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我国生物除草剂发展现状与存在的主要问题


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我国生物除草剂发展现状与存在的主要问题
中国农药网  2017/2/11 14:05:50   来源:中国农药网   【大 中 小】

  当前我国化学除草面积已占其播种面积的60%,基本上形成了以化学防除为主体的杂草防除技术体系。特别是近年来世界除草剂的原药生产纷纷向中国转移,中国已经成为世界主要的除草剂生产国和出口国,虽然我国已经成为除草剂生产大国,但不是强国,因为目前市场上大宗的除草剂品种均为仿制国外的已过专利保护期的现成技术产品。不过,近年来由于知识产权保护问题,仿制已经不能适应除草剂产业发展的要求。目前,具有中国自主知识产权的除草剂品种相对较少,已经开发出的为数不多的产品,还是在国外已经发现了的分子结构及作用靶标的基础上,避开专利保护而加以结构修饰和筛选的,可选择的余地十分狭小,因而,市场竞争力不强。究其原因,是由于我国没有掌握分子原初作用靶标的核心技术,因而,要开发具有市场竞争力的我国自主知识产权除草剂新品,需要从分子结构与作用靶标的基础研究做起。

  我国国内的市场规模仅占全球农药总市场的20%左右,但是,随着农业劳动生产率的提高,除草剂使用的绝对量和在农药中所占的比例正逐年增加。大量化学除草剂的使用带来了严重的残毒和环境污染问题,直接危害到人畜健康和影响农业可持续发展战略的实施,同时也是农产品无公害化生产中的一个重要障碍。发展无公害农业,生产绿色和有机食品需要生物农药,在我国绿色食品生产标准中已明确做了规定,国际农产品出口对除草剂的残留限制也越来越严格。我国目前生物农药产品主要是杀虫剂和杀菌剂,还缺乏生物除草剂配套,直接影响到农产品对无公害农药的要求。

  我国在生物除草剂研究领域同发达国家相比也存在较大差距,但近10年来在国家各级政府部门和科研机构的高度重视下,尤其在“十三五”国家“863”项目的资助下,已初步建立起了我国生物除草剂研究的技术体系,以马唐-画眉草弯孢、稗草-新月弯孢、稗草-禾长蠕孢菌和蟋蟀草平脐蠕孢菌株、加拿大一枝黄花-小菌核菌、空心莲子草-假隔链格孢菌、紫茎泽兰-链格孢菌等菌草体系的研究取得了进展,已经形成了一批具有自主知识产权的生物除草剂技术成果,申请国家发明专利15项,其中,国际专利2项,获得授权6项,已经有2项成果进入商业化阶段。但是由于时间和资金的限制,产品尚处于商品化的初期阶段,需要进一步完善生产工艺、应用技术。

  针对前期有潜力的自主知识产权的技术,根据新农药正式登记和商品化生产的要求,进行深入和升级研究显得十分迫切。总之,我国生物除草剂研究正在整体进入一个以追求自主创新为特点的快速发展新阶段。在“863”重大项目和国家自然科学基金等项目资助下,我国科学家从紫茎泽兰患病植株上分离得到一种链格孢菌,首次发现并报道其菌丝体比孢子具有更强致病性,能杀死紫茎泽兰幼苗。致病主因是产生毒素AAC-Toxin。利用波谱技术对AAC-Toxin的结构解析为3-酰基-5-烷基吡咯烷酮,属于四氨酸类化合物(国家发明专利ZL00112560.5.,200510038263.2;国际专利申请号PCT/CN2005/002367;国际专利号WO/2006/079275)。该毒素具有触杀性、高活性、杀草迅速(3~4天左右)、易降解(在土壤中很快失活)的特性,可以广谱地防除禾本科杂草和阔叶杂草,在83mL/hm2剂量下,防效达90%以上,杀草速度快,类似于百草枯。对其作用靶标和杀草机理的研究结果表明,该成分能够抑制紫茎泽兰叶片光合放氧速率和降低叶片表观量子效率。利用现代叶绿素荧光快速诱导技术、蛋白质电泳技术、同位素标记和竞争结合方法研究后,发现该毒素能够完全抑制光系统II电子传递活性,其主要作用靶标是光系统II的D1蛋白。利用莱茵藻D1蛋白系列突变体和蛋白质库中的信息,结合经典的光系统II抑制剂类除草剂的作用靶标和光合细菌反应中心晶体结构信息,确定其作用靶标是在TeA和QB位点相互作用过程中,D1蛋白上的256位氨基酸起着关键的作用,但其绑定行为不同于其他经典的光系统II抑制剂。因而首次证明TeA是一种新型的天然光系统II抑制剂。根据绑定的生物学原理,针对其结构上的羰基氧、羟基氧和5位的疏水性仲丁基碳链以及3-乙酰基等基团或结构进行生理合理性分子修饰,合成了一系列该毒素的具有生物活性的类似物。这意味着3-酰基-5-烷基吡咯烷酮甚至四氨酸类可能是一种新型光合抑制剂的结构骨架,有可能开发出系列新型仿生化学除草剂(国际专利申请号PCT/CN2006/001315(2006),国际专利号:WO2007033544)。

  目前已经发展了以氨基酸为起始原料,经过与醇酯化、用醇钠中和、与双乙烯酮酰化、在醇钠存在下环化和酸化5步化学反应得到标的化合物的人工合成工艺。由于该方法是在同一反应容器中连续进行,中间产物不需提纯,对生产设备要求简单,操作简便的批量人工模拟合成方法(国家发明专利200610038765.X)。TeA与光系统II的D1蛋白结合,导致光合电子传递链受阻,引起过能量化,并导致叶绿体中活性氧迅速暴发,从而杀死细胞和组织。通过组织化学染色和细胞化学染色试验表明,TeA处理紫茎泽兰叶片后ROS快速产生,在激光共聚焦显微镜下观察到叶表皮上仅含有叶绿体的保卫细胞中存在活性氧。在叶肉原生质体中,明显可以看到仅在叶绿体中产生活性氧,电子自旋共振仪检测出产生的活性氧种类有-OH、O2-·和H2O2,电子显微镜下可以看到,细胞结构的破坏要明显迟于ROS的产生。这些试验研究证明了该毒素可以导致叶绿体中活性氧暴发,引起叶绿素降解、叶绿体结构破坏,大量活性氧扩散到整个细胞中,进一步引起膜脂过氧化、细胞膜破裂、细胞器解体、细胞核浓缩和DNA断裂,导致细胞组织解体,从而杀死杂草。同敌草隆和百草枯这类单一作用位点的传统光合作用除草剂相比,一旦TeA进入叶肉细胞后,也许它的这种多位点作用机制能够导致细胞在短时间内产生更多种类和更高水平的活性氧,从而迅速毁坏细胞而杀死杂草。

  我国生物除草剂发展存在的主要问题

  我国生产除草剂的企业近千家,几乎可以合成生产大多数已经商业化的除草剂产品和相关的剂型。但是,多数厂家规模很小,生产设备和技术监控条件相对较差,由于规模的大公司很少,它们合起来的产值还不抵一家跨国公司的。同时我国尚没有商品化的生物除草剂,因此,相关产业基础十分薄弱。不过,已经有的生物农药公司生产生物杀菌剂或杀虫剂的设备可以加以改造利用。但是,相关的生产和管理标准等软件环境也还需要建立。

  我国在除草剂研究和开发方面的投入,每年不超过7亿元人民币。其中,在研究方面是以国家为主导的科学研究投入为主,也包括企业的部分技术改造和产品仿制的投入,估计约2000万元人民币,用于生物除草剂研究的投入占到约15%。其他均为企业设备和生产开发的投入。这些费用加起来才够跨国公司开发1个新型除草剂产品的费用。国际上除草剂研究开发是以企业为主导。许多中小生物公司在生物除草剂的研发上扮演重要角色,院校研究则多以生物除草剂的基础研究或新技术的研发为主,再转让给公司进行开发。我国目前的研究主力是院校的研究队伍,已经形成了一支在教授和研究员领导下的博士和研究生组成的高层次研究队伍,他们主要承担政府的研究项目和企业委托项目,企业中的研发队伍相对较为薄弱,可能仅有少数几家具有研发能力。

  我国生物除草剂发展趋势和技术需求

  我国具有广阔的市场空间。作为除草剂生产、使用和进出口大国,与发达国家相比仍需加大技术创新力度和提升产业化水平,迫切需要加快生物除草剂高新技术的研究。目前,跨国公司已经看好中国生物农药市场。我们所面对的不仅是国内市场,而且是国际大市场。市场竞争将更加激烈和紧迫。因此,我们必须及早布局,制定政策,加快新产品的研究开发,加速发展规模化的生物除草剂产业。

  发展生物除草剂,从而替代和减少化学除草剂的使用,是有效控制草害、保证农作物稳产高产,保障食品安全和社会稳定的重要物质基础;是减少化学除草剂残留、消除二次污染,改善农业生态、实现环境安全,确保公共安全、生命健康的重要措施;是实现农产品优质安全高效生产,增加农民收入,促进社会和谐和社会主义新农村建设的重要物质保障;同时也将极大地增强我国农产品的国际市场竞争力。

  下一步发展思路、方向和重点任务

  针对国际除草技术及产品的发展趋势,杂草防除中存在的抗性、残留等问题,拟定以下发展思路、方向和任务:

  1. 加强生物除草剂候选生物或代谢物质的筛选

  充分利用我国丰富的植物、微生物以及动物多样性除草资源,针对主要作物农田恶性杂草、重大入侵杂草、林地杂草、水生杂草以及抗药性杂草为防除对象开展系统的生物除草剂候选生物或代谢物质的筛选,构建安全、高活性除草微生物菌株和代谢产物。开展新颖生物源化合物结构、除草作用机制和靶标研究,提高原创性的新除草化合物,特别是广谱、高活性化合物自主知识产权的地位。

  2. 建立国家农药活性化合物及天然产物资源库

  尽快建立国家农药活性化合物特别是天然产物资源库,短期目标是广泛收集我国分离和发现的天然产物,不使自主分离的物质外流,再逐渐扩大范围。

  3. 大力支持开展除草关键作用靶标的发现、除草关键基因发掘等基础性研究

  立足自主原始创新,抢占知识产权保护的制高点。从多种生物中发掘除草作用靶标基因、除草剂抗性基因,针对生物除草剂发展过程中的关键环节,开展除草活性物的代谢途径和关键基因以及生物除草相关基因及其功能研究。

  4. 应用转基因技术解决草害问题

  应用转基因技术,重点培育油菜、大豆和小麦等作物抗除草剂品种并商业化种植,解决这些作物上较为突出的草害、药害和除草成本过高的问题。

  5. 推进生物除草剂产品商业化

  继续对“十一五”期间已经进入商业化和具有较好商品化潜力的产品及技术进行跟踪研究,进一步完善低成本高效规模化生产工艺和应用技术,使1~2个产品成功商品化,填补我国没有生物除草剂的空白,并推动其扩大应用规模。

(中国农药网)



作者:中国农药网    来源:中国农药网     编辑:xwbj    讨论:[农药论坛]
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