农用抗生素的研究和应用

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1、107 农用抗生素的研究和应用 何衍彪 1，2 詹儒林1 赵艳龙1 （1 中国热带农业科学院南亚热带作物研究所 广东湛江 524091； 2 西南农业大学植保学院，重庆 400716） 摘 要 从杀菌农用抗生素、抗病毒农用抗生素、杀虫农用抗生素、除草农用抗生 素 4 个方面对抗生素在农业中的应用进行了简单综述。并对我国农用抗生素生产状况及 农用抗生素常用研究方法进行了回顾。 关键词 抗生素 微生物 次级代谢产物 分类号 S 人类认识微生物的历史源远流长，但 有目的地从微生物次级代谢产物中提取、 分离、应用活性成分的历史，至今不到 70 年。所谓微生物次级代谢产物，是指在微 生物生命活动过程中产

2、生的极其微量的、 对微生物本身的生命活动没有明显作用， 而对其他生物体往往具有不同的生理活 性作用的一类物质1。 人们主要利用不同来源的真菌、细 菌、放线菌和霉菌这些微生物，通过不同 的分离培养技术，让其产生多种多样的次 级代谢产物，然后再通过各种筛选技术和 分析检测技术，寻找其中新的、具有各种 生理活性的次级代谢产物。农业上，我们 把用于防治上有害生物的微生物次级代 谢产物称之为农用抗生素2。有人把由微 生物产生的用于防治农作物病、虫、草害 或促进植物生长的农用抗生素类或毒素 类生物制剂称之为微生物源生物化学农 药3。 1 我国农用抗生素生产概况 我国农用抗生素的研究始于 50 年代， 是随

3、着衣用抗生素之后发展起来的。 80 年 代以来，由于国家的重视，农药抗生素发 展较快，而且水平处于世界先进国家之 列 。 70 年 代 开 发 成 功 的 井 冈 霉 素 （Jinggangmycin） ，至今仍是防治水稻纹 枯病的当家品种，每年应用面积达 2 亿多 亩次。多抗霉素（Polyoxins） 、农抗 120 （Agri-antibiotic 120）等都成为重要的杀 菌剂。进入 90 年代，农用抗生素的研究 开发又进入一个新的发展高潮，中生菌素 （ Zhongshengmycin ）、 宁 南 霉 素 （Ningnanmycin）等一些新的杀菌抗生素 得到开发应用；浏阳霉素（Pol

4、ynactin） 、 华 光 霉 素 （ Nikomycin ） 和 阿 维 菌 素 （Avermectin）等杀虫抗生素先后开发成 功；特别是阿维菌素的迅速推广应用，年 产制剂量近万吨，并大量出口，开创了农 用抗生素的新时代。截止 2003 年底，已 108 商品化（登记注册）的农用抗生素品种达 21 个，其中杀菌、杀病毒农用抗生素品种 有井冈霉素、 农抗 120、 多抗霉素等 15 种， 杀虫、杀螨农用抗生素品种有阿维菌素等 5 种，除草农用抗生素品种有双丙氨磷 （Bialaphos） 。其中大规模生产的有阿维 菌素、井冈霉素、硫酸链霉素和农抗 120、 多抗霉素、宁南霉素和中生菌素等2

5、，4。 近年来，生产农用抗生素的企业有所 减少，实现产业化的品种数量有所增加。 据统计至 2002 年底，我国生物农药的年 产量约 12 万吨，其中农用抗生素的年产 量达 8 万多吨，占整个生物农药总产量的 70%左右；按照生物农药产业化标准，我 国实现产业化的生物农药品种约 12 种， 其中农用抗生素品种占 7 种，农用抗生素 产业已经成为我国生物农药产业的主体。 从 90 年代以来，我国也先后筛选报道了 一些具有自主知识产权的新农用抗生素 品种，但目前实用化的品种只有宁南霉素 一种，与美国、日本等相比，我国农用抗 生素研发水平还比较低，工作只要集中在 提高生产菌株的发酵水平，降低生产成本

6、方面2。 2 农用抗生素资源的开发和应用 2.1 杀菌农用抗生素 抗菌素是微生物代谢过程中所产生 的杀菌物质，具有抑制他种微生物的生长 发育，以及阻碍其生理机能的作用。迄今 为止，世界上已发现的抗菌素有 2 000 多 种，大部分属放线菌的分泌产物，其中约 50 多种用于医药卫生方面，称医用抗菌 素；有 10 多种用于农业，称农用抗菌素， 简称农抗。 近年来，世界各国发现了许多通过拮 抗作用抑制植物病原菌生长的细菌和放 线菌均可以产生抗生素。源自于放线菌的 抗生素主要有灭瘟素（blasticidin） 、春雷 霉 素 （ kasugamycin ）、 米 多 霉 素 （miliomycin）

7、、 多马霉素 （natamycin） 等。 我国研制成功并在生产上推广应用的农 用抗生素主要有： 井冈霉素、 公主岭霉素、 多效霉素、庆丰霉素、农抗 120、武夷菌 素等 10 多个品种。井冈霉素是 70 年代开 发的，至今仍是生产上用于防治水稻纹枯 病的当家品种，每年使用面积近 1000 万 公顷。农抗 120 防治瓜果蔬菜和粮食作物 的枯萎病、腐烂病、茎枯病、白粉病等。 公主岭霉素对禾谷类作物黑穗病、水稻恶 苗病、稻曲病防效显著。 生防细菌也可产生多种代谢产物，如 荧 光 假 单 胞 杆 菌 （ Pseudomonas fluorescens） 可产生铁载体 （siderophores）

8、、 低分子量抗菌物质、植物激素及多肽等。 蜡质芽孢杆菌85 产生氨基多元醇、 氨 基糖苷；枯草芽孢杆菌的代谢产物多为环 状多肽。从 Bacillus sp. 739 中分离出三种 抗菌物质，其中一种为蛋白（分子量约 14 da） ，另外两种为多肽（分子量不大于 6 da） ，Bacillus sp. 739 还可产生几丁质 酶。细菌素（Bacteriocin）是由细菌产生 的蛋白或多肽类物质。现在仍然不断有新 109 的抗菌素被发现。 以微生物代谢产物为先导可以合成 一系列新的杀菌剂。 吡咯菌素 （Pyrrdnitrin） 和嗜球果伞素 （Strobilurin） 是此类合成杀 菌剂的代表。前

9、者源自 Pseudomonas pyrrocinia Imana.，紫外稳定性差，经化学 修饰后得到极大改善。天然嗜球果伞素源 自 Strobilurus tenacellus，由于稳定性问题 难以制成标准杀菌剂， 经过合理的直接的化 学合成，一系列重要的杀菌剂应运而生5。 2.2 抗病毒农用抗生素 自 Mulvania 于 1926 年发现被细菌污 染的植物病毒汁液很快丧失侵染力现象 之后，微生物及其代谢产物对植物病毒的 抑制作用引起了广泛的关注。日本木村 （1963）和平井（1965）等发现灭瘟素有 抗病毒活性，能强烈抑制烟草花叶病毒 （TMV）核酸的合成。随后相泽（日本） 等（1969）

10、筛选出阿博霉素，对数种植物 病毒如 TMV、黄瓜花叶病毒（CMV） 、苜 蓿花叶病毒（AMV）等有抑制作用。目前 国外报道的抗病毒农用抗生素还包括月 桂霉素、三原霉素 A、丝裂霉素、诺卡霉 素、奥罗霉素、柑菌素、抗菌素 NA-699 等，但均未达到登记注册水平3。 鉴于近年来植物病毒病害的发生和 危害呈逐年上升的趋势，研究开发对植物 病毒病害有特异防效的农用抗生素具有 十分巨大的潜力。向固西等（1995）从诺 尔斯链霉菌西昌变种的发酵液中提取的 胞嘧啶核苷肽型抗生素（宁南霉素） ，对 TMV、CMV 有很好的抑制作用，其防效 优于目前使用的植病灵、菌毒清和 83 增 抗剂6，该制剂已于 199

11、7 年获得临时登 记；由沈阳农业大学植保学院吴元华等研 究开发的天柱菌素（tianzhumycin） ，是由 不 吸 水 链 霉 菌 天 柱 山 变 种 （ S. ahygroscopicus var. tianzhushanensis）产生 的嘧啶核苷肽类新型抗病毒农用抗生素， 对 TMV、马铃薯 Y 病毒（PVY） 、CMV、 大豆花叶病毒（SMV） 、玉米矮花叶病毒 （MDMV） 、芜菁花叶病毒（TuMV）均有 一定的防治效果，具有很大的开发潜力3。 2.3 杀虫农用抗生素 目前工业化的杀虫农用抗生素仅有 杀螨素 （tetranactin） 、 潮霉素 （hygromycin B） 、粉

12、蝶霉素（milbemycin） 、德斯妥霉 素 （ destomycin B ） 和 阿 维 菌 素 （avermectin）等（文才艺等，2004）。 自阿维菌素问世后，不少化学家对它的结 构进行了各种改造，合成了上万个化合 物，其中伊维菌素（Ivermectin）线虫等具 有良好的防治效果， 被引起广泛的重视7。 绿僵菌素是的一种次生代谢物质，它具有 明显的杀虫活性。 自从 1961 年 Kodaira 首 次发现绿僵菌素以来，科学工作者对此已 经开展了广泛的研究。研究发现，一般情 况下，绿僵菌的致病力与其绿僵菌素的分 泌能力呈正相关8。 我国已研究开发或正在推广应用的 杀虫抗生素有阿维菌

13、素（又叫 7051 杀虫 素） 、浏阳霉素（polynactin） 、华光霉素 110 （nikkomycin） 、南昌霉素（nanchangmycin） 和梅岭霉素（meilingmycin） 、多杀霉素 （spinosad） 。此外，中国医学科学院生物 技术研究所与日本共同开发的戒台素 （jietacin） ，浙江省农科院微生物研究所 筛选的杀蚜素，上海农科院筛选的韶关霉 素，中国农科院原子能研究所筛选的 78 杀虫素，山东济宁地区农科所筛选的杀虫 素 48，上海昆虫研究所筛选的杀虫素 44 号等，均具有很大的研发潜力3。 2.4 除草农用抗生素 除草农用抗生素又称为除草素，自田 村、竹松

14、（日本）等（1970）首次发现放 线菌酮具有除草活性以来，虽然研究开发 的除草素很多， 但除日本明治制药公司研究的 由绿色产色链霉菌（S. viridochromeogenes Waksman & Henrici）产生的双丙氨膦 （bilanafos）产业化成功外，其它均未实 现产业化9。但是这种情况并没有减退人 们对除草素的研究和开发热情，世界许多 大公司仍不遗余力地从事除草素的筛选、 研究工作，一方面寻求新型的除草农用抗 生素，另一方面通过对其结构进行研究寻 求新的具有除草活性的化学结构，为设计 新的化学除草剂提供有价值的开发资源3。 徐文平等（1999）在筛选新农用抗生 菌过程中，发现一

15、放线链霉菌发酵产物中 4 个组分具有极强的杀草活性。经分离鉴 定，其中 3 个为环己酰亚胺类化合物，另 一个为非环己酰亚胺类新化合物10。 目前 应用最广的除草剂草甘磷系列也是 以抗生素Phthoxzaollin为先导化合物为模 板合成的4。 3 农用抗生素常用研究方法 3.1 农用抗生素的筛选 在农用抗生素筛选方面，过去的筛选 模型主要有两种：一是室内筛选，采用平 皿拮抗测定模型，该模型与盆栽植株测定 相关性太低，更不能反映内吸、植物体内 运输等生态效应，往往造成漏筛；二是盆 栽（或田间小区）植株防效测定模型，盆 栽植株测定虽然比较接近田间防效，但工 作量太大，筛选工作效率太低。因此必须 研

16、究和改进农用抗生素的初筛模型，以提 高筛选的准确性和筛选效率11。 由于能够产生新型抗生素的放线菌 的生活范围相当广泛，直到 20 世纪 60 年 代中期，不需要复杂的方法便能分离到这 些菌株。当时的筛选流程通常是依赖有效 的工厂式的操作，微生物学家在筛选过程 中根据生产菌株的形态学和它们的抗菌 谱挑选分离出许多链霉菌用来生产抗生 素和作为可能产生新的抗生素的候选者， 然后抗生素物质被提纯、描述和鉴定。然 而，随着天然产生的抗生素的数量不断增 加， 发现新的抗生素已变得越来越困难。 因 此， 创新筛选新抗生素的方法势在必行。 新 抗生素的筛选可以从以下方面考虑12： （1）稀有放线菌作为筛选资源 稀有放线菌通常是以较小的数量存 在于土壤的微环境里，为了提高它们的分 离几率，选择压(抗生素)的使用已取得了 111 良好效果。在缺少选择压的培养基里，一 些长得较快的普通微生物体会长满整个 平板。例如，游动放线菌属通常对新生霉 素有抵抗性而对 NaCl 却很敏感，因此可 以在加入新生霉素以抑制其