植保生物技术在虫害方面的应用_植保生物技术复习资料
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植保生物技术在虫害方面的应用
姓名： 藏旭阳指导老师：张 新
摘要：从植物生物技术实用化时代开始的 1983 年至今，植物生物技术的发展已经历了 30 年的历史，从实验室走到了大田，证明了其对粮食和饲料生产的作用． 正式进入商品化应用 16 年，生物技术作物的全球种植面积已从 1996年的 170 万 hm2提高到 2012 年的1.7 亿 hm2。随着科学技术的发展，生物技术及其应用范围在植物保护中不断的改进，可以期待它在新型的可持续发展农业中将发挥更大的作用。本文从分子生物学技术、发酵技术、植物基因工程技术、遗传工程与生物防治等方面综述在病虫害生物防治中的应用。关键词: 植物生物技术；生物技术作物； 植物保护；分子生物学技术；发酵技术；植物基因工程技术；遗传工程
Application of biotechnology in the insect pest of plant
protection
Abstract: Since the succe of transferring a foreign gene into plants and the expreion of the incorporated gene in the transgenic plant genome in 1983，plant biotechnology has been developing for 30 years．From researches in the laboratories to practical applications in the farms，the importance of this new tech-enology in the production of food and forage has been proved．In the year of 2012，the areas of biotech crops planted reached 170 million hectares，compared with 1.7 million hectares in 1996，the first year when commercialized transgenic crops were adopted globally.With the development of science and technology, continuous improvement in crop protection biotechnology and its application range, can expect it will play a more important role in the agricultural sustainable development.This paper from the aspects of molecular biology technology, fermentation technology, plant gene engineering technology, genetic engineering and biological control of pest biological control in pest.Key words: plant biotechnology;bio-tech crop;Plant protection;Molecular biology technique;fermentation technology;plant gene engineering technology;genetic engineering
随着分子生物学、遗传学、细胞生物学、生物化学、信息科学等现代科学和相应技术的迅猛发展，DNA 体外重组、异源基因导入以及在不同生物体系的表达在 20 世纪 70 年代开始得以实现，并逐步应用于医药产品的生产中。在 1983 年初的国际学术会议上，以及随后在数个国际权威学术刊物发表的文章中，分析报道了美国、欧洲科学家在改造根癌农杆菌 Ti 质粒、构建载体、把细菌或植物的基因导入植物细胞并得以表达的成果，宣布了植物生物技术实用化时代的到来。与传统的农业技术相结合，植物生物技术正在并将在解决人类面临的困境中
发挥重要作用，不仅成为提供足够的粮食、饲料的重要手段，而且随着研究的深入和技术的发展，植物作为药物生产的工厂已经为期不远。
一、应用生物学技术进行害虫抗药性的研究
通过近年来在分子水平对抗性基因的许多研究,目前对抗性机理的分子基础已逐渐有所了解。在一些方面取得了丰富的研究成果,例如:芮昌辉等(1996)利用RAPD技术分析了棉铃虫对三氟氯氰菊酯抗性的遗传方式,通过筛选出的3个随机引物在R和S两亲本之间共扩增出47条DNA带,其中差异带达27条;初步筛选出与抗三氟氯氰菊酯有关的RAPD分子标记3个,即OKG4-1300、OPG6-1450、OPG8-535,它们能同时出现于R亲本和正反交F1代中,而在S亲本中不出现,与抗药性遗传方式的测定结果一致,证明了这种方法的可靠性。Raymond(1991)用此技术研究了库蚊(Culexpipiens)对有效磷农药抗性产生和扩散的机制,证明导致库蚊抗性产生的酯酶B2基因的扩散具有单一起源,并通过迁飞扩散到不同地区。在许多情况下,抗性的产生是由于昆虫对杀虫剂的代谢能力提高。代谢杀虫剂的解毒酶一般使有毒的外来化合物经过氧化、还原或水解后,其产物的水溶性增高,使它们更容易从昆虫体内排出。解毒酶包括细胞色素P450氧化酶系、水解酶(酯酶)及谷胱甘肽s2转移酶。
目前对酯酶分子结构和基因结构已经弄清,对其酯酶基因的扩增机制已有了深入了解。不同类农药的靶标受体基因均已进行克隆,如钠离子通道基因,目前已利用高等动物钠离子通道基因作探针,分离到了昆虫中钠通道基因。另外还有GABA受体复合体、乙酰胆碱各型受体基因、乙酰胆碱酯酶基因、激素受体、Bt受体等。昆虫细胞色素P450的研究也深入到分子水平。P450活性提高在许多杀虫剂抗性中具有重要作用,然而与P450相关的抗性分子基础了解的尚少。随着对P450分子基础的深入研究,将会以本质上阐明昆虫P450与抗药性的关系,并深层次揭示昆虫生理生化及其与环境的适应性之间的联系。
二、发酵技术的应用
微生物发酵生产的抗生素已在植物保护上的广泛使用。我国于1959年引进苏云锦芽孢杆菌杀虫剂,简称Bt杀虫剂。1965年,在武汉建成国内第一家Bt杀虫剂工厂,开始发酵Bt杀虫剂,代号叫“青虫菌”；随后我国自己筛选Bt菌株并生产。Bt杀虫剂是一种对人安全的杀虫剂,已在绿色食品及无公害农产品生产上发挥了重要的作用。
目前我国已成为世界上最大的井冈霉素和阿维菌素生产国。这两种抗生素是用不同种的链霉菌发酵生产的。阿维菌素是一种超高效的杀虫生物农药,每公顷用量仅3000～7500mg。主要用于防治小菜蛾、潜叶蛾、螨类等害虫。
三、植物基因工程技术
3.1 植物基因工程技术概况
植物基因工程技术是利用生物或物理化学的手段将目的基因导入植物细胞,以获得人们需要的转基因植物的一项基因工程技术。植物的遗传转化目前可分为间接转移和直接转移两类,通过染色体DNA的Southern分析、多聚酶链式反应技
术等方法可检测基因转移是否成功。
3.2 植物抗逆基因工程
1983年,转基因植物(烟草和马铃薯)首次诞生。不到几年时间,科学家们就培育出了数十种具有抗虫、抗病毒和抗除草剂的农作物新品种。一些重要农作物品种,并在生产上推广用,如棉花、烟草、大豆、花生、油菜等都包括在内。在1989年10月至1991年4月,由美国农业部和环保局批准的47个转基因工程植物大田试验中,抗虫和抗除草剂的转基因工程作良种就有30种。因此,植物基因转移首先能在生产上应用的就抗虫、抗病和抗除草剂良种。.2.1 抗虫育种
通过基因转移提高植物的抗虫性。云金杆菌是昆虫病源微生物中用来进行害虫防治最广谱的1种,可防治80多种农林害虫,杀虫效果达80%以上的有20多种。利用基因工程技术将苏云杆菌病毒素中杀虫活性最高的δ内毒素基因转移到烟草、番茄、棉花等作物上,使δ内毒素基因在这些作物上表现出来,鳞翅目昆虫的幼虫取食这些作物就会中毒死亡。现已从豌豆、豇豆、慈菇中分离到蛋白酶抑制剂及其基因,也得到了抗虫基因工程植株。国外把抗虫基因导入欧洲黑梅,得到的转基因欧洲黑梅可使取食的舞毒蛾和杨尺蠖死亡率高达100%。植物抗虫基因工程在烟草、番茄、马铃薯、玉米、水稻、油菜等20多种植物中都取得了重大成果,能抗烟青虫、杨尺蠖、舞毒蛾、玉米螟等昆虫。
3.3 微生物农药
生物技术在微生物农药开发中的应用,能够代替化学农药而起到防治害虫的效果。微生物农药是公认的“无公害农药”,防治对象不易产生抗药性,不伤害天敌；繁殖快,能利用农副产品甚至工业废水广泛生产,是综合防治农林病虫害的重要手段。根据用途和防治对象的不同,微生物农药可分为微生物杀虫剂、杀菌剂、除草剂、杀鼠剂和生长调节剂等。诸如假单胞杆菌型、莓力菌杀虫剂以及枯草杆菌杀虫剂等的使用,极大的避免了有机化学农药产生的危害作用。利用昆虫重组病毒防治害虫,可以利用寄生在昆虫体内的昆虫杆状病毒,如果将此病毒的基因中插入和表达外源基因如节肢动物或细菌来源的昆虫毒素、昆虫激素或酶,就能够扰乱害虫内部的代谢平衡,从而达到了灭虫的目的。另外许多微生物农药也在积极的研发过程中,微生物农药的具有非常广阔的市场前景。
四、遗传工程与生物防治
转基因作物，又称基因改良作物，即运用重组DNA 技术将外源基因整合于受体作物基因组、改变其遗传组成后产生的作物及其后代。转基因作物通常含有至少一种非近源种的遗传基因，其抗病虫害或抗逆性显著增强、农艺性状或产品质量显著改善，现已开始在世界范围内得到广泛的应用。1983 年，转基因植物（烟草和马铃薯）首次诞生。1986 年，转基因抗虫和抗除草剂植物开始进入田间试验。1994 年，首批转基因植物产品——延熟保鲜的番茄和抗除草剂棉花在美国获准进入市场销售。至 1998 年 6 月，国外批准商业化应用的各类转基因植物产品（品牌）已近 90 种。其中，大部分都与病虫草害防治有关，例如抗虫（玉米螟）玉米、抗虫（棉铃虫、红铃虫）棉花、抗虫（甲虫）马铃薯等。另据统计，1996 年转基因农作物世界种植面积约为 200 万 hm2，1997 年猛增到 1 280 万 hm2，1998 年又上升到 2 600 万 hm2。在美国，转基因玉米、大豆和棉花的种植面积已分别占各种作物总种植面积的 25%~33.3%。
我国转基因植物的研究也获得了很大的发展。据统计，国内正在研究和开发的转基因植物约 47种，涉及各类基因 103 种。其中与病虫草害防治有关的基因约 62 种。近几年间研究的基因数量和转基因植物的种类又有增加。近年来，转苏云金芽孢杆菌（Bt）杀虫晶体蛋白基因的棉花最为引人瞩目。我国现已育成 10 多个杀虫效果显著、丰产性好、纤维品质优良，适于不同生态条件种植的品种或品系，这些材料已在国内 9 个省市（区）大面积试种、示范和应用。新一代双价抗虫棉（含 Bt 杀虫蛋白和胰蛋白酶抑制剂 2 种基因）品系已进入了大面积示范。我国已成为在世界上独立研究成功转基因抗虫棉，并拥有自主知识产权的第 2 个国家。
抗植物虫害的基因很多,目前经常使用的主要有3种:豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)、植物凝集素基因(1ectin gene)和来源于苏云金芽孢杆菌的杀虫结晶蛋白基因(Bt基因)[2]。其中以植物Bt基因工程方面的研究最多,应用也最为普遍,且发展很快。
五、展望
面对 21 世纪人口、粮食、资源、环境等重大问题的挑战，农业生物技术将会发挥更重要的作用，逐步成为最高活力和最具实力的新兴产业。国外一些科学家已提出了“分子农业”的新概念，并预言以生物技术广泛应用为特点的第二次“绿色革命”即将兴起。与植物保护有关的生物技术无疑将会继续在其中扮演重要的角色。随着抗病虫基因资源的不断发掘利用、植物与病菌相互作用分子机理研究的继续深入，以及生物技术本身的不断发展，21 世纪初除了抗虫、抗病毒和抗除草剂转基因植物走向产业化，植物抗细菌病和抗真菌病基因工程的研究将会取得突破并走向应用。为阻止病虫对转基因植物产生抗性，将会设计和应用新的分子策略，通过病菌或昆虫本身的基因操作有可能找到消灭病虫的新方法，由于对有益病毒、细菌和真菌分子生物学研究的深化，生防微生物的遗传改良将更有成效，遗传工程微生物农药将成为生物防治的重要手段，基因工程与传统技术的结合将会推动病虫害综合防治步入一个新的发展阶段。
六、参考文献
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