放線菌產(chǎn)生的殺蟲素

羅瓊

摘要： 放線菌因能產(chǎn)生對(duì)昆蟲和螨類具有致病和毒殺的作用的抗生素而具有殺蟲活性，這些抗生素被稱為殺蟲抗生素或殺蟲素。殺蟲抗生素具有特異性強(qiáng)，防治效果好，對(duì)人畜安全，不破壞生態(tài)平衡，害蟲不易產(chǎn)生抗藥性等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)放線菌產(chǎn)生的殺蟲抗生素研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，同時(shí)對(duì)其發(fā)展前景做了展望。

關(guān)鍵詞： 放線菌殺蟲抗生素研究進(jìn)展

1.前言

據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，全世界蟲害造成的損失約占農(nóng)作物總收成的13%，每年的損失近千億美元，長(zhǎng)期以來，人們通過農(nóng)藥控制農(nóng)作物蟲害，提高了作物的產(chǎn)量，保證了農(nóng)作物的豐收。然而，由于不合理使用，一方面，農(nóng)藥給人類的生活環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，另一方面，污染農(nóng)產(chǎn)品導(dǎo)致慢性或者急性中毒，化學(xué)防治弊端現(xiàn)已越來越突出［１］。于是國(guó)內(nèi)外研究者都在積極尋找對(duì)人畜安全，毒性小，環(huán)境污染小，低殘留，有利于生態(tài)平衡的生物農(nóng)藥。近年來發(fā)展最快生物農(nóng)藥就是放線菌殺蟲素，其具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)：（1）在自然界分解比較快，殘留少，不易污染環(huán)境。（2）對(duì)昆蟲的作用濃度都比較低，殺蟲效果好。（3）有高度的選擇性作用。殺蟲素對(duì)害蟲有很強(qiáng)的殺滅力，而對(duì)其他昆蟲都是安全的，有利于保護(hù)害蟲天敵。（4）不少種類的放線菌及其代謝產(chǎn)物同時(shí)具有殺蟲、防病和刺激植物生長(zhǎng)等功能。（5）抗生素的生產(chǎn)（包括工廠化及土法的）技術(shù)都比較成熟，生產(chǎn)原料來源廣，既易于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，又無“三廢”污染，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α＝鼛啄陙須⑾x抗生素的品種在不斷增加，應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，所以其研究開發(fā)越來越受到國(guó)內(nèi)外的重視。本文就幾種主要的放線菌殺蟲素的研究進(jìn)展作簡(jiǎn)單闡述，并對(duì)殺蟲素前景作了展望［２］。

2.殺蟲放線菌的研究現(xiàn)狀

放線菌一般利用其代謝產(chǎn)物抗生素，而不直接利用其活體做殺蟲劑。從20世紀(jì)50年代初人們就開始了對(duì)抗生素類殺蟲劑的研究，1950年Kido等發(fā)現(xiàn)抗霉素A（Antimycin A）具有殺蟲、殺螨作用。60年代后，人們開始有目的地篩選以殺蟲為目的的新的抗生素，報(bào)道的品種有卟啉霉素（Porfiromycin）、密旋霉素（Pactamycin）和稀疏霉素（Sparosomycin）等。70年代，日本篩選出殺螨素（Tetranactin，又名四抗霉素）和密滅?。∕ilbemectin）。80年代初，阿維菌素（Avermectin）的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)成功被認(rèn)為是抗生素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用的第3個(gè)里程碑，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最有潛力的抗生素［３］。我國(guó)抗生素類殺蟲劑的研究起步較晚，80年代，浙江農(nóng)科院的殺蚜素、上海農(nóng)藥所的瀏陽(yáng)霉素、上海農(nóng)科院植保所的韶關(guān)霉素、江西農(nóng)業(yè)大學(xué)的南昌霉素和梅嶺霉素等相繼問世［４］。下面對(duì)其中幾種主要的殺蟲抗生素的研究狀況作簡(jiǎn)單介紹。

2.1多殺菌素

多殺菌素（spinosad），是美國(guó)陶氏益農(nóng)公司生產(chǎn)的新型生物源殺蟲劑，是由土壤放線菌刺糖多孢菌Saccharopoly spors spinosa發(fā)酵產(chǎn)生，其有效成分是大環(huán)多殺菌素spinosyn A 和spinosyn D，二者混合的比例約為85:15［５］，它兼有生物農(nóng)藥的安全性和化學(xué)合成農(nóng)藥的速效性，且具有低毒、低殘留、對(duì)昆蟲天敵安全、自然分解快，而獲得美國(guó)“總統(tǒng)綠色化學(xué)品挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”［６］。多殺菌素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖1。

Fig.1Spinosad

多殺菌素能有效控制的害蟲包括鱗翅目、雙翅目和纓翅目，同時(shí)對(duì)鞘翅目、直翅目、膜翅目、等翅目、蚤目、革翅目和嚙蟲目的某些特定種類的害蟲也有一定的毒殺作用。目前，多殺菌素已經(jīng)在60多個(gè)國(guó)家登記用于防治多種害蟲。如在美國(guó)，該產(chǎn)品登記應(yīng)用于包括十字花科蔬菜、葉菜類蔬菜、果實(shí)類蔬菜、豆類蔬菜、葫蘆、各種水果等經(jīng)濟(jì)作物和一些小宗作物在內(nèi)的180多種作物。在加拿大，多殺菌素和相關(guān)產(chǎn)品（Success ?誖和Conserve ?誖）的登記應(yīng)用于防治蘋果、室外觀賞植物和草坪害蟲。具體情況可參見網(wǎng)站http://www.ars.usda.gov。從進(jìn)化論的觀點(diǎn)來看，任何一種殺蟲劑都存在害蟲產(chǎn)生抗藥性的可能。由于多殺菌素的作用方式獨(dú)特，不同于目前各類殺蟲劑，而且對(duì)許多抗性品系無交互抗性［７］,因此，Sparks等認(rèn)為害蟲對(duì)多殺菌素產(chǎn)生抗性的潛在可能性很低［８］，但有報(bào)道甜菜夜蛾對(duì)多殺菌素產(chǎn)生了抗藥性。Moulton報(bào)道，在南美和東南亞地區(qū)，甜菜夜蛾田間種群的抗藥性提高了3—70倍。2000年泰國(guó)發(fā)現(xiàn)，甜菜夜蛾對(duì)多殺菌素的敏感性:2齡幼蟲下降85倍，3齡幼蟲下降58倍。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，甜菜夜蛾的Arizona種群（2—3齡幼蟲）對(duì)多殺菌素的抗性提高了14—20倍，F(xiàn)lorida種群的抗性提高了7.1—17倍，而且抗性種群與敏感種群雜交得到的F代其抗性增加了22倍［９］。

多殺菌素對(duì)昆蟲存在快速觸殺和攝食毒性，通過刺激昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致非功能性肌肉收縮、衰竭，并伴隨顫抖和麻痹［１０］，［１１］。其作用機(jī)制是通過激活煙堿型受體使昆蟲神經(jīng)細(xì)胞去極化，引起中央神經(jīng)系統(tǒng)廣泛的超活化。這種獨(dú)特的作用結(jié)果和煙堿性乙酰膽堿受體被激活的結(jié)果相一致。目前尚未發(fā)現(xiàn)某類產(chǎn)品能以同方式作用于昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)。有關(guān)多殺菌素處理后昆蟲的中毒癥狀和作用機(jī)理的研究，徐志紅和蔣志勝［１２］進(jìn)行了較為詳細(xì)的綜述，在此就不再贅述。

多殺菌素在國(guó)外已經(jīng)投入使用，主要由美國(guó)陶氏益農(nóng)公司（Dow Agrosciences Company）生產(chǎn)。商業(yè)化的品種有用于棉花上的Tracer?誖、Laser ?誖，用于蔬菜類的菜喜（Success ?誖）、Conserve ?誖和Spinor［１３］。在我國(guó)登記的多殺菌素主要用于棉花上的“催殺”（多殺菌素48%懸浮劑）和用于蔬菜上的“菜喜”（多殺菌素2.5%懸浮劑）。

2.2阿維菌素

阿維菌素（avermectins，AVMs）又稱阿佛曼菌素，是一種具有抗寄生蟲活性的抗生素，其產(chǎn)生菌是阿維鏈霉菌（Streptomyces avermiti2lis），最初是1975年日本北里研究所（KitasatoInstitute）從日本靜岡川奈市的一個(gè)土壤樣品中分離得到的［１４］。其結(jié)構(gòu)圖見圖2。

阿維菌素是一種神經(jīng)毒劑，對(duì)螨類和昆蟲具有胃毒和觸殺作用。其機(jī)理是作用于昆蟲神經(jīng)元突觸或神經(jīng)肌肉突觸的GABAA受體，干擾昆蟲體內(nèi)神經(jīng)末梢的信息傳遞，即激發(fā)神經(jīng)末梢放出神經(jīng)傳遞抑制劑γ-氨基丁酸（GABA），促使GABA門控的氯離子通道延長(zhǎng)開放，對(duì)氯離子通道具有激活作用，大量氯離子涌入造成神經(jīng)膜電位超級(jí)化，致使神經(jīng)膜處于抑制狀態(tài)，從而阻斷神經(jīng)末梢與肌肉的聯(lián)系，使昆蟲麻痹、拒食、死亡。因其作用機(jī)制獨(dú)特，所以與常用的藥劑無交互抗性。據(jù)報(bào)道，除GABA受體控制的氯化物通道外，阿維菌素還能影響其他配位體控制的氯化物通道，如Ivermectin可以誘導(dǎo)無GABA能神經(jīng)支配的蝗蟲肌纖維的膜傳導(dǎo)的不可逆增加。

阿維菌素作為生物農(nóng)藥的一種，自發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)受到越來越多的重視。其不但具備一般生物農(nóng)藥的特點(diǎn)，而且它的化學(xué)結(jié)構(gòu)新穎，作用機(jī)制獨(dú)特，殺蟲活性強(qiáng)，殺蟲譜廣，被譽(yù)為20年來抗寄生蟲藥物研究的重大突破。同時(shí)它也是目前生物農(nóng)藥中最受歡迎和較具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)品之一［１５］。美國(guó)Merck、Sharp、Dohme Agvet等公司最先將阿維菌素B1a+B1b用作殺蟲殺螨劑。我國(guó)于1991年引入阿維菌素，截至2005年7月，全國(guó)近400家企業(yè)累計(jì)登記產(chǎn)品1268個(gè)廠次，其中原藥14個(gè)、單劑400個(gè)、復(fù)配制劑854個(gè)［１６］。

阿維菌素殺蟲范圍非常廣，對(duì)棉花、蔬菜、果樹上的害蟲害螨效果十分明顯。據(jù)報(bào)道，阿維菌素對(duì)棉鈴蟲、菜青蟲、小菜蛾、甜菜葉蛾、斜紋夜蛾、卷葉蛾、潛葉蛾等鱗翅目害蟲，以及美洲斑潛蠅、梨木虱、茶黃螨、紅蜘蛛、白蜘蛛的防治效果較為明顯，而且可用于防治根結(jié)線蟲、韭蛆等地下害蟲［１７］。

2.3?，斁?/p>

高效環(huán)境友好殺蟲劑?，斁兀装被⒕S菌素苯甲酸鹽）是在阿巴菌素的基礎(chǔ)上經(jīng)五步合成獲得的衍生物，具有很好的穩(wěn)定性與水溶性，對(duì)鱗翅目害蟲具有極高的活性［１８］，［１９］，［２０］，現(xiàn)已在世界近50個(gè)國(guó)家用于防治許多農(nóng)作物和花卉害蟲。其結(jié)構(gòu)（見圖3）及其作用機(jī)理與阿維菌素相似，通過阻礙昆蟲神經(jīng)傳輸，使昆蟲麻痹不能正?；顒?dòng)而死亡。與阿維菌素相比，其主要區(qū)別是增加了對(duì)鱗翅目的殺蟲活性，降低了對(duì)溫血?jiǎng)游锏亩拘裕郏玻保荨?/p>

2.4瀏陽(yáng)霉素

瀏陽(yáng)霉素（Polynactins）是由灰色鏈霉菌瀏陽(yáng)變種（Streptomyces grisenius var. liuyangensis）所產(chǎn)生的殺螨農(nóng)用抗生素，具有大四環(huán)內(nèi)酯類結(jié)構(gòu)，是經(jīng)生物發(fā)酵而成的。其作用機(jī)制是導(dǎo)致寄主線粒體基本陽(yáng)離子（如K+）的外泄，而水分則有助于這種離子的泄漏。瀏陽(yáng)霉素對(duì)防治棉、茶、柑橘等多種作物上的螨類有良好的防治效果，而且在潮濕環(huán)境下其效果更好［２２］。

2.5密滅汀

密滅汀（Milbemectin）是從一種土壤放線菌———吸水鏈霉菌Streptom yces hygroscopicus （ Jensen） Waksman & Henrici subsp. aureolacrimosus中分離獲得的一種具有十六環(huán)內(nèi)酯混合物。其作用機(jī)理與阿維菌素相似，但其生物活性譜較阿維菌素窄，而對(duì)各種螨類都有較高的防治效果［２３］。

2.6梅嶺霉素

梅嶺霉素（Meilingmycin）是從江西農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)油菜根際的一株鏈霉菌發(fā)酵液中篩選出的殺蟲抗生素。該鏈霉菌的發(fā)酵液中含有多個(gè)活性成分，其中A、B、C、D殺蟲毒力較強(qiáng)。成分B就是梅嶺霉素［２４］。用梅嶺霉素粗提純物配成溶液對(duì)30多種昆蟲和螨類進(jìn)行了殺蟲試甘薯天蛾、玉帶鳳蝶、扁刺蝗和黏蟲對(duì)梅嶺霉素最敏感，另外，梅嶺霉素對(duì)線蟲的作用也很強(qiáng)，5 mg/L可100%殺死小桿線蟲［２５］。

3.殺蟲放線菌的展望

3.1目前殺蟲放線菌面臨的問題

到目前為止，鏈霉菌是放線菌中產(chǎn)生抗生素最多的菌種，據(jù)報(bào)道，從20世紀(jì)40年代后期到70年代，每年由鏈霉菌產(chǎn)生的抗生素幾乎呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，并在70年代達(dá)到最高峰，80年代后期到90年代增加幅度下降［２６］。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的殺蟲抗生素幾乎都是從鏈霉菌屬中發(fā)現(xiàn)的。這就要求研究工作者積極探索更有效的方法篩選和鑒定新的具有殺蟲活性的抗生素。還有殺蟲素進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)也有一些問題急需解決，比如用于殺蟲劑生產(chǎn)的阿維菌素菌株多為從自然界篩選的天然菌株，雖然經(jīng)過一些誘變異化，但其基因產(chǎn)物表達(dá)水平受到細(xì)菌自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)及毒素基因拷貝數(shù)的限制，存在藥效慢、殺蟲譜相對(duì)較窄和穩(wěn)定性差等制約。其工業(yè)化過程中還存在菌株的選擇和生產(chǎn)成本高的問題，大大限制了阿維菌素的推廣應(yīng)用。因此對(duì)于這些問題的順利解決少不了相關(guān)的研究，這也將成為未來關(guān)注的熱點(diǎn)。

3.2殺蟲放線菌的前景

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們的健康意識(shí)和環(huán)保意識(shí)大大加強(qiáng)。減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，采用綠色生物殺蟲劑防治病蟲已成為保護(hù)農(nóng)業(yè)作物的主流。而放線菌所產(chǎn)生的具有殺蟲活性的抗生素因其高效、低毒、安全、無殘留、無公害的優(yōu)點(diǎn)更備受青睞［２７］。對(duì)于放線菌殺蟲素的開發(fā)研究利用越來越多：我國(guó)蒲小明等人從鏈霉菌4138菌株中分離得到殺蟲活性成分星形孢菌素，室內(nèi)生測(cè)結(jié)果表明：星形孢菌素對(duì)甜菜夜蛾三齡幼蟲的作用方式主要為毒殺和拒食活性［２８］。范永玲等人發(fā)現(xiàn)植物內(nèi)生放線菌Lj20的發(fā)酵液對(duì)小菜蛾幼蟲有較強(qiáng)的拒食作用，對(duì)朱砂葉螨有較強(qiáng)的觸殺作用和產(chǎn)卵忌避作用［２９］。史赟從番茄植株根莖接合部分離得到1株有殺蟲活性的植物內(nèi)生放線菌St24，其發(fā)酵液對(duì)小菜蛾幼蟲具有較強(qiáng)的拒食作用，選擇性拒食率和非選擇性拒食率分別為100%和97.86%［３０］。

綜上所述，放線菌殺蟲素蘊(yùn)藏著巨大的開發(fā)潛力，隨著對(duì)殺蟲素生物合成途徑及其控制基因的進(jìn)一步了解，有望通過基因改造改善其產(chǎn)生菌的合成能力，或定向合成出某些新衍生物，作為創(chuàng)制新殺蟲劑的前體；或?qū)⑾x素的分子進(jìn)行改造，深入研究其構(gòu)效關(guān)系，開發(fā)出效價(jià)更高、殺蟲譜更廣的殺蟲素類似物；或通過基因工程，構(gòu)建殺蟲素高產(chǎn)菌的工程菌。雖然目前尚存在一些問題，但隨著研究工作的不斷進(jìn)行與技術(shù)的不斷成熟，相信在不久的將來，放線菌殺蟲素一定會(huì)擁有更為廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

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