基本介紹
- 中文名：生物除草劑
- 特點：高效 環保 無害
產生背景,發展歷史,研究進展,技術原理,技術要求,發展狀況,
產生背景
全世界廣泛分布的雜草有30000種，每年約1 800種對作物造成不同程度的危害．每年因雜草危害造成的農作物減產高達9.7%。近百年來採用化學除草劑有效地控制了許多雜草。但化學藥劑的大量使用也引發了一系列的問題，諸如除草劑抗性雜草植株的出現、土壤污染、水質的退化、以及對非雜草生物(特別是人、畜)的危害等等。隨著全球環境意識的提高和農業可持續發展的需要．高效、環保、無害的微生物除草劑的研究越來越顯示其重要的社會意義和經濟價值。
發展歷史
生物除草劑研究歷史和現狀
利用生物防除雜草已有近200年的歷史．以往只有利用植食性動物、病原微生物等天敵在自然狀態下，通過生態學途徑，將雜草種群控制在經濟上、生態上與美學上可以接受的水平。隨著人們對植物病原菌認識的深人，上世紀中葉開始了微生物除草劑的開發研究。近幾十年來，隨著植物病原菌的不斷分離和研究。尤其是從雜草病株中篩選出來的一些植物病原菌表現出了潛在的除草活性,有可能開發成為可替代化學除草劑的新型生物除草劑。
1981年,Devine在美國被註冊登記為第一個生物除草劑，Devine是美國弗羅里達州的棕櫚疫霉致病菌株的厚垣孢子懸浮劑，用於防治雜草莫倫藤，防效可達90%以上，且持效期可達2年，被廣泛用於桔園雜草防除。在此之後的近15年時間裡，沒有新的生物除草劑商品推出，在生物除草劑的發展過程中出現了一個斷層。其實在此領域內的研究仍十分活躍．也取得了一大批研究成果，特別對造成停滯的主要原因的分析和總結，明確了生物除草劑未來的努力方向和重要攻克的目標。
限制發展的主要因素有：被控制雜草豐富的遺傳多樣性、生物除草劑的高度專一性、其對溫度、濕度和土壤等環境條件近於苛刻的需求、工業化生產技術和設備的不配套、配方研究技術的落後、市場規模的過小、生產和套用成本較化學除草劑高等等。
研究進展
生物除草劑的主要研究成果
2.1 有潛力的候選生物除草劑的調查和發現
開展主要雜草的植物病原生物的調查，通過在實驗室分離、純化、培養繁殖再接種到原雜草上，用重分離技術獲得單一型菌株，以供鑑定。迄今為止．約有100種不同的侵染生物種被研究用於防治約80種有經濟意義的雜草。在已被研究的候選生物防治有機體中，相對集中於以下幾個屬：盤孢菌屬(Colletotrichum)有18種，鐮孢菌屬(Fusarium)13種,鏈格孢菌屬(Ahernaria)12種和尾孢菌屬(Cercospora)8種。總共有41個屬的真菌已經或正在被考慮作為生物除草劑的候選。雖然首選的是那些可以引起致命性病害的炭疽病、萎蔫病、枯萎病及葉斑病的種群，但其選擇的範圍是相當廣泛的。在世界最重要的草害中，開展過調查的僅占少數，對大多數雜草有待進行進一步的調查。從上世紀80年代開始。歐洲雜草研究學會科學委員會就在全歐洲開展了lO種主要作物的生物防治目標雜草的天敵調查工作，有7種農田雜草的生防項目被批准實施。在美國，也對分布於玉米、高粱、大豆、水稻、棉花、蔬菜和果園的35種最主要的雜草進行了生物防治可行性評價工作。東南亞的一些國家也開展了對本地7種主要農田雜草的天敵資源調查，我國的這項工作尚處於起步階段。稗草、看麥娘、馬唐，鱧腸、蓼、狗尾草、波斯婆婆納等農田雜草以及碎馬草、狼毒等牧場雜草可望被作為首選列入調查名單。
技術原理
生物除草劑的除草效果及殺草機理
生防雜草有機體篩選，從理論上說主要依據兩條標準：有效性(藥效)和專一性(安全性)。而對於生物除草劑的發展，有效性則是最關鍵的因素。生物除草劑的藥效包括控制雜草的水平、速度以及具體操作的難易程度等。除草機理涉及到它對防治對象的侵染能力、侵染速度以及對雜草的損害性等。侵染能力可以從侵染途徑、侵染部位、侵染後在組織中的感染能力等反映，如某些菌可以侵染但不能在組織中感染髮病。對雜草的損害常表現為引起雜草嚴重的病症如炭疽病、枯萎、萎蔫葉斑等，這些症狀的發生，有時與真菌的特異植物毒素的產生有關。
真菌的侵害一開始和雜草生長處於相互拮抗和鬥爭狀態。雜草的防禦機制和生長會修復侵染物導致的損害、只有侵害速度高於雜草生長速度才能控制住雜草，雖然飛機草尾孢的侵染力強和專一性高。但侵染速度遠滯後於紫莖澤蘭的快速生長，而不具備發展尾生物除草劑的的良好前景。
技術要求
提高生物除草劑防效的途徑之一是復配使用低量的化學除草劑或植物生長調節劑。通常，低量化學除草劑的存在可以削弱雜草的防禦機制，降低生長勢．有利於微生物的侵染，提高發病率，增強除草效果。在正常情況下，百日草鏈格孢控制蒼耳，不足以達到好的防效，如將其孢子和低量化學除草劑滅草喹混配，具有極顯著的增效作用。其他的尚有決明鏈格孢和羅得曼尾孢和除草劑的混配增效研究等。
另外,通過基因工程或原生質體融合技術將強制病基因導人能改善生物除草劑的藥效。
寄主專一性
在經典的生物防治中，寄主專一性是首要的因素。因為這種方法是從外國或外地(通常是外來雜草的原產地)引進可以持久建立種群的天敵，它一經釋放。則完全由生態過程控制其消長，不易被人類操縱。而生物除草劑的途徑則不同，整個過程都在人類控制下進行，安全性可以通過人類在使用過程中實現。而且往往這些生物除草劑的原有機體都是在本地篩選的。例如DeVine和Collego都有一些敏感的非靶標植物，特別是Collego對幾種重要的豆科作物也是敏感的，但它不會引起致命的損害。此外。其孢子的傳播能力差，也不存在導致不能控制的傳染病的可能性。
生物除草劑的寄主專一性常與寄主專一性毒素的產生有關。綠黏帚霉可以產生對反枝莧有毒害作用的的植物毒素(Viridiol)，但這種毒素對棉花不表現毒性，因而有可能被作為產生植物毒素的生物除草劑防治棉田的反枝莧。還有試驗從鏈格孢菌分離到的AAL-Toxin毒素，研究其對雜草的控制作用。
關於寄主專一性植物毒素的深入研究，有可能啟發人們研究開發選擇性良好的生物源化學除草劑，這是未來化學除草劑研究開發的方向之一。
生物除草劑過度的專一性又成為它的缺點，直接影響其實用性，現正試圖通過幾種專一性生物除草劑的復配或甚至與某些化學除草劑的混配來解決。
生物除草劑的工業化生產
液體發酵法是生物除草劑工業化生產的首選方法。因為該法不需要對現有工業發酵設備做多少改進。任何在此基礎上的繁雜技術，都將影響生物除草劑的工業化。現已商品化或正在生產上使用的生物除草劑，多是經發酵技術生產的，盤孢菌屬是容易在淹沒培養條件下產孢的，而孢子是目前普遍認為最適於做生物除草劑的部分。不過，有些種類的真菌在液體發酵罐中的震盪培養是不會產生孢子的，如鏈格孢屬等。
一個交替的途徑是結合液體一固體相結合的培養方法．以液體培養菌絲，而後在固體培養基上誘導孢化、生產孢子。此法用於百日草鏈格孢和鏈格孢的孢子生產是相當成功的。
傳統的觀念認為孢子在穩定性、壽命、活性、侵染力上都比真菌的其他部分更優越，但是某些類群也是有例外的．如鏈格孢屬，其菌絲體的侵染力和生活力更強。直接利用菌絲體作為生物除草劑，不僅能克服孢化難的問題．而且，用相同量的培養基能獲得比孢子更多的生物除草劑。用百日草鏈格孢和鏈格孢菌絲體的片段分別防治蒼耳和紫莖澤蘭，獲得了與孢子相當或更好的防效。通過提高發酵罐的振盪速度。可以在液體培養中獲得短小的菌絲體。如在決明鏈格孢的培養中，便可以直接製成生物除草劑用於生產中。
除草配方研究
生物除草劑區別於其他生物防治方法的顯著特徵是。其類似於化學除草劑的特定劑型的活生物製成品。劑型和配方研究的目的在於能使有機體成活並保持除草活性儘可能長的時間，改善對環境條件(如水分)的依賴性，易於保藏、包裝、運輸以及操作和施用。增加對雜草的親和力和附著力。
生物除草劑有機體的除草活性是隨著時間的推移而降低的。而從生產、銷售到使用，又需要有一定的時間，這就需要根據接種物的不同特性．篩選出一種最佳的貯存介質。以延緩其衰退。
生物除草劑另一個缺陷是對環境條件有比化學除草劑更苛刻的需求。充足的水分(濕度至少在80%)、適宜的溫度(20～30℃)才能保證良好侵染，引起雜草損害，達到好的防效。這就限制了生物除草劑在乾旱地區的發展。解決的途徑就是通過研製配方。
水是生物除草劑配方中最常用的成分，但不是處處適用。如鏈格孢屬真菌在水中的壽命要比在乾燥情況下短得多。因此，許多不同的物質被用於配方中。添加某些營養物質如葡萄糖，以利於在雜草體上的萌發、生長和侵染。
例如：在用高梁點霉(Phomasorghina)等防治千屈菜(￡ythrumsalicaria)時，用DIGS(包括葡萄糖、明膠以及幾種多聚物和共聚物)作為配方成分；在圓盤孢防治刺蒼耳的實驗中。使用了植物油、礦物油、甘油及吐溫；在狹卵鏈格孢A.angustiovoidea)防治乳漿草(Euphorbia esula)時，使用了代號為 IEC的介質，IEC包括油相(煤油、單甘油酯乳化劑和石蠟)和水相(水、葡萄糖)，都降低或消除了對水分條件的依賴性。
商品生物除草劑Collego的配方是成分A為乾孢子，成分B包含水合物和表面活性劑。
發展狀況
中國生物除草劑研究狀況
在上世紀60年代，我國已在實踐中使用“魯保一號”菟絲子盤長孢狀刺盤孢(又稱膠孢炭疽菌菟絲子專化型) (C．gtoeosporoides f.sp.cuscutae)的培養物防治大豆田菟絲子。“魯保一號”是世界上最早被套用於生產實踐的生物除草劑之一。雖然在上世紀80年代研究並解決了菌種在培養過程中的退化問題．但在隨後的商品化研究和發展方面工作滯後。諸如：通過研製配方，克服對水分的需求，使能在廣大的北方大豆產區使用：工業化大批量生產，成為便於農民施用的生物製成品，專利的申請、商品的註冊，以獲得合法保護等。新疆哈密植檢站於上世紀80年代研製的“生防劑F798”控制西瓜田的瓜列當(Orobanche spp．)也取得實用性成果。此成果先前也已在前蘇聯使用大田。這是真菌尖鐮孢(Fusariumoxysporum var．orthoceras)的培養物。此外，還有紫莖澤蘭上的飛機草絨孢菌。該菌的緩慢致病速度可能更適宜用於經典的生物防治[7]。豚草植物病原菌的調查雖已展開．但沒有有關專一性候選菌的深入研究的報導。
前一段時間以來，南京農業大學雜草研究室已經在以下幾個方面開展了研究，並取得了明顯的進展。從紫莖澤蘭自然發生的病株上分離到鏈格孢(Altemariaaltemata)一菌株。
在野燕麥上分離到燕麥葉枯菌(Drechsleraa venacea)進行了致病性、寄主專一性和培養條件的測試，顯示出該菌有潛力發展為防治野燕麥的生物除草劑。該菌也在澳大利亞被作為候選菌進行著研究。
從波斯婆婆納上分離到膠孢炭疽菌(Colletotr- ichum glosporioides)專化菌株，其培養特性、致病性和專一性都已經被詳細研究，顯示出有進一步套用開發的價值。
在菟絲子的生物除草劑研究方面，將其範圍從寄生於大豆上的菟絲子擴大到危害果樹的日本菟絲子和苜蓿(Medicago sativa)及其他牧草上的田野菟絲子(Cuscttta campetris)並獲得了4個菌株．正深入地進行研究，其中已有2個菌株顯示出研究和套用的價值。
此外，中國農業大學雜草研究室和中國農科院杭州水稻研究所亦在進行稗草生物除草劑的研究，並取得了重要的進展。
這些都預示著在人類日益關注由於化學除草劑的使用帶來的環境污染和殘毒、渴求無污染、安全的新除草劑的背景下，在國際生物除草劑研究取得重大突破的形勢下，我國生物除草劑的研究必將進入一個前所未有的嶄新的發展階段。
從商品化了的生物除草劑以及正在實踐中使用的品種看來，生物除草劑的研究方向肯定是正確的。人類對環境問題的重視，又為該研究的深入開展注入動力。也許有人會發問，雖然已有相當的力量投入，但至今僅有屈指可數的幾個生物除草劑產品可用，這似乎與目前的研究規模並不相稱。如果我們將其與發展化學除草劑時是從數萬個化合物中才能篩選出一個商業化的除草劑品種相比。生物除草劑的研究和成果產出比是相當高的。而研究和開發生物除草劑所需的費用也比化學除草劑少得多．登記註冊也更容易。21世紀，很多國家都計畫在若干年內將逐漸降低化學除草劑用量一半，能否以生物除草劑作為替代品，是關係這一計畫實現的關鍵。而生物除草劑研製和開發工作的迅速發展是必要的前提條件。
最近，還有2項生物除草劑的研究在日本取得了新的進展：一是利用Exserohilum lnonocera孢子顆粒劑防治稗草；另一項是用Epicocosorus nernatosorus控制水稻田較難防治的野荸薺(Eleocharis koruguwai)。最值得注意的是這兩種生物除草劑品種都是針對危害嚴重、發生廣泛的雜草，其潛在的市場規模巨大。它們的商品化不僅會帶來很大的經濟效益，而且必將會帶來巨大的社會效益。
一反以往生物除草劑研究多以控制生長中的雜草為目標的研究思路，就是直接利用可以殺滅土壤雜草種子庫中雜草種子的微生物。研製土壤處理生物除草劑品種。其最大的優點就是可以克服莖葉處理時，對環境條件苛刻的需求；此外，這種處理還能有持續效應，甚至於維持到若干生長季節。最早報導的研究是1984年利用土壤真菌瓜類腐皮鐮孢(Fusarium solani，sp．cucurbitae)控制雜草德克薩斯葫蘆。但是，由於供試土壤真菌能引起廣泛種類的植物病害，所以，這項研究一段時間沒有能受到足夠重視。自20世紀90年代初以來，在理論上對利用土壤微生物控制雜草進行了探討，Kremer(1993)嘗試用微生物來控制土壤雜草種子庫。特別是近年來，澳大利亞開展了利用Pyrenophora semeniperda(變態Drechslera campanulata)控制一系列的一年生禾本科土壤雜草種子的前期的研究，其中包括該真菌的生長和孢子形成生物學、侵染葉和種子的過程，植物毒素代謝產物的分離、鑑定和生物活性．大田除草試驗以及對小麥苗期生長的影響．對麵粉品質的影響和對殺菌劑包衣的反應研究內容等．都顯示出非常樂觀的前景，推向實用化的研究也將在近期啟動。此外，利用燕麥葉枯菌除了被研究作為防治野燕麥及黑麥草的莖葉處理生物除草劑外，還考慮被用作土壤處理，控制野燕麥等一年生禾本科雜草的種子。在加拿大，旨在尋找根際微生物控制加拿大薊和野燕麥等禾本科雜草的研究，也獲得了數個良好控制效果的菌株，其中3個菌株已被重點研究。美國亦正在開展根際微生物對雜草防治的研究。總之，這可能會成為生物除草劑在廣泛範圍內實用化的最有希望的選擇之一。
隨著在世界範圍內對雜草天敵資源調查的廣泛開展，人們將會更深刻地了解天敵生物對雜草侵染和控制的機理，將有更多的材料可供選擇。用於發展高效、對環境安全的生物除草劑。
現代基因工程和細胞融合技術的介入，可以重組自然界存在的優良除草基因(如強致病和產毒素等)，給人們提供了改良生物除草劑品種、提高防效和改良寄主專一性的可能性。配合低劑量的化學除草劑,不僅能充分發揮生物除草劑的防效，而且可以彌補化學除草劑在對付某些抗性雜草上的不足．降低化學除草劑給環境帶來的污染。通過研製配方來解決生物除草劑的穩定性和對水分的依賴性。隨著科技的發展，可供用於配方的物質將會更多更優良[J們。
隨著全球綠色農業的不斷發展和人們環保意識的日益提高,政府和企業將會更加重視生物農藥(包括生物除草劑)的開發和研究，加之植物毒素自身廣譜高效、易被生物降解等特點，將促進生物農藥(生物除草劑)在雜草防除中的套用和發展。同時．隨著生物除草劑活性和殺草機理研究的不斷深入。特別是在雜草病原菌篩選模式模型的逐步建立之後。將使得植物病原菌的篩選擺脫大海撈針似的盲目性，使生物除草劑的研究步驟更加簡化、更具有條理性。
