全球抗性杂草暴增600%，新一代生物除草剂如何突破困境

日期:11-18-2024

美国杂草科学协会的数据显示，杂草仅在北美洲玉米和大豆上造成的损失每年就超过了400亿美元。自1984年以来，全球抗性杂草数量增长了超过600%，农民需要加大除草剂的用量和开销才能达到相同的防治效果。在全球农业生产中，杂草防控一直是困扰农民的重大难题。

人们亟需具备新作用机制的化学除草剂替代方案，对生物除草剂的需求与日俱增，但成功进入市场的此类生物制剂仍非常有限。

（来源：AgBioScout公司高级合伙人Peter Chalmers在AgroPages世界农化网举办的第五届生物农药、生物刺激素及生物肥料国际高峰论坛（BioEx 2024）上所作报告）

即便如此，已有一些进入市场的新产品崭露头角。据海外报道，独脚金在肯尼亚是较为棘手的杂草，其种子可在土壤中存活数十年，在接触到谷类作物分泌的荷尔蒙后开始萌发，并长出触手伸到宿主根系窃取营养。化学除草剂对此类杂草的防治功效不佳。肯尼亚Toothpick公司开发出的生物除草剂在这一问题的应对上具备前景。该公司历经超过15年时间的开发，筛选出的尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）菌株分泌的氨基酸组合能够杀灭独脚金。农民将其产品用于种子包衣，以形成缓冲带。这一真菌虽不能完全消灭杂草，但已能使产量回归正常（无独脚金时的产量）。2023年Toothpick的这一真菌制剂已应用在肯尼亚3000公顷的农田上。

这一产品是全球为数不多成功进入市场的生物除草剂。绝大多数的农民仍依赖价格便宜的化学除草剂，如草甘膦、麦草畏、2,4-D等。但近几十年杂草对化学除草剂发展出的抗性问题越来越多，而农化企业在开发出针对植物酶的新化学成分方面鲜有进展。一些生物农药企业正在开发基于微生物及其代谢物，以及植物源成分的除草剂，以新作用机制应对抗性杂草。但生物除草剂存在价格较高，功效一致性较低，或者靶标杂草种类较为单一这些短板。

研究型企业AgBioScout的报告显示，业内企业目前已发现至少250种生物除草剂活性成分，但要将其开发成物美价廉的产品挑战极大。

理想的除草剂需要能够杀灭多种杂草，且对作物等非靶标植物无害。为了推广化学除草剂，一些公司开发出抵抗此类农药的转基因作物，但用这种途径推广生物除草剂要困难得多。许多杂草和作物非常相似，适用的生物除草剂成分较为有限。

Toothpick公司发现亮氨酸和酪氨酸可以抑制独脚金的生长，但不影响玉米，随后其团队筛选出尖孢镰刀菌菌株来生产这些物质。据悉，尖孢镰刀菌有多个品种会影响作物，每个品种倾向于影响单个植物种类，而Toothpick使用的菌株只影响独脚金。

其他不少具有除草功效的微生物也具备靶标专一的特点。上个世纪80年代Upjohn开发出炭疽病菌制剂以对抗美国水稻主要杂草合萌（Aeschynomene virginica），2019年，美国农业部科研人员利用表面活性剂将该病菌应用到另外两种水稻杂草上，拓展了其应用。由于很多农场存在多种杂草，靶标单一的除草剂难以推广。对此，Marrone Bio Innovations（MBI）和Invasive Species Corporation创始人Pam Marrone更倾向于使用灭活微生物的发酵液，而非分离出的代谢产物——后者需要高昂的提纯成本。

MBI发现伯克氏菌Burkholderia rinojensis的代谢物在低用量下能够杀灭一种杂草，而杀灭其他大部分杂草则需要增加用量，致使成本过高。Marrone表示可以通过调节发酵条件来提高重要代谢物的产量，而扩大靶标范围的关键是把成本降下来；此外，企业也可以从不同微生物中获取代谢物来扩大靶标范围，但这种方式需要更多毒理学数据，同样会提升成本。Marrone正不断寻找适用于农场的生物除草剂成分。

业内对生物除草剂是否应该靶标专一持不同观点。病毒源除草剂企业BioProdex创始人兼植物病理学家Raghavan Charudattan认为，广谱对抗杂草使化学除草剂成功商业化的途径对生物除草剂并不适用，能够发挥最佳功效的生物除草剂是具备靶标专一性的那些产品。

无论追求的靶标范围如何，一些生物农药企业正大力开发生物除草剂产品。近两年的新动向举例如下。

Harpe BioHerbicide Solutions正在开发的植物源薄荷醇适合与化学产品联合使用，可杀灭绝大部分的杂草。薄荷醇可使细胞膜出现渗漏，进而影响细胞器工作，使大部分细胞活动停滞。大多数化学除草剂抑制的是特定的酶，薄荷醇则攻击整个细胞。该公司产品可杀灭苋科地肤属杂草，此类杂草对草甘膦、麦草畏、2,4-D等除草剂已发展出抗性。但由于薄荷醇也杀灭作物，因此产品仅能用于作物种植前或采收后。目前Harpe正与Solis Agrosciences合作开发抵抗薄荷醇的转基因种子，以便让农民在种植期间使用产品。Harpe还与科迪华，及麻省理工学院和哈佛大学的布洛德研究所，就CRISPR-Cas9和相关基因编辑技术签署了知识产权许可协议，以进一步研发Harpe的耐受作物。

Pro Farm Group（MBI新公司名）从马铃薯疮痂病菌（Streptomyces acidiscabies）中提取的植物毒素thaxtomin A将用于开发新产品，也计划与化学除草剂联合使用。公司生物除草剂项目主管Louis Boddy表示，其thaxtomin与草甘膦、草铵膦等化学除草剂联用整体效果良好；联合使用可以增强防治功效——生物除草剂可以削弱杂草，给化学除草剂更多时间攻击杂草的酶。

Moa利用领先的AI技术和世界一流的温室检验设施，已挖掘出多种新型除草剂产品线——包括生物和合成除草剂——其中一些是其自行开发，另一些是与行业合作伙伴携手开发。

Moa Technology与Biomar Microbial Technologies达成了一项长期合作。这一新合作使Moa能够利用Biomar丰富的天然海洋化合物资源库挖掘新除草剂成分。Biomar自1996年成立以来收集了丰富的天然海洋化合物，海洋生物群具有发现除草成分的巨大潜力，有助于在陆地上实现粮食安全。Moa将使用其独有的GALAXY技术来筛选这些化合物，寻找具有应对抗性杂草潜力的物质。

Moa另与禾大建立了为期10年的合作。该合作将禾大的海洋微生物群研究成果与Moa独有的除草剂挖掘技术相结合，以开发新一代生物除草剂，此外禾大先进的生产实力未来有助于将新产品推向市场。

富美实和微肽企业Micropep Technologies合作开发生物除草剂。该合作将专注于开发新的解决方案，以控制玉米和大豆中的主要抗性杂草。两家公司将利用Micropep的技术并结合各自的研发能力，加快和提高识别创新生物除草剂的成功率。结合Micropep独有的人工智能微肽发现平台，和富美实强大的科学和商业能力，两公司正开发一种选择性天然除草剂，来有效控制主要抗性杂草，并加快将可持续的产品推向市场。

除了企业加快产品开发步伐，另有多方面因素有助于提升生物除草剂未来在杂草防治市场中的份额。

在登记政策方面，全球多国简化了生物农药的登记流程，缩短了登记所需的时间。即使在法规要求过于严苛的欧盟地区，欧盟委员会近期也开始致力于出台有利法案，加快生物产品进入市场。

（来源：Peter Chalmers在BioEx 2024上所作报告）

生物除草剂的生产工艺正不断改善，生产成本正在降低。此类产品储存的稳定性已大幅提高。配方技术的进步正使微生物和植物源制剂的功效不断提升，并且持续减少需要的使用剂量，对产品推广大有裨益。虽然目前生物除草剂仅占杂草防治市场中极少的份额，但已有多家企业加快了此类产品的开发步伐，产品持续进步，未来将会使更多农民从此类环保有效，成本持续降低的产品中受益。

参考

1. https://cen.acs.org/food/agriculture/s-holding-bioherbicides-back/102/i18

2. 各企业官方发布的新闻动向

3. AgBioScout高级合伙人Peter Chalmers在AgroPages世界农化网举办的第五届生物农药、生物刺激素及生物肥料国际高峰论坛（BioEx 2024）上所作报告：生物除草剂发展现状与创新前景洞察

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