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1、 XXXXX大学植物保护研究方法 课程论文（农药部分） 题 目： 生物技术在农药中的应用 姓 名： 学 院： 植物保护学院 专 业： 农药学 学 号： 指导教师： 2015年12月29日生物技术在农药中的应用摘要：生物技术越来越广泛应用于农药。利用生物技术降解农药残留；根据农药新靶标，设计开发高效、低毒的新农药；依据酶抑制原理设计的试纸法、比色法和传感器法已用于农药残留的快速检测；在农药的研究开发中应用基因工程。关键词：生物技术；农药；开发Abstract: Biotechnology is more and more widely used in pesticides. Degradate
2、of pesticide residues by biotechnology; design pesticides of high efficiency and low toxicity according to the new targets of action; based on enzyme inhibition principle design the test paper method, colorimetric method and sensor method used for the rapid detection of pesticide residue; apply gene
3、tic engineering to development of plant-based pesticides.Key words: biotechnology; pesticides; development现代农业的发展离不开农药的发展，但农药的使用在防治目标害虫和植物病原菌的同时，对其他非靶标生物也产生不良影响，引起生物毒性和环境残留问题。现代农药的这些特性已带来新的问题，其有效范围在害虫和病害种类之间以及用药时间受到限制。所以只有严格按规定使用才有效而几乎不影响其他生物。现代农药尚对少数害虫、病原菌无效。有些害虫、病原菌和杂草品系对选择性农药的田间抗性日益增长。要解决植物保护问题，不
4、能只依靠农药的开发，而是现代农药与生物技术配合运用可能更为有利，同时发展高效、低毒、低残留、环境相容性好的新农药已成为当今农药的主题。现代生物技术是以DNA重组技术的建立为标志的多学科交叉的新兴综合性技术体系，它以分子生物学、细胞生物学、微生物学、遗传学等学科为支撑，与化学、化工、计算机、微电子和环境工程等学科紧密结合和相互渗透，极大地丰富了各学科的内涵，推动了科学理论和应用技术的发展1。1 农药残留的消除一般情况下，使用的化学杀虫剂约80会残留在土壤中，特别是氯代烃类农药是最难分解的，经生态系统造成滞留毒害作用。利用微生物降解农药已成为消除农药对环境污染的一个重要方面。将农药转化为可代谢的中
5、间产物，从而从环境中消除残留农药，这种途径的降解结果比较复杂，有正面效应也有负面效应。为了避免负面效应，就需要用基因工程的方法对已知有降解农药作用的微生物进行改造，改变其生化反应途径，以希望获得最佳的降解、除毒效果2。以高效呋喃丹降解菌CDS-1的16S rDNA 为同源重组位点整合甲基对硫磷水解酶mpd基因，可获得不带抗性标记的能同时高效降解甲基对硫磷和呋喃丹的工程菌株，为基因工程菌的环境释放以及生物修复应用打下坚实的基础3。2 农药新靶标寻找新的高效作用靶标和揭示新的作用机制是创制新农药的关键。农药靶标的发现首先依赖于生化作用研究的成果。Fisher等4通过基因突变验证了粘噻唑属于Qo位点
6、抑制剂，主要作用于细胞色素b的氨基酸残基G143A、F129L和L275F上。这一靶标和先导化合物的发现为新型杀菌剂的开发奠定了基础5。除草剂是通过干扰与抑制植物生长发育过程中的代谢作用而造成杂草死亡，通过对特殊酶的抑制而产生杀草作用的。故大多数新开发的超高活性除草剂的作用靶标都是各种酶系统。通过对靶标的抑制而发生除草效应6。当遇到已知靶标难以进一步开发新产品时，可以依据植物生理与生物化学的知识探索同一代谢途径中的其它靶标酶，或者是采用自动化的离体筛选系统，从生物体内提取靶标酶，通过定向、定性、定量测定靶标酶活性抑制中量(I50)，分析其杀虫活性与化学结构的关系，从而省时、省力地筛选出活性较高
7、的化合物，克服随机合成筛选的盲目性7。3 农药残留的快速检测农药残留分析涉及化学、物理学、生物学、生物化学多个学科，其检测手段正在不断地更新和完善。免疫分析、生物传感器、酶抑制分析等现场监测技术更能有效、快速地管理和监督农药残留导致的危害8。依据酶抑制法原理设计的农药残留检测方法主要有试纸法、比色法和酶传感器法（固定化酶法或酶电极法）9。3.1生物传感器法生生物传感器是将生物识别元件和信号转换元件紧密结合，从而检测目标化合物的分析装置。生物传感器中生物识别元件有酶、抗体 (抗原)、微生物、细胞、动植物组织、基因等；生物传感器的信号转换元件则包括电化学电极、半导体、光学元件(如光纤、表面等离子共
8、振)、热敏元件、压电装置(如石英晶体微天平、表面声波)等10。近些年，国内外学者就生物传感器在农药残留检测领域中的应用做了一些有益的探索。在农药残留检测中最常用的酶传感器。不同酶传感器检测农药残留的机理是不同的，一般是利用残留物对酶活性的特异性抑制作用来检测酶反应所产生的信号11-13，生物传感器法测定农药，特别是痕量的农药残留，与其它仪器分析方法相比较具有简单、快速且样品无需前处理的优点14。如根据有机磷农药抑制乙酰胆碱酯酶的原理制成生物传感器，分析蔬菜中的有机磷农药残留，结果与标准方法基本一致15。基于免疫原理的生物传感器在农药残留领域中也有不少应用。3.2 试纸法试纸法是以酶抑制法检测农
9、药残留为技术依据，将敏感生物 (如牛血清) 的胆碱酯酶和乙酰胆碱类似物 2,6二氯靛酚乙酸酯分别经固定化处理后加载到滤纸片上。靛酚乙酸酯在胆碱酯酶催化下迅速发生水解反应，生成蓝色的靛酚和乙酸。如果胆碱酯酶与有机磷或氨基甲酸酯类农药结合，便失去催化靛酚乙酸酯水解的能力。因此，在样品中只要有微量有机磷或氨基甲酸酯类农药存在就能强烈地抑制蓝色产物的生成，靠目测就可判断农药残留情况，即：蓝色(-)、浅蓝色 (+)、白色 (+)，对常用农药的检出限为0.310m g/kg L16-18。3.3 比色法有机磷及氨基甲酸酯类农药对动物组织或血液中的胆碱酯酶有强抑制作用，胆碱酯酶属水解酶类，其水解产物与显色剂
10、反应可产生有色物质。比色法正是基于上述原理，将蔬菜、水果等农产品的样品残留提取液与胆碱酯酶作用，显色处理后在410 nm波长下比色，根据吸光值的变化计算胆碱酯酶的抑制率，从而判断有机磷和氨基甲酸酯类农药残留量是否超标。比色法具有可靠性好、灵敏度高及成本低等明显优势19。4 植物源农药对环境友好的生物农药和减少化学农药的使用量将是一个必然的发展趋势， 生物农药特别是植物源农药成了研究热点20。植物源农药主要在于对植物的次生代谢物质的利用，植物产生的次生代谢产物超过400000种（Swain,1997），其中大多数化学物质如萜烯类、生物碱、类黄酮、甾体、酸类、特异性的氨基酸和多糖等均有杀虫或抗菌活
11、性21。生物技术是应用生命科学研究成果， 对生物或生物的成分进行改造和利用的技术， 是现代生物科学和工程技术相结合的产物。它包括基因工程、 细胞工程、 微生物工程和酶(蛋白质)工程4大工程技术。从天然植物中提取活性物质并进行有效的开发利用存在很多问题，但生物技术的日益发展为新农药的研制提供了新的手段，尤其是植物细胞培养、发状根培养、内生真菌培养、植物激活蛋白的应用等技术。4.1 植物细胞培养技术的应用在遗传学信息方面，植物体细胞的形状是相同的，可以在植物育种过程中把体细胞分化出来，得到的下一代植株拥有的遗传学特性跟上一代完全吻合，这是植物细胞具备的全能性22。迄今为止，全世界已对近1000种植
12、物进行过细胞培养方面的研究，生产的天然产物包括药品、香料、色素、食品、化妆品等500多种。利用植物细胞培养进行具有杀虫、杀菌 活性成分的生产具有许多优越性，在植物源农药方面，中国科学院华南植物研究所，华南农业大学昆虫毒理研究室等都曾经或正在从事杀虫植物印楝的组织培养工作，并初步测定其培养物中印楝素的含量23-28。4.2 发状根培养技术的应用通过发根农杆菌 (Agrobacterium rhizogenes) 转化双子叶植物产生发状根并建立发根培养系，从而生产植物次生代谢物是继植物细胞培养后又一新的培养系统。发根农杆菌中存在一种质粒，即Ri质粒，它在感染植物细胞时，要通过细菌和植物细胞之间的附
13、着、Vir基因 (Virulence gene) 的激活和表达、T-DNA(Transfer DNA) 转移，插入并稳定地整合到宿主植物细胞基因组中等一系列过程。T-DNA在植物细胞中表达并诱导产生大量不定根，即发状根，离体培养的发状根表现出激素自主性快速生长，多分枝、多根毛，无向地性等表现型，表现出相当于甚至高于原植株次生代谢物的合成能力，并且遗传稳定29。国外利用发状根技术在印楝、苦楝黄花蒿等植物上进行相应研究30.31。4.3 植物激活蛋白技术的应用植物激活蛋白是一类从多种真菌中分离提取，诱导植物抗病增产的生物活性蛋白，其本身对病原菌无直接杀伤作用，但能通过诱导植物的信号传导，从而激活植
14、物自身防御和生长系统，抵御病菌的侵袭，增强抗病力，促进植物生长发育，提高作物产量，改善作物品质32,33。植物激活蛋白对靶标病原菌无直接杀死怍用，因此不会引起病原生理小种产生抗性，对环境、人畜低毒安全、无残留。激活蛋白能显著诱导水稻、白菜、柑桔、烟草、辣椒、棉花等多种作物提高抗病和抗逆能力，生长期减少化学农药用药量达60%，大田示范推广中取得良好的抗病增产效果，在农产品安全生产中具有广泛的应用前景。5 基因工程技术的应用5.1抗虫基因工程利用基因工程的手段培育抗虫植物新品种不仅可以克服农药的残留、害虫的耐受性、环境污染等严重的问题，还具有成本低、保护全、特异性强等优点。植物细胞中能产生杀虫活性
15、物的基因，基因工程可将外源杀虫基因转入病原微生物，提高昆虫病原微生物的效力，加速害虫死亡。另外，可以利用基因工程技术对杀虫植物进行遗传改良，以提高植物体内杀虫活性物质的含量等34。目前人们已获得多种抗虫基因，其中有蛋白酶抑制剂基因，淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因、昆虫特异性神经毒素基因、几丁质酶基因等35， 它们已被导人烟草、棉花、油菜、水稻、玉米、马铃薯等多种农作物，在抗虫方面得到了广泛的应用，有的已进入了商品化生产。并成功地将苏云金芽孢杆菌(BT)杀虫基因导入棉花和水稻中获得了抗虫棉和水稻。5.2抗除草剂基因工程很多除草剂无法区别庄稼和杂草，有些除草剂必须在野草长起来以前就施用，而且由于抗性草类群落的出现导致使用量增大对环境的危害也日益严重。制造抗除草剂的转基因作物是克服这些缺点的理想途径。目前 已商品化的转基因抗除草剂作物有：抗草甘膦的大豆、玉米、棉花、油菜、向日葵等；抗草丁膦的大豆、玉米、油菜、甜菜、棉花、水稻；抗咪唑啉酮的玉米、油菜、甜菜、水稻
