化学农药的发明和使用极大增强了人类控制病虫危害的能力，为农作物的增产增收做出了重大的贡献。但是，长期依赖和大量使用化学农药，已经带来了众所周知的环境污染、生态平衡破坏和食品安全等一系列问题，对推动农业经济持续发展带来许多不利的影响。因此，开发低毒高效安全的农药新资源——生物农药成为农药研发的新方向，其中微生物农药（microbial pesticide）在生物农药中占有重要地位，也是各国竞相发展的产业。微生物农药是利用微生物或其代谢产物来防治危害农作物的病、虫、草、鼠害及促进作物生长的农药，包括以菌治虫、以菌治菌、以菌除草等。微生物农药具有选择性强，对人、畜、农作物和自然环境安全，不伤害天敌，不易产生抗性等优点。随着人类越来越重视环境保护，微生物农药无疑是今后农药的主要发展方向。

一、微生物农药的优缺点

微生物农药又称天然农药，是指利用生物活体（真菌、细菌、昆虫病毒、转基因生物、天敌等）或其代谢产物（抗生素、信息素、生长素、萘乙酸钠、2，4-D等）针对农业有害生物进行杀灭或抑制的制剂。

与化学农药相比，微生物农药的有效成分来源、工业化生产途径、产品的杀虫防病机理和作用方式等方面，均有许多本质的区别。概括起来，微生物农药主要具有以下几方面的优点：①选择性强，对人畜安全。市场开发并大范围应用成功的微生物农药产品只对病虫害有作用，一般对人、畜及各种有益生物（包括动物天敌、昆虫天敌、蜜蜂、传粉昆虫及鱼、虾等水生生物等）比较安全，对非靶标生物的影响也比较小。②对生态环境影响小。微生物农药主要是利用某些特殊微生物或微生物的代谢产物所具有的杀虫、防病、促生功能控制有害生物的作用，其有效活性成分完全存在和来源于自然生态系统。微生物农药的最大特点是易被日光、植物或各种土壤微生物分解，是一种来于自然、归于自然正常的物质循环方式的农药产品，因此可以认为它们对自然生态环境安全、无污染。③诱发害虫患病。一些微生物农药品种（昆虫病原真菌、昆虫病毒、昆虫微孢子虫、昆虫病原线虫等）具有在害虫群体中水平或经卵垂直传播的能力，在一定的野外条件下，具有定殖、扩散和发展流行的能力，不但可以对当年当代的有害生物发挥控制作用，而且对后代或者翌年的有害生物种群也起到一定的抑制效应，具有明显的后效作用。④可利用农副产品生产加工。目前国内生产加工微生物农药，一般主要利用天然可再生资源（如农副产品的玉米、豆饼、鱼粉、麦麸或某些植物体等），原材料的来源十分广泛，生产成本比较低廉。因此，生产微生物农药一般不会利用不可再生资源（如石油、煤、天然气等），不与化工合成产品争夺原材料。

微生物农药的缺点主要有防治效果一般较为缓慢、控制有害生物的范围较窄、易受到环境因素的制约和干扰以及产品有效期短、质量稳定性较差等。

二、微生物农药的发展历史及开发现状

微生物农药的出现和发展与生物防治研究的发展及化学农药的使用密不可分。Agostino Bassi于1853年首次报道由白僵菌（Beauveria spp.）引起的家蚕传染性病害“白僵病”，证实该寄生菌在家蚕幼虫体内能生长发育，采用接种及接触或污染饲料的方法可传播发病；俄国的梅契尼可夫于1879年应用绿僵菌（Metarhizium spp.）防治小麦金龟子幼虫；1901年日本人石渡从家蚕中分离出一种致病芽孢杆菌——苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）；1926年Fanford使用拮抗体防治马铃薯疮痂病。这些都是微生物农药早期的基础研究，当时并未形成产品。化学农药发展到20世纪60年代，“农药公害”问题日趋严重，激发了生物农药的研究与发展。1972年，我国规定了发展低毒高效的化学农药，逐步发展生物农药的新农药发展方向。20世纪70～80年代，我国微生物农药呈现出蓬勃发展的景象。但是，由于化学农药高效快速，人们仍寄希望于化学农药防治病虫害，对微生物农药的研制和应用曾一度被漠视忽略。进入20世纪90年代，随着科学技术的不断发展和进步，减少使用化学农药、保护人类生存环境的呼声日益高涨，研发和利用微生物农药防治农作物病虫害，逐步成为国内外植物保护工作者的重要研究课题。我国微生物农药的研究开发也开始呈现出新的局面，已发展成为具有几十个品种、几百个生产厂家的队伍。微生物农药在病虫害综合防治中的地位和作用显得愈来愈重要。

三、微生物农药的种类

微生物农药包括活体微生物农药和农用抗生素两大类。其中活体微生物农药按其作用方式分为真菌农药、细菌农药、病毒农药；而按其防治对象又可分为杀虫剂、杀菌剂和除草剂。

1.微生物杀虫剂

（1）细菌杀虫剂 细菌杀虫剂是国内外微生物农药中研究较早、成果较多、产量较大、施用较广的微生物杀虫剂。我国在细菌类生物农药的研究、开发、生产与应用上均处于世界先进水平。目前，细菌杀虫剂已经开发多个品种，已逐渐应用于蔬菜、林业、园艺、卫生等领域的害虫防治之中。目前投入实际应用的杀虫细菌主要有日本金龟子芽孢杆菌（Bacillus popillia）、球形芽孢杆菌（Bacillus sphaericus）和苏云金芽孢杆菌，其中苏云金芽孢杆菌杀虫剂是研究最深入、应用最广泛、商业开发最成功的细菌杀虫剂。

苏云金芽孢杆菌（简称Bt）是革兰阳性土壤杆菌，在自然界中广泛存在，可从土壤、落叶、昆虫尸体、尘埃和污水中分离得到，是世界上应用最广泛的生物杀虫剂，具有杀虫特异性强，对环境无污染等特点。1901年生物学家Ishiwata从家蚕中发现。1915年德国Berliner从地中海粉螟上发现一种细菌，具有很强的毒力，因为发现的地方位于苏云金省，因此命名为苏云金芽孢杆菌。1928年美国应用苏云金芽孢杆菌防治玉米螟，取得了很好的效果，并在第二年首次大田应用。

苏云金芽孢杆菌的营养体杆状，长3.0～5.0μm，宽1.2～1.8μm。Bt生长进入稳定期后期时，母细胞发生裂解，在形成芽孢（spore）的同时还会产生对多种农业害虫有特异杀虫活性的伴孢晶体（parasporal crystal）。芽孢卵圆形，长度约2μm，宽0.8～0.9μm，是具有较强抗逆性的休眠体。

Bt伴孢晶体主要是由杀虫晶体蛋白（insecticidal crystal proteins，ICP）组成的，由cry和c yt基因编码。杀虫晶体蛋白作为其主要的活性物质，对靶标害虫具有高度特异的杀虫活性。其作用机理是依靠其所含有的伴孢晶体、外毒素及卵磷脂酶等致病物质引起昆虫肠道等病症从而使昆虫致死。敏感昆虫取食伴孢晶体后，晶体在昆虫的碱性（pH＞10）中肠溶解；伴孢晶体溶解后释放出的晶体蛋白为原毒素（protoxin），没有活性，在蛋白酶的作用下，形成毒素核心片段（toxic core fragment）；溶解的原毒素激活以后，穿过围食膜到达中肠上皮柱状细胞，与刷状缘上特异性的受体结合，而后形成离子通道或孔洞，导致昆虫死亡。

全球已报道Bt杀虫晶体蛋白基因817个，共分为77类，其中Cry蛋白74类，模式基因有305个；Cyt蛋白3类，模式基因11个。近年我国科学家运用高通量基因组测序技术，在新型Bt基因资源发掘中取得了显著成效。国际Bt基因命名委员会公布的统计资料显示，全世界近5年新发现了322个cry基因、60个cyt基因，其中165个cry基因和37个cyt基因均来自中国，占新基因总数的一半以上。例如，对鳞翅目害虫高效的cry1 Ah 1、cry1Ie1、cry2Ah1、cry9Ee1，对鞘翅目害虫高效的cry8Ea1、cry8Ga1、cry8Ha1、cry8Ia1等基因具有自主知识产权、应用价值高，已相继投入抗虫转基因植物或工程菌的研究开发，显示了我国Bt研究自主创新的快速进步和Bt生物产业的发展潜力。

Bt杀虫剂具有专一、高效和对人畜安全等优点。目前苏云金杆菌商品制剂已达100多种，是世界上应用最为广泛、用量最大、效果最好的微生物杀虫剂，因而备受人们关注。但是，商品Bt制剂在生产防治中也显示出某些局限性，如速效性差、对高龄幼虫不敏感、田间持效期短等，都已成为影响Bt进一步成功推广使用的制约因素。因此，为了提高Bt制剂的杀虫效果，对其增效途径的研究已成为世界性的研究热点。该方面的研究主要包括筛选增效菌株，利用化学添加剂、植物他感物质、几丁质酶作为增效物质，以及昆虫病原微生物间的互作增效等。借助于质粒结合转移、DNA重组、定点诱变、蛋白修饰等生物工程手段对天然Bt菌株进行遗传改良。例如，通过某些cry1基因和cry3基因的整合，创建一种既能杀死鳞翅目害虫又能杀死鞘翅目害虫、毒力增强的新型Bt工程菌。1986年美国首先将Bt的cry1 Ac基因直接导入棉花，培育出整个生长期能持续产生杀虫蛋白，可有效控制棉铃虫危害的转基因抗虫棉。1996年，抗虫转基因作物种植开始产业化，掀起了一场新的农业技术革命。据国际农业生物技术服务组织（ISAAA）统计，2013年全球包括玉米、棉花、茄子、杨树等多种Bt抗虫转基因植物的总种植面积已达到了7000万公顷（折合10.5亿亩）。Bt抗虫作物巨大的应用价值和广阔的市场前景已引起世界各国高度关注，其发展趋势不可逆转。

（2）病毒杀虫剂目前在已知的15种感染昆虫的病毒中，只有对昆虫高度特异的杆状病毒被认为是具有前景的杀虫剂。杆状病毒（Baculoviruses）是一类寄生于节肢动物的专一性病原微生物，其宿主主要是鳞翅目、膜翅目和双翅目的昆虫，还有一些杆状病毒可以感染甲壳纲的节肢生物。杆状病毒为具有杆状衣壳的囊膜病毒，基因组为双链闭和环状DNA，已完成测序的基因组大小为80～180kb不等，编码89～181种蛋白质。目前已从超过800种昆虫体内分类鉴定出了600多种杆状病毒。杆状病毒的天然宿主大多是农林业害虫，所以利用杆状病毒防治农林害虫具有巨大的发展潜力。

①杆状病毒杀虫剂的优缺点：杆状病毒用于农业害虫的防治有许多优点：（a）杆状病毒具有高度特异性的寄主范围，不易引起生态平衡的破坏，不干扰自然界的昆虫捕食者，因而在发挥防治作用的同时不破坏自然环境；（b）杆状病毒能形成包涵体，尤其是核型多角体和颗粒体病毒，病毒体被包埋在包涵体蛋白基质内，在自然环境条件下具有很好的稳定性；（c）杆状病毒对靶昆虫具有高度的毒性；（d）在自然情况下，能引起区域性的昆虫流行病；（e）对作物没有任何药害；（f）经过大量的安全试验，对人、家畜、家禽及水生生物等无害。因此，世界粮农组织和世界卫生组织于1973年正式公开推荐认可杆状病毒可以作为大田防治害虫的病毒类群。

杆状病毒作为杀虫剂亦存在许多缺点，其中最明显的缺点是：（a）杀虫谱狭窄。杆状病毒对宿主具有高度的专一性，不同于化学杀虫剂能防治多种作物的多种害虫。（b）杀虫速度缓慢。杆状病毒对害虫的致死作用依赖于病毒在寄主中的大量增殖；由于病毒进入虫体的潜伏期长，田间致死时间一般需7～14d。（c）紫外线下容易失活。（d）对高龄幼虫的毒性低，因此不能像化学农药那样快速杀死害虫。

②杆状病毒的感染过程：杆状病毒的一个显著特征是具有双向复制周期，产生具有不同形态和功能的出芽型病毒（budded virusus，BV）和包涵体型病毒（occlusion-derived virus，ODV）。这两种表型病毒在病毒感染周期中产生的时期不同，部位不同，形态功能也具有差异。

杆状病毒感染周期分为两个阶段。第一阶段是初始感染阶段。在自然界中昆虫吞下污染包涵体的食物，包涵体随食物进入中肠，在中肠前端的碱性条件（pH8～11）下分解并释放出ODV。病毒粒子通过围食膜后再与中肠上皮的微绒毛结合，以直接的膜融合方式侵入中肠上皮细胞，再通过病毒包膜与细胞质膜融合将病毒核壳释放到细胞质中，并在中肠细胞内复制、组装和出芽释放子代病毒。病毒进入细胞后，核衣壳在微管蛋白的作用下，通过核孔，进入细胞核，核衣壳解体释放出基因组。病毒基因的转录、基因组的复制和衣壳的组装均在细胞核内进行。在核内释放出的病毒DNA开始复制，几小时后宿主细胞核肿大，在核中央形成病毒发生基质。随着病毒发生基质的发展，核衣壳开始装配，然后离开核区，在穿过核膜的同时，获得囊膜。接着核衣壳到达中肠细胞的一块区域，此处含有病毒编码的膜融合蛋白GP64，脱去来源于核膜的囊膜，通过出芽的方式产生BV。

第二阶段是BV侵染昆虫其他组织。新出芽的BV病毒粒子穿过基底膜后，在血淋巴细胞、气管基质和脂肪体复制，接着在神经肌肉、围心细胞、生殖系统以及马氏管、丝线体等组织间传播。在昆虫敏感组织中重复这一复制过程并产生ODV以及包涵体，最终造成昆虫的死亡。在二次感染中，子代BV与细胞表面未知受体结合，以内吞体形式进入细胞，通过低pH介导的BV囊膜与内吞体膜的融合，核衣壳被释放到细胞质中。在感染后期，BV在单个细胞内的产生减少，病毒主要以ODV的形式在细胞内大量累积。被感染的细胞核和组织膨大，引起虫体肿胀，随着多角体的成熟，细胞裂解，昆虫死亡。在病毒编码的几丁质酶和组织蛋白酶作用下，几丁质上皮解体，虫体液化，大量的多角体释放进入环境中。

昆虫感染病毒后，表现出病毒感染特有的外部症状。这些外部症状和虫龄、感染剂量、营养、温度、病毒与宿主的亲和性、幼虫的体质等许多因素有关。得病后的宿主幼虫动作迟钝，食欲减退或停止取食，虫体肿胀，表皮具光泽；幼虫死后表皮变得十分脆弱，轻触即破，流出脓状液体。被感染后的幼虫，一般爬上宿主所在植株的顶层，其腹足附着在植物的枝叶上，倒悬而死。

③影响病毒感染的因子：影响病毒感染害虫种群感受性的因子很多，包括：（a）感染途径；（b）昆虫对病毒的感受性随虫龄的增加而减少；（c）不同的变态和发育阶段对病毒感染性不同，如云杉锯角叶蜂（Gilpinia hercyniae）的细胞处于胚胎状态或滞育状态时，对NPV不敏感；（d）食物的质量和种类（棉铃虫在喂饲棉叶、番茄叶片及人工饲料时，对多角体的感受性不同）；（e）温度和湿度是影响昆虫感受性和病毒在其体内繁殖的最重要的外部因子；（f）辐射和光照；（g）有一些荧光增效剂能通过破坏围食膜而增强昆虫对病毒的感受性；（h）当多种病原物混合接种昆虫时，一种病原物或其侵染作用可以作为激活因子而增强昆虫对另一种病原的感受性。

病毒在昆虫种群内或种群间的传播，对昆虫疾病流行的发展起着重要作用。病毒可以通过风、雨、雾、露水、河流的等机械因子传播，也可以通过生物因子传播。这些生物因子包括：（a）种群密度。较高的昆虫种群密度会使病毒在未感病和感病昆虫之间、昆虫和病毒之间互相接触的机会增大，有利于病毒的流行；有时昆虫密度低时，也可以发生疾病的流行，特别是病原物广泛分布于昆虫宿主栖息场所的时候。（b）被感染或污染个体的行为。昆虫在感染病毒后，往往会伴随着一些异常行为，如棉铃虫被感染后，爬到植物植株顶层，用腹足附在植物的枝叶上，倒悬而死，这有利于病毒的传播。（c）捕食性和寄生性天敌等可能作为隐藏或携带病毒的载体。有报道称，在森林天幕毛虫中，双翅目的寄生物肉蝇成虫可以传播NPV；鸟类可以通过排泄物长距离传播病毒。

④病毒杀虫剂产业的现状：病毒防治在害虫综合治理中占有相当重要的位置。迄今为止，棉铃虫单核衣壳核多角体病毒（Helicoverpa armigera single nucleocapsid nucleopolyhedrovirus，HaSNPV，也称HearNPV）是我国第一个商品化的病毒杀虫剂，每年用于大面积的棉铃虫防治。

昆虫病毒杀虫剂制剂的产量只占杀虫剂总产量的十万分之一。病毒杀虫剂产业的发展首先必须解决规模化生产的问题，只有通过大规模稳定的生产，才能为市场持续提供优质价廉的病毒产品。病毒杀虫剂的生产只能通过昆虫细胞或活体昆虫的培养进行。由于用细胞培养的技术成熟度不够、生产成本过高，现有生产都是采用大规模工厂化饲养昆虫的生产方式，通过虫体增殖病毒。对于在生产过程中如何确保提供大量的活体昆虫，如何采取有效的技术措施杜绝病毒和其他病原物（微孢子虫、细菌、真菌等）在虫体间的交叉感染，缺乏一整套科学系统的方法，常常出现昆虫饲养失败继而对整个生产产生毁灭性的影响，导致生产规模小、生产效率低下、产品质量得不到保证、生产无法持续稳定地进行。其进一步的结果是，生产成本过高、市场的产品供应和产品质量不稳定。因此，解决大规模饲养原料昆虫和控制生产过程中的交叉感染，是解决杆状病毒规模产业化的核心和关键。

产品剂型和田间应用问题是目前存在的第二个问题。杆状病毒杀虫剂制剂的研发多是借鉴非常成熟的化学杀虫剂制剂加工技术。我国市场上现有的剂型主要是可湿性粉剂和悬浮剂两种。实际上，杆状病毒在生物活性、物理性状、杀虫机制等诸多方面，同化学杀虫剂有本质的不同。病毒的活性受储藏条件和存在状态的影响很大；病毒的有效成分是微米级的颗粒物质，而化学杀虫剂发挥杀虫活性的物质是分子；病毒杀虫的过程是促使害虫患病，罹患的病毒病又可以在种群内和代数间水平和垂直传播。有针对性地根据杆状病毒的特点，研发制剂及其加工技术，才能提供经得起市场考验的产品。

杆状病毒杀虫谱较窄、杀虫速度慢，大部分病毒是以一对一的方式发挥作用的，害虫死亡高峰在施药后的4～5d。如甜菜夜蛾核型多角体病毒只对甜菜夜蛾有效，药后4d达到死亡高峰；棉铃虫病毒只对实夜蛾属（Helicoverpa）的昆虫有效，死亡高峰在第5d。这些不利因素可以通过相配套的田间使用技术加以克服。比如，针对杀虫谱窄这一特点，推荐在单一害虫发生为主的农田使用；病毒杀虫剂在有效控制主要害虫危害的同时，保护了天敌和田间生物的多样性，能够充分发挥自然控制的作用，压低了次要害虫的种群数量。另外，随着龄期的增大，害虫对病毒的敏感性呈几何级数降低，死亡时间也随龄期增大而迅速延长。因此，掌握在害虫卵盛孵期用药，是成功应用病毒杀虫剂的关键。

杆状病毒杀虫剂的发展有两个策略。第一，一些国家禁止或限制基因工程微生物，仅仅允许使用没有经过任何遗传改造的微生物。这种情况下，可通过改进感染诊断水平、生产技术和剂型，来促进杆状病毒杀虫剂的应用。理想的诊断方法可以更早检测病毒的存在，进而预测感染的过程和进展。病毒生产中防止环境中其他微生物的污染，可以大大减少生物杀虫剂的价格。改进剂型可以大大增强生物杀虫剂在环境中的稳定性。第二，在对基因工程微生物的应用持积极态度的国家，针对杆状病毒杀虫慢的特点，可以采取改造杆状病毒基因组的方法提高制剂的杀虫速度。近年来，已经构建了多种杀虫效果优于亲本病毒的遗传工程病毒。这些构建策略主要包括将专一作用于昆虫的毒素基因（如编码蝎子特异性神经毒素AaIT的基因等）插入野生型病毒的基因组，通过重组病毒毒素基因的表达达到快速杀虫的目的。也可以通过加入编码影响昆虫正常生理代谢的酶（如昆虫几丁质酶等）或激素（如利尿激素等）的基因，达到破坏昆虫代谢的目的。还可以将病毒本身的基因加以改造，如删除影响病毒杀虫速度的蜕皮激素UDP-葡萄糖基转移酶（egt）基因等。通过这类措施，可以使重组病毒的杀虫速度比野生型病毒提高50%。

（3）真菌杀虫剂 真菌杀虫剂的杀虫机制主要依赖于分生孢子。真菌的分生孢子附着于昆虫的皮肤，吸水后萌发长出芽管或形成附着胞，侵入昆虫体内，造成昆虫病理变化和物理损伤，最后使昆虫死亡。真菌杀虫剂杀虫谱广，残效期长，扩散力强；缺点是发挥效果慢，侵染过程长，受环境影响大。杀虫真菌的种类很多。已发现的真菌杀虫剂约有100属800多种。其中白僵菌、绿僵菌、拟青霉（Paecilomyces）等应用最多。白僵菌是一种子囊菌门的虫生真菌，主要包括球孢白僵菌（Beauveria bassiana）和布氏白僵菌（Beauveria brongniartii）等，常通过无性繁殖生成分生孢子。白僵菌分生孢子在寄主表皮或气孔、消化道上，遇适宜条件开始萌发，出生芽管；同时产生脂肪酶、蛋白酶、几丁质酶溶解昆虫的表皮，由芽管入侵虫体，在虫体内生长繁殖，消耗寄主体内的养分，形成大量菌丝和孢子，布满虫体全身；同时产生各种毒素，如白僵菌素、纤细素和卵孢霉素等，这些物质可引起昆虫中毒，打乱新陈代谢以致死亡。

白僵菌能够在自然条件下通过体壁接触感染杀死害虫，对人畜和环境比较安全，害虫一般不易产生耐药性，可与某些化学农药（杀虫剂、杀螨剂、杀菌剂）同时使用。至今为止，白僵菌在国际上已有17种产品注册登记，用于防治蛴螬、家蝇、介壳虫、白粉虱、蚜虫、蓟马、马铃薯叶甲、蜚蠊、蝗虫、蚱蜢、蟋蟀、棉铃象、棉跳盲蝽、玉米螟、天牛、甘蔗金龟子等害虫。(www.daowen.com)

（4）杀虫抗生素 国内外报道的杀虫抗生素品种甚多，但近年来商品化的仅为数不多的十几种，如阿维菌素（avermectin）、多杀菌素（spinosad）、米尔贝霉素（milbemycin）、伊维菌素（ivermectin）和梅岭霉素（meilingmycin）等（图13-1）。其中阿维菌素是已经广泛应用的广谱杀虫抗生素，也是高效的杀线虫抗生素。这些杀虫抗生素大多是放线菌的次生代谢产物，除对害虫具有直接的杀灭作用外，有的对害虫还具有很好的忌避效果。

图13-1 几种杀虫抗生素的结构

①阿维菌素：阿维菌素是由日本北里大学大村智等和美国Me rc k公司首先开发的一类具有杀虫、杀螨、杀线虫活性的十六元大环内酯化合物（图13-1），由链霉菌属阿维链霉菌（Streptomyces avermitilis）发酵产生，含有8个组分，其中Bla组分活性最高。对螨类（Demodex）和昆虫具有胃毒和触杀作用，作用于昆虫神经元突触或神经肌肉突触的γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）系统，传递至效应器或次级神经元细胞膜，从而产生抑制效应，致虫麻痹死亡，进而达到杀虫效果；而人类以GABA介导的神经位于中枢神经系统，阿维菌素并不能穿过血脑屏障到达中枢神经系统，因此具有较高的安全性。其独特的作用机制、易降解、安全、环保等优点，使其作为一种无公害农药备受青睐。

我国20世纪80年代末从广东揭阳土壤中分离筛选得到7051菌株，后经鉴定证明该菌株与阿维链霉菌Ma-8460相似。自从1991年害极灭阿维菌素B1（abamectin）进入农药市场以来，阿维菌素农药在中国的害虫防治体系中占有较重要的地位。通过对阿维菌素进行结构修饰后相继开发出一系列新产品，如伊维菌素、埃珀利诺菌素、多拉菌素、色拉菌素、莫西菌素等，不仅广泛用于农用抗生素类杀虫剂，还是兽用驱虫剂和家庭卫生用药。

伊维菌素是阿维菌素的一种衍生物，通过选择还原阿维菌素分子中C22～23位的不饱和双键得到的杀虫及抗寄生虫作用的新物质（图13-1），是具有高效、广谱、安全等优点的杀虫及抗寄生虫作用的新物质，对体内外寄生虫特别是线虫和节肢动物均具有高效驱杀作用；同时对哺乳动物的机体组织也有更强的渗透性和安全性，持效期更长，特别适用于一般口服驱虫剂难以到达的肌肉器官和特殊组织中的寄生虫防治，对家畜的胃肠道线虫外寄生虫有着特殊的驱杀效果。目前，伊维菌素已制成预混剂、片剂、软膏剂、注射剂、透皮剂等常规剂型及缓释丸剂、埋植剂、微球剂等新剂型。

②多杀菌素：多杀菌素是由土壤放线菌刺糖多孢菌（Saccharopolyspora spinosa）经好氧发酵产生的胞内次级代谢产物，是一种具有触杀及摄食毒性的新型微生物源杀虫剂。多杀菌素具有作用方式独特、选择性高、对非靶标动物安全以及降解产物安全等优异特性，在防治仓储和田间害虫以及动物寄生虫方面具有良好的应用价值和广阔的市场前景。多杀菌素的杀虫谱极广，能够有效控制的害虫主要包括膜翅目（Hymenoptera）、脉翅目（Neuroptera）、鳞翅目（Lepidoptera）、鞘翅目（Coleoptera）、双翅目（Diptera）和缨翅目（Thysanoptera）等种类，而对非靶标生物的毒性很低，对人和其他哺乳动物相对安全。对昆虫的杀毒方式主要表现为触杀作用，毒性对昆虫具有极强的渗透性，通过穿透幼虫体表的形式进入体内，一旦进入幼虫体内就不被代谢，通过与体内的受体结合，进而刺激昆虫的神经系统，导致非功能性的肌肉收缩，伴随着不断颤抖和麻痹并逐渐衰竭。

目前，具有应用价值的多杀菌素衍生物主要通过微生物代谢、化学修饰、基因工程3种不同方式获得。美国陶氏益农公司从土壤中新筛选分离得到与多杀菌素活性和结构类似，仅在C21位置上的乙基被丁烯基所取代，命名为丁烯基多杀菌素，其具有相同的杀虫活性，对非靶标生物具有更低的副作用。2007年，该公司推出第二代产品乙基多杀菌素，该产品比多杀菌素具有更强的杀虫活性，更广的抗虫谱，促进了其在害虫防治方面的推广应用。用阿维链霉菌中阿维菌素合成起始装载模块替代多杀菌素的起始装载模块改造多杀菌素合成基因簇，并在发酵过程中添加外源羧酸，获得一种新的多杀菌素衍生物，命名为环丁基多杀菌素（spinetoram），是多杀菌素在大环内酯核结构的C21位上连接了环丁基而形成的多杀菌素衍生物，具有比多杀菌素更强的对棉花蚜虫（Cotton aphids）和烟草蚜虫（Tobacco aphids）的杀虫活性，还可以有效地防治刺吸式害虫。

③米尔贝霉素：米尔贝霉素（milbemycins）是从吸水链霉菌属金泪亚种（Streptomycehygroscopicus subsp.aureolacrimosus）发酵产物中提取的一类十六元大环内酯混合物（图13-1），根据化合物结构中是否具有氢化苯并呋喃结构，将其分为α型和β型。该类化合物具有杀虫、杀螨、驱虫等广泛的生物活性，其作为杀虫抗生素已在日本、欧美等多个国家登记，有乳剂、悬浮剂和可湿性粉剂等剂型，并且作为安全、高效、对环境友好的杀虫杀螨剂，已被美国环保局推荐使用。米尔贝霉素杀虫谱较广，对蚜虫、紫花苜蓿螨（Medicago sativa）、食叶螨（Spider mite）、黄褐天幕毛虫（Malacosoma neustria testacea）、肠道寄生虫均具有较好的防治效果。其作用原理是引起谷氨酸门控的Cl ^-通道（glutamate-gated chloride）的开放，从而使Cl ^-内流增加，带负电荷的Cl ^-引起神经元休止电位超极化，使正常的动作电位不能释放，导致昆虫麻痹死亡。目前，制剂的再开发利用存在广阔的市场空间。

2.微生物杀菌剂

（1）拮抗微生物 拮抗微生物可通过拮抗作用抑制病原菌的生长繁殖，从而达到以菌治病的目的。近年来筛选了大量的拮抗酵母菌，如防治苹果灰霉病的柠檬形克勒克酵母（Kloeckera apiculata）和纤细念珠菌（Candida tenuis）等，防治柑橘绿霉病的无名假丝酵母菌（Candida famata），还有防治苹果、梨、草莓、猕猴桃、葡萄灰霉病、青霉病、软腐病和黑斑病等多种病害的黏红酵母（Rhodotorula glutinis）和罗伦隐球酵母（Cryptococcuslaurentii）等。拮抗细菌研究较多的有农杆菌、假单胞菌和芽孢杆菌，如防治桃褐腐病的丁香假单胞菌（Pesudomonas syingae），其他拮抗细菌如荧光假单胞菌（Pesudomonas fluorescens）、洋葱假单胞菌（Pesudomonas cepacia）、枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）、蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）、放射形土壤杆菌（Agrobacteriumradiobacter）等研究也较多。拮抗真菌研究和应用最广泛的木霉，包括哈茨木霉（Trichiderma harzianum）、绿色木霉（Trichiderma viride）、里氏木霉（Trichiderma reesei）和孔氏木霉（Trichiderma kongingii）等，其次是黏帚霉类（Gliocladium spp.）。利用木霉防治植物病害一直是国内外研究的热点，已被用于防治水稻纹枯病、棉花枯萎病等病害。此外，一些真菌还用来防治大豆孢囊线虫、根结线虫等。如淡紫拟青霉（Paecilomyces lilacinus）可以用于防治香蕉穿孔线虫病等。

各种拮抗微生物的拮抗机制不同，如重寄生作用、交叉保护作用、产生拮抗物质和竞争作用等。拮抗微生物是一种还是几种拮抗机制同时作用，取决于致病微生物和拮抗环境。①通过产生拮抗物质发挥其拮抗植物真菌病害的作用。可通过分泌纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶、蛋白酶、几丁质酶等水解酶，作用于真菌细胞壁上相应的底物，侵入和溶解菌体，达到防治病害的目的；产生拮抗蛋白质或肽类物质，其中包括多种细菌产生的细菌素；通过产生种类、结构多样的抗生素或抗生素类物质作用于病原微生物，损害细胞膜的机能、抑制蛋白质的合成、阻抑能量代谢系统、作用于细胞分裂而防治病害；其他还包括具有抗菌作用的氨类、有机酸、过氧化氢酶等初始代谢途径中的副产品和其他次生代谢物等。②重寄生作用。木霉菌丝可以侵入病原微生物体内，或者菌丝与病原真菌菌丝之间发生黏合，进而拮抗病原真菌的生长繁殖。③酵母菌的抑制作用通过营养竞争来实现。④某些植物促生细菌和拮抗真菌还能够诱导植物产生系统抗病性（induced systemic resistance，ISR），使植物对多种真菌、细菌、病毒病害，甚至对一些害虫和线虫产生抗性。这种ISR通常具有广谱性、系统性和非特异性。⑤交叉保护机制一般是在病毒病害防治中得以直接或间接实现的。

（2）农用抗生素一些微生物的次级代谢产物——农用抗生素也广泛应用于各种农林病害和经济动物疾病的防治。根据防治病害的类型，农用抗生素可分为细菌病害抗生素、真菌病害抗生素和病毒病害抗生素。细菌病害抗生素主要包括农用链霉素（streptomycin）、水合霉素（oxytetracycline，土霉素）、新植霉素（土霉素+链霉素）、菜 丰宁B1（caifengning B1）、中生菌素（zhongshengmycin，农抗751，克菌康）、春雷霉素（kasugamycin，春日霉素，加收米）、加瑞农（春雷霉素+王铜）、农霉素-100（aprimycin-100）、灭孢素（uracil）等。真菌病害抗生素包括井冈霉素（validamycin，有效霉素）、灭瘟素S（blasticidin S）、春雷霉素、多抗霉素（polyoxin，多氧霉素，多效霉素，宝丽安）、武夷霉素（astromicin，BO-10）、农抗120（TF120）、放线菌酮（actidione、农抗101）、梧宁霉素（tetramycin，四霉素）、公主岭霉素（gongzhulingmeisu，农抗109）和宁南霉素（ningnanmycin，菌克毒克）等。病毒病害抗生素主要有宁南霉素、灭瘟素S（blasticidin S）、放线菌酮、三原霉素（miharamycin）、天柱菌素（antibiotics）等（图13-2）。

图13-2 几种主要农用抗生素的结构

①井冈霉素：井冈霉素是1972年上海农药所在中国井冈山地区土壤中发现的吸水链霉菌井冈变种（Streptomyces hygroscopicus var.jinggangensis）产生的一种氨基糖苷类代谢产物，对水稻纹枯病有良好的防治作用。井冈霉素化学成分为A、B、C、D、E、F六个组分，后来又报道了G和H两个组分，其中，有效成分为井冈霉素A，与日本的有效霉素A的结构相似（图13-2）。井冈霉素是我国产量最大、使用面积最广的低毒农用抗生素（急性经口LD₅₀剂量大于10000mg/kg）。井冈霉素的活性机制表现为3个方面：（a）可抑制真菌和昆虫的海藻糖酶活力，使海藻糖不能分解成葡萄糖；（b）抑制肌醇的生物合成来影响磷脂的产生；（c）抑制致病真菌的纤维素降解酶和多聚半乳糖醛酸酶的活性，从而降低致病力。其中抑制海藻糖酶的活性被认为是井冈霉素最主要的生物活性机制。许多昆虫和真菌利用海藻糖储存能量，井冈霉素通过抑制海藻糖酶来干扰能量代谢。在抗虫方面，井冈霉素可以致使昆虫不能飞行或者发育不正常；在抗菌方面，井冈霉素还可以非系统性地抑制真菌的生长、改变菌丝的生长形态。井冈霉素可以通过抑制真菌初级菌丝和初生次级菌丝的生长来抑制菌丝生长的总长度；但是并不抑制其他次级菌丝伸长（甚至刺激了其他次级菌丝的伸长），而且增加了菌丝的分支数，最终改变了菌丝的正常生长形态。在防治植物病害方面，井冈霉素除了直接作用于病原真菌外，还可以提高植物的抗性，从而达到防治植物病害的目的。井冈霉素使植物防御反应相关酶如过氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶、几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶的活性增强，从而诱导植株产生防御反应，达到防治植物病害的作用。井冈霉素主要用于水稻纹枯病的防治，也可用于水稻稻曲病、玉米大小斑病以及麦类、棉花、豆类和蔬菜等作物病害的防治。多年大规模的田间使用结果充分显示其“防效高、无药害、无污染”的环保型农药的特点，深受国内外用户欢迎。

②农抗120：农抗120（agricultural antibiotic 120）是刺孢吸水链霉菌北京变种（Streptomyces hygrospinosus var.beijingensis）产生的代谢产物，属于嘧啶核苷类抗生素，主要组分为120-B，类似下里霉素（harimycan），次要组分120-A和120-C类似潮霉素B（hygromycin B）和星霉素（asteromycin）。农抗120是一种高效、广谱、内吸强、缓抗性、无污染、无残留、无公害、毒性低、与环境相容性好、同自然相和谐的多种用途的杀菌剂，也是我国目前应用开发时间最早、推广面积最大、应用作物最多、施用效果最好的优秀生物农药之一。农抗120抗病谱广，进入植物体内后，可以直接阻碍病原菌蛋白质的合成，导致病原菌的死亡，达到抗病的目的。此外，该抗生素还对作物有保护和治疗双重作用，通过提高植株自身的免疫抗病能力而起到防病治病作用，且其保护、预防作用优于治疗、杀灭作用。例如，农抗120能显著提高西瓜幼苗体内的过氧化酶活力，而过氧化酶活力的高低与西瓜抗枯萎病能力成正相关。农抗120的防治对象主要是土壤传染、气流传染和茎秆腐烂三大类作物病害，如真菌引起的枯萎、白粉、白绢、立枯、纹枯、茎枯、锈粉、叶斑、炭疽、茎腐、根腐等多种症状，尤其适用于葫芦科和茄科的瓜果类、十字花科叶菜类蔬菜、禾本科粮食作物及苹果、葡萄、草莓等果类。它对作物有明显的刺激作用，对病原菌有强烈的抑制作用。具有增产显著、改善品质、叶色浓绿、植株健壮、生长加快、粒重增加、空壳减少、瓜果增大、表面亮泽、西瓜增甜、利于保鲜等优点，是一个果农、菜农乐用的杀菌剂，被誉为瓜农的“保护神”，枯萎病的“克星”。

③多抗霉素：多抗霉素是一种肽嘧啶核苷类抗生素，是从可可链霉菌阿苏变种（Streptomyces cacaoi var.asoensis）中分离得到的代谢产物，对水稻纹枯病及其他真菌病害有良好的防治效果。多抗霉素的主要成分包括A～M共13种组分（图13-2），由于结构式中的R₁、R₂、R₃不同而有多种结构，其中，有效组分为B组分。多抗霉素D及其类似物是尿二磷-N-乙酰葡萄糖胺的结构类似物，作为几丁质合成酶（chitin synthase，CS）的竞争性抑制剂，抑制CS催化的由尿二磷-N-乙酰葡萄糖胺到几丁质的反应，导致敏感细胞几丁质不能合成而起到杀菌作用。以A、B组分为主的多抗霉素药剂主要用于防治苹果斑点落叶病，轮纹病，梨黑斑病，葡萄灰霉病，草莓、黄瓜、甜瓜的白粉病，霜霉病，人参黑斑病和烟草赤星病等十多种作物病害；另一类以D、E、F组分为主的药剂主要用于水稻纹枯病的防治。

④宁南霉素：宁南霉素是一种胞嘧啶核苷肽型抗生素（图13-2），是诺尔斯链霉菌西昌变种（Streptomyces noursei var.xichangensis）产生的一种次生代谢产物。宁南霉素不仅能系统地诱导烟草叶片酸性病程相关蛋白高效表达，且能诱导碱性病程相关蛋白AP24基因转录水平积累，表明宁南霉素可能参与植物抗病机制的建立，从而在植物防御反应中起到重要作用。目前，宁南霉素在烟草花叶病毒病、番茄病毒病、辣椒病毒病、水稻立枯病、大豆根腐病、水稻条纹叶枯病、苹果斑点落叶病、黄瓜白粉病防治上取得了登记，此外在防治油菜菌核病、荔枝霜疫霉病，其他作物病毒病、茎腐病、蔓枯病、白粉病等多种病害上也已大面积推广应用。

⑤中生菌素：中生菌素产生菌属于淡紫色灰链霉菌海南变种（Streptomyces lavendulae var.hainanensis）。中生菌素的主要组分为N-糖苷类碱性水溶性物质，属于链丝菌素族抗生素的一员，其结构包括一分子古洛糖胺，一分子链里定和由1～7分子β-赖氨酸组成的肽链。中生菌素不但对病原菌本身有抑制作用，而且还能增强水稻植株过氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶3种防御酶对水稻白叶枯病的活性，说明中生菌素对水稻防御酶的诱激作用是防治白叶枯病的机理之一。中生菌素对植物防御反应的主要基因如过氧化酶（PO）基因、苯丙氨酸解氨酶（PAL）基因、查尔酮合成酶（CHS）基因的转录表达有较强的诱导作用。中生菌素的抗菌谱广，能够抗革兰阳性和阴性细菌、分枝杆菌、酵母菌及丝状真菌，特别对农作物致病菌如菜软腐病菌、黄瓜角斑病菌、水稻白叶枯病菌、苹果轮纹病病菌、小麦赤霉病菌等均具有明显的抗菌活性，可抑制菌丝的生长、孢子的萌发，刺激植物体内植保素及木质素的前体物质的生成，从而提高植物的抗病能力。

3.微生物除草剂

（1）活体微生物除草剂 活体微生物除草剂是由杂草病原体的繁殖体和相应助剂组成的微生物制剂，主要通过孢子、菌丝等直接穿透寄主表皮进入寄主组织，产生毒素，影响杂草植株正常的生理状况，使杂草生病并逐步蔓延，最终导致杂草死亡。具有杂草防治潜力的微生物中，真菌主要集中在镰刀菌属（Fusarium）、链格孢菌属（Alternaria）、尾孢霉属（Cercospora）、盘孢菌属（Colletotrichum）、柄锈菌属（Puccinia）、叶黑粉菌属（Entyloma）、壳单孢菌属（Ascochyta）、核盘菌属（Sclerotinia）和疫霉属（Phytophthora）等；细菌主要集中在假单胞菌属、肠杆菌属（Enterobacter）、黄杆菌属（Flavobacterium）、柠檬酸细菌属（Citromyces）、无色杆菌属（Achranobacter）、产碱杆菌（Alcaligenes）和黄单胞杆菌属（Xanthomonas）等；病毒除草剂在国外也有研究和初步应用。其中真菌除草剂的研究较多。

我国微生物除草剂的研究起步较早。早在20世纪60年代就已经开发出“鲁保一号”菌剂。该菌剂是利用胶孢炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）来防治菟丝子。在20世纪80年代，新疆哈密植保站研制出“生防剂798”防治西瓜田列当（Orobanche spp.）。近些年来，我国在杂草生物防治方面取得了一系列成果，如初步利用画眉草弯孢霉（Curvularia eragrostidis）和厚垣孢镰刀菌（Fusarium chlamydosporum）防治马唐（Digitaria sanguinalis）；利用新月弯孢霉（Curvularia lunata）、禾长蠕孢菌（Helminthosporium gramineum）和露湿漆斑菌（Myrothecium roridum）防治稗草（Echinochloa crusgalli）；空心莲子草假隔链格孢菌（Nimbya alternantherae）防治空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）；利用胶孢炭疽菌婆婆纳专化型（Colletotrichum gloeosporioides f.sp.veronica）防治波斯婆婆纳（Veronica persica）和利用齐整小核菌（Sclerotium rolfsii）防治加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）等。

（2）微生物源除草剂 微生物活体除草剂的应用具有易受周围环境影响（需要较高的湿度）、菌种致病力退化和寄主单一等问题，限制了其应用。微生物能产生很多代谢产物，这些产物中含有杀草活性物质，因而微生物源除草剂具有许多人工合成的传统除草剂无法比拟的优点：①化学结构新颖，一般为经典的农药化学合成难以发现的潜在的新型植物毒性化合物；②与活性微生物除草剂相比，更易储存、利于剂型加工和使用方便；③天然植物毒素一般为多靶标作用位点和方式，不容易引起杂草抗性的产生；④选择性强，有相当一部分为寄主专化性毒素，易于在环境中降解，大多对哺乳动物低毒，对非靶标生物较安全；⑤开发和登记等费用低于化学除草剂。因此，农用抗生素除草剂具有较大的研究和开发价值。已开发和具有开发潜力的微生物代谢产物见表13-1。

表13-1 已开发和具有开发潜力的微生物代谢产物

续表

（3）微生物除草剂存在的问题和发展前景 尽管近年来有不少微生物除草剂获得了专利授权，但通过商品生产登记的还很少，与农业及环境保护实际应用的需求存在很大的差距。主要原因是微生物除草剂在其研究、开发和应用中存在着一些突出的问题和不足，困扰着微生物除草剂的发展：①工厂化大规模生产的条件不成熟，微生物除草剂的培养和加工技术等无法建立统一的标准；②植物形成的次生物质往往是一组化学结构类似的相关化合物，不仅分离提取和化学成分的确定难度相当大，而且工作量也很大；③很多微生物除草剂对目标生物的选择性极强，作用靶标单一，推广及大规模生产受到限制；④通常微生物除草剂对环境条件的要求比化学除草剂更苛刻，容易导致微生物除草剂防效较低，见效较慢；⑤活性物质不稳定，菌株变异退化，致病力减弱，制剂加工困难等诸多问题。

随着生物科技的迅速发展和研究的逐步深入，一些问题已经得到解决。例如：①通过适当的助剂类型及制剂加工技术可以促进和调节孢子萌发，增加致病性，减少对环境的依赖性，提高防治效果和稳定性；②通过基因导入和细胞融合技术可以重组自然界存在的优良的除草基因，改良潜在除草作用的特殊酶的基因，以此来提高致病力和药效；③选择两种或两种以上的微生物作为一种单独的除草剂防治多种杂草，改良了微生物除草剂的品种和寄主专一性等。此外，由于某些根际细菌的固氮作用能够减少施用化学肥料的费用，开发同时具有固氮作用的细菌除草剂将会产生较大的经济效益。

4.植物生长调节剂

植物生长调节剂是一类具有植物激素活性的物质，可用于改善作物品质和调节生长。在农业生产中，使用植物生长调节剂主要是为了达到增加产量、改善口感、促芽、防倒、脱叶、开花、坐果、保鲜、催熟等目的。植物激素主要分为6大类：生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类、乙烯、脱落酸和油菜素（芸苔素），其中赤霉素（920，菜保）和放线菌酮（actidione）为微生物产生的次级代谢产物。

（1）赤霉素赤霉素（gibberellins，GA）是一种天然的植物生长调节剂，属于生物体内的一类四环二萜类化合物，至今已发现136种，总称赤霉素类（GA）。常见具有生物活性的主要有GA 1、GA3、GA4、GA7等（图13-3）。赤霉素对植物生长具有多种生理功能，例如，通过调节水解酶活力从而调控种子发芽、茎干延长、诱导开花、打破休眠、性别分化等过程，因而广泛应用于农业、林业、酿造业等。赤霉素不仅分布于绿色植物，在一些细菌和真菌中也有发现。目前获取赤霉素的主要方式有3种：植物中提取，化学合成，微生物发酵。由于前两种方法价格昂贵、效率较低，而微生物发酵法具有周期短、效率高等优点，所以工业大规模生产赤霉素主要通过微生物发酵法。目前用于工业化生产的微生物主要是丝状真菌藤仓赤霉（Fusarium fujikuroi）的不同菌株。该真菌的无性型为串珠镰孢（Fusarium moniliforme）。目前，赤霉素大规模应用的主要障碍依旧是价格高。通过菌种改良、发酵工艺优化、下游纯化工艺优化等方法提高赤霉素产量，可以降低赤霉素的生产成本，以促进赤霉素的大规模应用。

图13-3 赤霉素和放线菌酮的化学结构

（2）放线菌酮 放线菌酮的化学名称为3- [2-（3，5-二甲基-2-氧代环己基）-2-羟乙基]戊二酰亚胺、环己亚胺（图13-3），是灰色链霉菌（Streptomyces griseus）产生的一种次级代谢产物，可由链霉素、制霉菌素等发酵液中的副产物制得。它通过干扰蛋白质合成过程中的易位步骤而阻碍翻译过程。在生物药学研究中放线菌酮常被用来抑制生物体外真核细胞的蛋白质合成。农业上用于防治樱桃叶斑病、樱花穿孔病、桃树菌核病、橡树立枯病、薄荷及松树的疱锈病、甘薯黑疤病、菊花黑星病和玫瑰的霉病等。此外，也是鼠类、兔子、狗熊、野猪等的忌避剂。放线菌酮内吸性强，也可用作植物生长调节剂，可诱导果实内乙烯的产生，并将乙烯迅速输送到果柄，促使离层形成，使果实易脱落，减轻摘果的劳动力。在柑橘、橙、柚的果实趋于正常成熟时喷2～25mg/L的药液，3～7d后果柄的离层充分发育形成，有利收获和摘取。同时，它还具有加速柑橘、橙、柚、油橄榄等果树叶片衰老和提早脱落的效果。