微生物农药研发应用Word格式.docx
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五、病毒杀虫剂的优点
1、宿主特异性高,能杀灭害虫而不影响害虫的天敌;
2、不会污染环境;
3、后效作用明显;
4、昆虫病毒制剂生产容易、使用方便、成本低廉、适于推广。
六、病毒杀虫剂的缺点
1.杀虫范围太窄
2.生产困难
3.作用速度较慢
七、病毒杀虫剂在害虫防治上的应用
我国至1990年已从188种昆虫中分离到220多株病毒,其中110株为我国首次分离获得.迄今,在世界各国至步有6O多种病毒进人大田进行防治农林害虫的试验,3O多种病毒杀虫剂进行了登记、注册和生产应用.目前研究较多、应用较广的是核型多角体病毒(NPV)、颗粒体病毒(GV)和质型多角体病毒(CPV).我国迄今已有20种病毒进人大田试验。
如斜纹夜蛾NPV、油桐尺蠖NPV(又名大尺蠖,茶树的一种致病昆虫)、松毛虫CPV均属“七五中试生产研究内容,棉铃虫NPV杀虫剂已进人批量生产,其他的如茶毛虫NPV、茶小卷叶蛾GV、草原毛虫NPV、茶蚕GV等相继进人大田试验.由于病毒杀虫剂具有致病力强、专一性强、抗逆性强和生产简便等优点,发展前景十分广阔,但也还存在着许多问题,如病毒的工业化生产还有困难,病毒多角体在紫外光及日光
下易失活等,这都需要进一步的研究并加以解决。
注:
松毛虫培养在采用林间围栏的方式进行培养时,受地域、温度、季节等的因素而影响产量。
八、现阶段,病毒杀虫剂的研究方向
1、昆虫病毒蛋白质祖学和功能基因组学。
2、昆虫病毒的进化生物学研究。
3、昆虫杆状病毒表达载体系统研究。
4、基因工程病毒杀虫剂的构建。
通过从基因方面入手,实现病毒杀虫剂的工业化生产,提高病毒杀虫剂的产量和作用效果。
第二节核型多角体病毒(NPV)
核型多角体病毒是昆虫病毒中最常见的一种。
已知可感染7个目中284种昆虫。
(一)核型多角体病毒的概述
一、核型多角体病毒的一般形态
具有较大的包涵体,称为多角体,外观呈四、五、六角型、不规则型等。
如粘虫病毒为六角型,家蚕病毒为十二面体。
依据所包埋的病毒粒子的多少,可将核型多角体病毒分为多核衣壳核型多角体病毒(MNPV)和单核衣壳核型多角体病毒(AcMNPV)。
核型多角体的直径为0.5—15um,病毒粒子的直径为20—70nm,长约200—400nm。
粒子呈杆状,核心为双股DNA。
二、核型多角体病毒的理化性质
核型多角体病毒的主要成分是蛋白质,不同种的多角体所含氨基酸组分基本一致,核型多角体对于不同的化学药剂具有相当高的抵抗力,不溶于水及多种有机溶剂(如乙醇、丙酮、乙醚等),不为细菌或细胞蛋白酶所分解,但若以强酸或强碱溶液处理则会溶。
多角体若被食入易感虫体内,能在中肠内碱性肠液中溶解并释放出粒子。
三、昆虫感染核型多角体病毒后的表型
昆虫感染核型多角体病毒后,食欲减退、行动迟缓、躯体变软、组织液化,有些昆虫会爬往枝头,所以又称为“梢头病”、“树顶病”。
死后虫体腹足紧握枝头或枝叶,虫体下垂,倒挂枝条上,死虫皮肤脆弱,极易破裂,流出白色或褐色稀糊状液体。
(二)杀虫机理(自学或同学讲解)
病毒杀虫剂的机理在于利用其天然存在的致病性。
(三)核型多角体病毒的改造
由于野生型病毒普遍存在杀虫速度慢、效力不高等缺陷,很难进行工业化生产。
随着基因工程技术的发展,人们开始尝试对野生型病毒进行各种改造,以构建性能优良的重组病毒杀虫剂。
1、缺失核型多角体病毒非必需基因以增加杀虫效果
2、插入昆虫自身存在和产生的激素和酶的基因以提高杀虫速度
3、插入昆虫毒素基因和细菌毒素基因以提高杀虫速度
4、插入植物来源基因以提高杀虫速度
5、修饰病毒本身基因以扩大杀虫谱
第三节质型多角体病毒(CPV)
质型多角体病毒也是包涵体病毒,这和核型多角体病毒一样,但它所含的核酸为RNA。
质型多角体病毒可感染的昆虫种类仅次于NPV,我国已发现的有家蚕和赤松毛虫,马尾松毛虫质型多角体病毒。
(一)质型多角体病毒的概述
一、质型多角体病毒的一般形态
质型多角体外观呈四、五、六角型、不规则型等。
质型多角体的直径约为0.5—25um,因病毒种类、感染时间长短、在细胞中形成的数量等而有很大的差异。
一个多角体可包埋1—1000个病毒粒子。
病毒粒子为正二十面体,表面有由四节管组成的突起。
病毒粒子的大小在60—70nm之间。
二、质型多角体病毒的理化性质
质型多角体病毒不像核型多角体那样稳定,质型多角体虽不溶于水,但在水中经较长时间可被溶解。
在碱液中的溶解度比核型多角体病毒的溶解度小,如以稀碳酸钠也处理能失去病毒粒子,留下不溶解的多角体呈多孔状。
如溶解后,不像NPV那样留下膜。
质型多角体也由蛋白质构成,除此之外还含有3%左右的硅。
三、昆虫感染质型多角体病毒后的表型
昆虫感染核型多角体病毒后,表现活跃,急躁,肠道硬化、肿大并呈乳白色,大便石灰色。
死后不倒挂,体型缩小,头、胸、腹不呈正常比例,皮肤完好,不液化。
四、质型多角体病毒的潜育期
核型多角体病毒的潜育期一般在5-7天,而质型多角体病毒的潜育期一般是7-20天,比NPV长得多。
但对两种病毒来说,潜育期长短的影响因素却是相同的,一般都与昆虫的种类、昆虫的发育阶段、病毒毒力、病毒数量、和环境温度等条件有很大的关系。
五、
(二)质型多角体病毒的研发与应用
对质型多角体病毒的最初研究,我国是从家蚕的病害研究开始,现以从30种昆虫中发现了质型多角体病毒,如马尾松CPV、棉铃虫CPV等。
我国利用质型多角体病毒防治害虫取得了较好的效果,如山东利用赤松毛虫CPV大面积防治赤松毛虫,广东和云南等地分别利用马尾松CPV和文山松毛虫CPV来防治松毛虫都取得了满意的效果。
在生产上采用直接感染宿主昆虫增殖病毒,最简便的方法是在病虫害大面积发生时将病毒喷洒在植物上,然后收集病死虫。
中科院武汉病毒所彭辉银等人成功研究“生物导弹”新技术,防治松毛虫获得可喜的成绩。
第四节颗粒体病毒(GV)
自从1926年法国的Paillot发现昆虫颗粒体病毒以来,至今至少有684种昆虫被描述患有颗粒体病毒病,我国已发现有颗粒体病毒的昆虫寄主有黄地老虎、小菜蛾、菜粉蝶等。
GV的感染途径和传播方式是昆虫病毒学研究的主要内容之一,经卵传递、感病成虫的飞迁移,寄生蜂和捕食昆虫,以及食虫鸟类的传播;
GV的离体传代一直是一件困难的工作。
起初,人们试图从颗粒体病毒复制的组织器官中去筛选具有感染性的细胞系,未成功。
经过长期探索较多成功的体外复制离体系统大多是在胚胎来源的细胞中建立的。
(一)颗粒体病毒的概述
一、颗粒体病毒的一般形态
颗粒体呈椭圆形,表面和边沿不甚整齐,中部稍凹陷,略弯曲,其大小为330~500×
200-290nm。
颗粒体包含着一个杆状病毒粒子,大小为200-290×
45-55nm。
二、颗粒体病毒的理化性质
不溶于水及多种有机溶剂(如乙醇、丙酮、乙醚等),遇强酸或强碱,包涵体会迅速溶解,并可使病毒粒子变性而失去侵染力。
完整的颗粒体病毒在70-75℃间能存活10min,高温条件、紫外或其他辐射线的照射也能使完整的病毒失活。
低温、干燥状态下对未提纯的颗粒体病毒保存4年以上仍有感染力。
(二)颗粒体病毒的侵染后的表型
感染病虫的鳞翅目幼虫食欲不振、行动迟缓、体节肿胀,虫体腹面逐渐变色呈苍白色或乳黄色,这是由于在脂肪体中产生了大量的病毒颗粒所致;
皮肤上常见斑点,体色变为黄绿色,体壁常常变软或内含物液化,死虫表皮脆软易破,流出乳黄色乳状液;
死虫死时倒挂树枝,呈“八字”型,后期体色变黑。
(三)颗粒体病毒的增效蛋白(En)
1、颗粒体病毒增效蛋白的发现
1959年,Tanada实验
美洲黏虫颗粒体病毒活体失活致死率提高
美洲黏虫核型多角体病毒活体失活对毒性无影响
致死率提高
人们将在美洲黏虫颗粒体病毒中鉴定并纯化出一种蛋白质,并将这种蛋白质命名为增效蛋白。
2、颗粒体病毒增效蛋白的相关性质
到目前为止,已通过活性生物测定发现了11种病毒中存在增效蛋白成分,这些蛋白均为糖蛋白,大小范围在38-126ku,它们均为酸性氨基酸,并且均含有金属蛋白酶-锌结合域。
所有的增效蛋白之间的空间结构比较相似。
3、颗粒体病毒增效蛋白的作用机理
关于颗粒体病毒增效蛋白的增效机理,学术界有几种观点,现在比较认同的观点是认为颗粒体病毒增效蛋白是破坏围食膜的一种蛋白水解酶。
围食膜是无脊椎动物所特有的一种半透性膜状结构,昆虫的围食膜是由中肠细胞分泌形成的,根据分泌细胞在中肠所处的位置,可将围食膜分为Ⅰ型和Ⅱ型.由于围食膜紧贴中肠内壁,包裹着食物,因此具有保护中肠上皮细胞和有助于食物消化吸收的功能。
围食膜主要是由几丁质和蛋白组装而成,其中的黏蛋白IIM(通过二S键与围食膜几丁质网状基质紧密相连)是颗粒体病毒增效蛋白的作用底物。
由于增效蛋白能够降解黏蛋白IIM,增加了围食膜的通透性,使病毒粒子更容易通过围食膜,从而提高了病毒的治病率。
4、增效蛋白基因工程研究
今年来,人们致力于构建含有增效蛋白的重组型颗粒体病毒,可以有效提高杀虫效率。
在构建工程菌的过程中,出现多种问题:
如,加入增效蛋白基因后,重组病毒的形成数目大为减少,且形态也减小。
经过工作者的努力,得到了既加入了增效蛋白基因又能形成正常病毒的重组体。
除此之外,人们还将增效蛋白基因加入到一些工程菌中,得到产增效蛋白的工程菌,或将增效蛋白的基因片段插入到植物基因中,得到转基因植物。
(四)颗粒体病毒的应用
颗粒体病毒的应用不及NPV广泛,主要用于防治菜青虫、小菜蛾、及黄地老虎等。
近年来,运用颗粒体病毒来防治虫害的效果显著。
如北京林业科学院生物防治研究所经过多年研究,批量生产了杨扇舟蛾颗粒体病毒,该病毒对3龄以上的杨扇舟蛾幼虫治病力很高,从而控制了杨扇舟蛾害虫大面积发生;
另外,中国新疆农业科学院微生物研究所对黄地老虎颗粒体病毒进行了20年的研究,发现使
黄地老虎高频率死亡的颗粒体病毒。
除了单一的利用某一种颗粒体病毒来防治害虫之外,人们还将它与其它农药或多角体病毒复合使用以增加防治效果,如新疆一农科所就运用多种病毒混用来防治病害,大面积实验证明,对棉花、番茄、辣椒、豆类等作物使用后棉铃虫等鳞翅目害虫的危害率控制在5%以下,经济效果显著。
第三章细菌杀虫剂
第一节细菌杀虫剂的研究开发现状及应用前景
细菌杀虫剂(Bacterialinseeticide)是利用对某些昆虫有致病或致死作用的杀虫细菌所含有的活性成分或菌体本身制成的,用于防治和杀死目标昆虫的生物杀虫制剂。
杀虫细菌主要来自芽孢杆菌科(Bacteriaceae)、假单孢菌科(Pseudomon.
adaceae)、肠杆菌科(Enterobacterlaceae)、乳杆菌科(Lactobacillaceae)和微球菌科
(Micrococcaeeae)等细菌类群。
与其它类型的杀虫剂比较,细菌杀虫剂有独特的作用方式和杀虫机理:
通过营养体、芽孢在虫体内的繁殖以及通过产生生物活性蛋白毒素等途径来致死目标昆虫。
另外,细菌杀虫剂还有如下一些特点:
具有一定的特异性及选择性的杀虫作用,对人、畜及非目标昆虫安全;
由于杀虫活性蛋白的多样性,昆虫产生抗性较缓慢;
通过发酵法生产,具相对较低的生产成本及产品登记费用;
可通过生物技术途径筛选或构建综合优良性能的菌株,从而不断改善产品的性能。
由于具有以上特点,细菌杀虫剂自问世以来发展较快,已成为生物农药家族中的主导产品。
全世界已商品化的生物农药约有30多种,到90年代初的销售额约1.2亿美元,其中细菌杀虫剂占90%以上。
目前细菌杀虫剂已发展成有一定规模的产业,全世界约有30多个国家的100多家公司共生产约150多个品种的细菌杀虫剂,已逐渐应用于蔬菜、林业、园艺、卫生害虫及农业等领域的害虫防治中。
目前,对细菌杀虫剂的研究利用主要集中在几个方面:
1、筛选自然界新的杀虫细菌菌株,以寻找更多、更新的杀虫资源;
2、应用分子生物学原理和技术,构建杀虫谱更广、毒力更强的生防菌株;
3、将杀虫基因转入到多种作物体内,形成抗虫的转基因作物。
应用细菌杀虫剂防治害虫虽然取得了一定的成功,但目前在世界杀虫剂市场中以苏云金芽孢杆菌杀虫剂为主的整个细菌杀虫剂的销售份额仅占极小的比例,不足1%,且在应用上主要局限在棉花、蔬菜、水果以及林业等领域的虫害防治,而在其他农作物上的使用较少。
这主要是由于目前细菌杀虫剂产品还存在一些不足之处,如:
杀虫谱较窄,不能对在作物内部取食的害虫起作用,在水域作用效果差;
在阳光照射等环境因素的影响下,杀虫活性成分的有效期短;
在土壤其他微生物的作用下容易失效等。
这些方面客观上影响了细菌杀虫剂的应用范围和使用效果,同时也为细菌杀虫剂今后的改进方面提供了方向。
已知的杀虫细菌约有100多种,但被研制出产品并投入使用的主要是其中的4种,即苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)、球形芽孢杆菌(Bacillussphaericus)、日本金龟子芽孢杆菌(Bacilluspopilliae)和缓病芽孢杆菌(Bacilluslentimorbus)。
前
2种属兼性杀虫芽孢杆菌,它们既能在人工培养基上生长,亦能在昆虫体内繁殖;
后2者属专性杀虫芽孢杆菌,它们一般要在昆虫寄生体内才能生长并形成有侵袭力的芽孢。
另外,也有少数其它芽孢杆菌及个别无芽孢的细菌发展成产品。
第二节苏云金芽孢杆菌
一、发展历史
1、世界发展历史
时间(年)
事件
1901
石渡发现家蚕猝倒病
1911
德国人Berliner命名
1927
Mattes地中海粉螟
1938
法Sporcine第一个商品制剂
1953
Hannay伴孢晶体
1959
β-内毒素
1970
美国的HD公司HD-1
1977
Bti医学
苏云金芽孢杆菌线虫、防病、抗癌等领域,106年,在各个学科,如生理学、昆虫学、微生物学、分子学等的共同研究下,成就了今天苏云金芽孢杆菌研究的“繁荣”,关于研究苏云金芽孢杆菌方面文章的发表全世界是数以万计。
2、中国发展历史
1941
蒲蛰龙菜青虫
解放初
孟雨法国
1955
曹骥法国商品分离、Lab杀虫
张履鸿(苏)刘崇乐(福建)捷克引进-玉米螟
1961
彭中允(苏)
1965
武汉、长沙生产(中国Bt城)
1986
“七五”公关、火炬、技改
蒲蛰龙教授是中山大学第一位中国科学院院士(前称科学院学部委员),是我国著名的昆虫学家,对我国的生物科学和生态农业,特别是害虫生物防治、综合防治,为农田环境的改善和农业持续发展树立典范,誉称为中国生物防治之父,为生物科学技术的发展做出了重要的贡献。
刘崇乐《中国苏云金杆菌的五十年》;
3、杀虫谱发展史
对象
鳞翅目(蝶、蛾)
双翅目(蚊子)
1980s
鞘翅目(甲壳虫)、线虫
1990s
螨虫、原生动物
1998
肿瘤癌细胞
随着深入的研究,发现了Bt的广泛运用。
二、形态特征及生理生化
1、形态特征(P26)
周生鞭毛(无)、G+、H抗原、O抗原
芽孢:
石炭酸复红、孔雀绿(菌株保存方式)
芽晶:
芽孢抗逆,、晶体形态有菱形、圆形、方形、椭圆形、不规则形,有一个(几个)
毒素(能杀虫)、无毒(能抗癌)。
2、生理生化
菌株对营养物质的要求不高,一般农业上的废弃物或普通的碳氮源都可用来作为培养基的组分,这使得发酵生产的成本可有所降低。
碳源:
葡萄糖、蔗糖、淀粉、糊精等;
N源:
牛肉膏、蛋白胨、花生粉、玉米浆、鱼粉等;
无机盐:
K2HPO4、MgSO4、CaCO3;
主要元素有磷、硫、镁、铁、钾、钠、钙、微量元素有锌、硅、铁所需很少,水杂质即可满足需求,多了反而成为毒素。
温度:
10-40℃,27-32℃适宜,35-40℃生长很快,但易衰老,温度太低则生长缓慢。
pH:
最适值7.5;
≥8.5或<5时,不能形成芽孢,
O2:
好O2
紫外线、抗生素及化学物(放线菌素D、氯霉素、红霉素、乳化剂)对菌株都有抑制作用,这些都与普通细菌的特征相似。
三、生物活性物质
1、作用机制
1)内毒素的作用机理
其毒素的作用一般通过毒害胃肠组织,因此,必须由敏感昆虫通过吞食苏云金芽孢杆菌的晶体毒素和芽孢后才能生效。
它们感染的主要途径是:
从口腔经食道、嗉囊而至中肠;
破坏中肠后,细菌侵入体腔,使血液pH发生变化;
菌体进一步繁殖后就引起幼虫败血症及全身瘫痪而致死亡。
以ICP为例:
①感染型昆虫幼虫摄入孢子和ICP
②ICP在碱性中肠中解离
③ICP被蛋白酶活化
④活化了的ICP和C-端区域与中肠细胞膜的专化受体不可逆结合
⑤活化的毒素的N-端区域插入到细胞膜中,肠膜中形成孔道,接下来上皮破坏,消化系统瘫痪
⑥孢子萌发,虫体患败血病
⑦幼虫因饥饿或败血病死亡
2)外毒素的作用机理
外毒素(是RNA聚合酶的抑制剂,在各个生化过程中与ATP起竞争作用)的毒性比内毒素要低,而且它的作用仅在昆虫蜕或变态是可以明显看到,这种毒素可杀死多种昆虫或使昆虫的幼虫发育不正常,虫体的某些部分发育残缺不全等。
据推理,外毒素的杀虫机理可能是通过它对昆虫体内DNA的合成,从而影响昆虫的生长发育,使其不能蜕皮或羽化,造成昆虫的畸形或死亡。
2、活性因子(P27)
胞外因子:
几丁质酶、磷酸酯酶C、溶血素、VIP杀虫蛋白、双效菌素、苏云金素。
胞内因子:
杀虫晶体蛋白、免疫抑制因子A、肠毒素,活芽孢。
1)几丁质酶
几丁质酶是最早从苏云金芽孢杆菌中发现的可溶性胞外蛋白类杀虫活性物质。
几丁质酶单独作用时对昆虫的杀毒活力并不高,与晶体蛋白结合,降低昆虫中肠细胞对杀虫晶体蛋白的抵抗力,然后杀虫晶体蛋白进一步作用形成中肠膜穿孔,从而导致昆虫的死亡。
2)磷酸酯酶C
磷酸酯酶C对昆虫肠道均有破坏作用,有助于细菌侵入血腔并繁殖。
但对人体和动物细胞有一定的杀伤作用,因此限定了磷酸酯酶C的杀虫应用价值。
3)VIP杀虫蛋白(从对数期开始分泌,直到稳定前期达到最高峰)
是种广谱杀虫剂,它通过与敏感昆虫中肠上皮细胞受体结合,是中肠溃烂而产生昆虫致死现象。
4)杀虫晶体蛋白(ICP)
ICP是苏云金芽孢杆菌制剂的主要杀虫活性成分,又叫δ—内毒素或伴胞晶体,它的基因大多数位于质粒上,少数存在与染色体上,一个质粒常常携带一个到多个ICP基因。
自从1981年Schnepf克隆第一个ICP基因以来,新杀虫剂晶体蛋白基因不断地被发现、克隆并得到应用。
截止到2006年,这些基因按核苷酸序列的同源性已被分为53类,373种,其中cry基因349种;
cyt基因24种。
这些基因的命名规则为:
分别用阿拉伯数字、大写英文字母、小写英文字母和阿拉伯数字来表示,并在前面加上cry后均为斜体书写,如:
cry1Ac10。
现有的ICP对鳞翅目、双翅目、鞘翅目等10个目的节肢动物门昆虫具有不同程度的生物活性;
5)芽孢
芽孢是苏云金芽孢杆菌生长到一定阶段形成的特殊的休眠体结构,芽孢的外层芽孢衣富含二硫键,可抵抗溶菌酶的消化,起保护作用。
已发现对鳞翅目幼虫有毒性的芽孢类型有活芽孢、死芽孢、芽孢衣和芽孢外套。
单独的芽孢毒力很低,需要有杀虫剂体蛋白协同作用
3、活性谱
苏云金芽孢杆菌的杀虫活性谱非常广,现已发现至少有节肢动物门10个目和原生动物门、扁形动物门、线形动物门等有害生物具有毒杀活性。
杀蚊子基因:
cry4A、cry4B、cylLA,这些是77年以后发现的一系列杀蚊子的基因;
杀线虫和原虫基因:
cry5、cry6、cry7、cry8,目前中国的南开大学从800多株菌中发现了8株株菌有杀线虫活性,特别是对松、蚕的线虫很有效;
因此,这成为我国未来的研究课题;
很多的基因运用于转基因植物,并且相当的成功。
抗虫棉,中国是即美国以后第二个具有知识产权的产抗虫棉国家,我们将基因转到棉花上,通过棉花杀死棉铃虫,从而使原来由于棉铃虫而引起的经济损失大大减少;
除此之外,Bt抗虫基因还被转基因到玉米、林业等植物基因中,从而起到防治害虫的作用。
四、分类鉴定及命名
1、鉴定及分类
1生理生化:
碳源、氮源、酶、代谢物(共23个指标)
2酯酶电泳(看电泳图谱)
3H抗原
4PCR
前三种是20年前的方法,前两种缺陷:
不同亚种的生理生化指标可能是相同的,而同一亚种的反而不同,这造成了一个假象。
PCR技术的发明人一般公认为是Mullis,他也因此获得了1993年的诺贝尔化学奖。
PCR是体外酶促合成特异DNA片段的方法,主要由高温变性、低温退火和适温延伸三个步骤反复的热循环构成:
即在高温(95℃)下,待扩增的靶DNA双链受热变性成为两条单链DNA模板;
而后在低温(37~55℃)情况下,两条人工合成的寡核苷酸引物与互补的单链DNA模板结合,形成部分双链;
在Taq酶的最适温度(72℃)下,以引物3’端为合成的起点,以单核苷酸为原料,沿模板以5’→3’方向延伸,合成DNA新链。
这样,每一双链的DNA模板,经过一次解链、退火、延伸三个步骤的热循环后就成了两条双链DNA分子。
如此反复进行,每一次循环所产生的D
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