其提供营养，延长真菌除草效果时间，但由于固体颗粒制剂需要与土壤结合处理目标杂草根部，因此易受不同土壤条件以及土壤微生物种群的影响。液态剂型如水、乳油、悬浮等不同形态，其对环境无害、获取方便，但由于液剂结合部位为杂草叶片，而由于大部分杂草表面均有一层蜡质成分，因此液态真菌除草剂在目标杂草叶片的吸附和均匀分布受到影响。纳米技术的兴起可帮助改善微生物除草剂活性成分溶解度低、易失活、保质期短等问题。从而通过提高生物除草剂的有效性和生物利用度来帮助提高其功效，是未来微生物除草剂剂型的发展方向。

（2）微生物除草剂与其他产品复配。通过与化学除草剂复配，可提升真菌除草剂除草谱，同时改善化学除草剂对环境的污染，提升对抗性品种杂草的防除效果；通过不同真菌除草剂复配，可提升单一除草剂所不具有的广谱除草活性。如将菌克阔和克稗霉复配使用，明显提升了杂草防效并优于化学除草剂，验证可用于防除稻田主要杂草；另外，也可通过与毒素复配提升防治效果。Vurro等通过将Ascochyta caulina真菌的菌丝体与其代谢产物中分离到的3种毒素混合使用可使藜属杂草的防治效果提升30%以上，其作用机理为真菌Ascochyta caulina的毒素成分干扰或抑制了PLA酶的功能，从而提升了防效。

尽管目前微生物农药的使用比例还较低，但在国家政策支持力度加大、市场需求增长等有利因素的影响下，预计微生物农药产业会进一步发展。随着产业的发展，微生物农药还可能在推动病虫草害绿色防治、农产品的优质安全生产、生物多样性保护、土壤质量提升等领域进一步发挥作用。

4、多组学技术在微生物除草领域的应用

目前，随着测序技术的发展及成本下降，多组学技术在杂草研究中的应用越来越多，主要集中于杂草起源与进化、杂草抗性和环境适应性等方面， 但在微生物除草领域应用相对较少。程鹏等利用全基因组测序获得了马唐生防菌E. sorghinum基因组的精细图谱，通过分析发现E. sorghinum 产生 的主要除草活性次生代谢产物成分Epoxydon与预测到的contig13.1基因簇存在密切关系。刘晓芳等利用RNA-seq技术开展了出芽短梗霉菌株PA-2侵染藜叶片的转录组分析，结果表明藜受出芽短梗霉菌PA-2侵染后影响了植物MAPK信号通路、植物病原体相互作用、苯丙烷生物合成和植物激素信号转导等途径中关键基因的表达水平，进而改变藜的抗氧化能力，加强应激所致的损伤，最终达到防除杂草的目的。MAPK信号传导途径在真菌生长及其致病性方面起着重要的作用。康烨研究表明紫茎泽兰致病型链格孢菌中的组氨酸磷酸酶基因HP001可能参与到了Ｇ蛋白信号途径，继而通过调控MAPK信号传导途径调控真菌生长发育和致病力等一系列生理功能。在今后的研究中，需利用转录组、代谢组、基因组等多组学联合分析，挖掘生防菌的致病毒素，通过RNA干扰、基因敲除等技术研究毒素合成关键基因的致病功能以及基因调控的生命过程，有助于了解毒素在微生物和杂草互作中的作用。

5、总结与展望

自化学除草剂在全球推广应用以来，目前仍是农田除草的主要手段，但随着杂草抗性、环境污染等问题的出现，具有众多优点的微生物除草剂成为行业优先发展的方向，具有广阔的应用前景。近10年来，中国微生物除草剂的发展较为迅速，是高值农产品生产不可或缺的生产资料，具有重要的生态、环境及社会效益，未来10-20年仍将会持续增长。以高校和科研院所为主的微生物除草剂的研究重点在于生防微生物资源挖掘及相关的基础研究，研究与产业需求存在一定的脱节，制约了微生物除草剂的产业化。为推动我国微生物除草剂的研发及应用，未来应加强以下几方面的研究：

（1）加强性能优异的杂草生防微生物资源的挖掘与选育研究。目前，野外自然感病杂草组织是分离与挖掘杂草生防微生物资源的主要载体，对杂草根际土壤的关注相对较少。在今后的研究中，需系统性开展杂草生防微生物资源的普查及收集，建立高通量的生防菌株筛选和评价方法，加强性能优异的杂草生防菌种资源的规模化挖掘，尤其是加大对未/难培养微生物的分离培养，以获得具有自主知识产权、良好应用前景的本土高性能杂草生防菌株，为新型微生物除草剂的创制打下坚实基础。

（2）加强除草活性相关的基因挖掘及次生代谢产物的生物合成机制研究。除草活性物质、作用靶标以及除草相关基因的克隆、功能研究是杂草科学领域研究的热点，也是除草生防菌资源开发与利用的基础。今后，需依托优质菌种资源，利用生物信息学、合成功能菌群和现代生物技术等，加强除草活性成分及相关的功能基因、次生代谢产物的生物合成机制研究，进一步选育并创制高效工程菌种、人工合成菌群，为超高效微生物除草剂的构建和创制提供科技支撑，为农业绿色高质量发展提供新的解决方案。

（3）加强从高性能菌株到高性能产品所需的关键技术研究。目前，虽然已筛选到多种具有杂草生防效果的微生物菌株，但实际生产和登记的产品数量仍然较少，微生物除草剂产品的产业化能力和商业化能力还较弱，多数缺少中试环节。针对目前微生物除草剂产品保质期短，受环境影响药效降低，助剂加工配方不合理，缺乏合适的载体、表面活性剂、助剂等问题，在今后的研究中，需加强″研产″结合，构建包括关键菌株的培养发酵技术、产品应用效果、环境条件优化在内的全链条科技服务，推动微生物除草剂产品的商业化和产业化，为农业可持续发展提供微生物技术层面的解决方案