来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2022/5/31 10:23:53
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FASE | 前沿研究:生物杀虫剂作为未来害虫控制主要手段的机遇与挑战

论文标题:Bioinsecticides as future mainstream pest control agents: opportunities and challenges (生物杀虫剂作为未来害虫控制主要手段的机遇与挑战)

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Mingbo QU , Hans MERZENDORFER , Bernard MOUSSIAN4 , Qing YANG

发表时间:13 Jul 2021

DOI:10.15302/J-FASE-2021404

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有害生物绿色防控

Sustainable and Environment-Friendly Agricultural Pest Management

专 辑 文 章 介 绍

• 第七篇 •

▎论文ID

Bioinsecticides as future mainstream pest control agents: opportunities and challenges

生物杀虫剂作为未来害虫控制主要手段的机遇与挑战

发表年份:2022年

第一作者: 屈明博

通讯作者 : 杨青,Bernard MOUSSIAN,Hans MERZENDORFER

: qingyang@dlut.edu.cn,

bernard.moussian@unice.fr,

merzendorfer@chemie-bio.uni-siegen.de

作者单位:1. 大连理工大学;2. 中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害国家重点实验室;3. 德国西根大学生物研究所;4. 德国图宾根大学;5. 中国农业科学院深圳农业基因组研究所

Cite this article :

Mingbo QU, Hans MERZENDORFER, Bernard MOUSSIAN, Qing YANG. BIOINSECTICIDES AS FUTURE MAINSTREAM PEST CONTROL AGENTS: OPPORTUNITIES AND CHALLENGES. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(1): 8297 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021404

• 文 章 亮 点 •

1. 植物源杀虫剂的广泛使用受到某些植物的限制。

2. 需要进一步研究以提高基于RNAi的杀虫剂的防效,并对其进行安全风险评估。

3. 微生物杀虫剂很有前途,但只能控制部分特定种类的害虫。

4. 基于多靶点的害虫控制方法是未来害虫控制的重要策略之一。

5. 纳米剂型化可提高生物杀虫剂的稳定性,并控制其释放。

• Graphical abstract •

• 研 究 内 容 •

▎引言

生物杀虫剂是指不同来源的能够控制害虫的天然物质。理想的生物杀虫剂应该具有对非目标生物低毒性、易于降解、用量少、效果高的特点。公众对化学杀虫剂可能产生的副作用的担忧加快了生物杀虫剂的研究和开发。全球生物杀虫剂市场规模预计将从2020年的22亿美元增长到2025年的46亿美元。然而,要将生物杀虫剂开发为主要的害虫控制手段,还需要克服其生产成本高、保质期短以及部分生物杀虫剂作用机制不确定的问题。本文综述了生物杀虫剂的研究进展,主要包括生物化学杀虫剂及其衍生物、转入植物中的保护剂(Plant-Incorporated Protectants,PIP)和微生物生物杀虫剂,讨论了目前生物杀虫剂应用的制约因素,并提出了未来的研究方向。

▎生物化学杀虫剂及其衍生物

生物化学杀虫剂根据其来源可分为动物来源、植物来源和微生物来源生物化学杀虫剂。

动物来源的生物化学杀虫剂包括激素、化学信息素和动物毒素。昆虫激素能够控制昆虫的代谢过程,通过破坏昆虫的发育过程进而杀死昆虫。但天然的动物激素如蜕皮激素和保幼激素不够稳定,因而其稳定形式的衍生物作为一种昆虫生长调节剂被广泛用于害虫的控制。但其大量应用使昆虫产生了抗药性。化学信息素包括性激素、聚集信息素、报警信息素等具有吸引和趋避性质的化合物。他们被主要应用于有害生物综合治理(Integrated Pest Management,IPM),与诱捕设施或其他杀虫剂联合使用。动物毒素通常是由捕食性节肢动物产生的多肽或者蛋白质,例如作用于神经受体的蜘蛛毒素和作用钠离子通道的β-毒素。他们更多被应用于转基因植物中。

植物来源的生物化学杀虫剂包括植物精油、除虫菊酯、鱼藤酮以及植物碱等。植物精油作为一种天然代谢产物,近年来被越来越多的应用于害虫控制,例如印楝油、橙油、薄荷油、迷迭香油等。其复杂的成分组成降低了害虫对其产生抗药性的可能性。但有限的来源限制了其在更大范围内的应用。印楝素是新近发现的一种潜在的生物杀虫剂,具有广谱杀虫活性且易被降解,对哺乳动物和环境无毒性。但其较高的生产成本及不易化学合成的性质限制了其更为广泛的应用。除虫菊酯、鱼藤酮、鱼尼丁碱以及尼古丁等植物代谢产物已被广泛应用于害虫控制,但其对人及动物的毒性限制了进一步的应用。

微生物来源的生物化学杀虫剂主要包括阿维菌素、多杀菌素和Bt毒素等。阿维菌素主要作用于氯离子通道,而多杀菌素能够作用于乙酰胆碱受体或者GABA受体,它们被广泛应用于害虫控制。但其大量使用带来了昆虫的抗药性以及对人和动物的毒性。Bt毒素能够与昆虫中肠细胞中的特定受体结合,其寡聚形成孔状结构然后插入到中肠细胞膜中,进而改变昆虫中肠通透性而使害虫死亡。由于Bt毒素对阳光敏感,因而作为可喷洒杀虫剂应用受限,但将其转入到植物中得到了广泛的应用。

▎转入植物中的保护剂

根据转入植物中发挥功能的成分可以将转入植物中的保护剂分为毒素蛋白和基于RNAi的dsRNA。其中用于转基因的毒素蛋白主要是Bt毒蛋白。Bt蛋白基因已被批准用于大多数主要经济作物的商业应用,包括棉花、茄子、玉米、土豆、水稻、大豆、甘蔗和番茄等,以抵御约30种主要鞘翅目和鳞翅目害虫。基于RNAi的转基因植物具有高度的物种特异性,是一种环境友好的害虫控制方法。多种靶基因可用于设计dsRNA并制备具有抗虫能力的转基因植物。但是,基于RNAi的转基因植物的广泛应用还需要进一步提高RNAi的效率及评估其安全风险。除了通过转基因植物递送dsRNA对靶基因进行沉默以达到杀死害虫的目的,还可以通过纳米材料包埋以及细菌表达dsRNA的形式制备dsRNA并导入到害虫体内,实现害虫的控制(图1)。

图1 将dsRNA导入到害虫中的不同方式

▎微生物生物杀虫剂

自然界中存在大量的能够用于害虫控制的微生物,包括细菌、真菌以及病毒,占据了生物杀虫剂近90%的市场份额。细菌杀虫剂是最广泛应用于害虫控制的生物制剂,其体内的毒素能够特异性的杀死害虫。含有Bt毒蛋白的苏云金芽孢杆菌是使用最为广泛的微生物。迄今为止,针对鞘翅目、双翅目和鳞翅目等害虫,已开发出100多种基于苏云金芽孢杆菌的生物杀虫剂。此外,类芽孢杆菌、假单胞菌等细菌也可以用于害虫控制。昆虫病原真菌如白僵菌、绿僵菌、拟青霉菌等,以及昆虫病原病毒如核多角体病毒、颗粒体病毒等,也已经广泛使用并商业化用于害虫控制。尽管微生物杀虫剂很有前景,但由于寄主的特异性,它们只能控制很小范围的害虫,且长期使用会使害虫产生抗药性。

▎未来趋势

尽管生物杀虫剂具有很好的前景,但其稳定性差以及引起昆虫抗药性的特点也限制了现有生物杀虫剂的广泛应用。在未来的研究中,应该寻求新的策略。

一些生物杀虫剂以昆虫神经系统的蛋白质为靶点,靶标单一,害虫容易产生抗性。因此,非常需要具有非神经毒性作用模式的杀虫剂。例如一些研究发现,Phlegmacin B1和小檗碱作为天然代谢产物,能够同时抑制昆虫几丁质降解系统中的多种酶,具有杀虫活性。天然产物萜烯类化合物百里香酚和香芹酚,对酪胺受体具有靶向作用,同样具有杀虫活性。

由于单靶点农药容易使害虫产生耐药性,多靶点方法被视为未来害虫防治的一种有前景的策略。通过干扰几丁质的生物生成或降解而影响昆虫表皮代谢过程的功能蛋白或调控RNA可能是多靶点策略的良好候选靶标。参与昆虫表皮几丁质降解的酶具有相同的催化机制(图2),因而可能发现一种分子能够同时对多个水解酶具有抑制作用。例如Phlegmacin B1对两种属于糖基水解酶18家族几丁质酶和一种属于糖基水解酶GH20家族的β-N-乙酰己糖胺酶均具有抑制活性,表现出较高的杀虫活性。从某些植物中提取的精油也可能被认为是多靶点药物。它们含有数百种相关的萜类化合物能够作用到昆虫中不同的靶点,延缓昆虫抗性的产生。

图2 针对几丁质降解体系的多靶点策略

近年来的研究表明,纳米颗粒(NPs)封装的生物杀虫剂具有很高的稳定性,并能以可控的方式释放到环境中。用于杀虫剂封装的NP可分为三类:无机基NPs、有机基NPs和无机和有机组分混合的杂化NPs。目前,人们采用NPs封装了多种生物杀虫剂,例如植物源杀虫剂,包括精油、印地松素、鱼藤酮、香芹酚、百里香酚、丁香酚、姜黄素,以及dsRNA/siRNA分子等。一般来说,生物杀虫剂的纳米制剂可以提高生物杀虫剂的稳定性、功效和活性,降低对非靶标生物的毒性,还可以控制活性成分的释放。

摘要

Bioinsecticides are naturally-occurring substances from different sources that control insect pests. Ideal bioinsecticides should have low toxicity to non-target organisms. They should also be easily degraded in sewage treatment works and natural environments, highly effective in small quantities and affect target pests only. Public concerns about possible side-effects of synthetic pesticides have accelerated bioinsecticide research and development. However, to develop bioinsecticides into mainstream products, their high production costs, short shelf-life and often uncertain modes of action need to be considered. This review summarizes current progress on bioinsecticides which are categorized as biochemical insecticides and their derivatives, plant-incorporated protectants, and microbial bioinsecticides. The current constraints that prevent bioinsecticides from being widely used are discussed and future research directions are proposed.

【作者及团队介绍】

第一作者屈明博,大连理工大学副教授,博士生导师。通讯作者杨青,中国农业科学院植物保护研究所教授,博士生导师。研究团队长期从事绿色农药分子靶标研究,针对病原菌、有害昆虫等均以几丁质作为结构成分的特点,运用结构生物学和化学生物学等方法系统研究这些生物的几丁质合成、降解以及修饰的关键酶,开发新的对人/畜安全的农药分子靶标以及农化产品。先后承担国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划项目子课题等多项国家级科研任务。相关工作发表在ACS Catalysis, Biotechnology Advances, Journal of Medicinal Chemistry, Journal of Biological ChemistryJournal of Agriculture and Food Chemistry等领域内重要刊物中。

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