當前我國化學除草面積已占其播種面積的60%,基本上形成了以化學防除為主體的雜草防除技術體系。特別是近年來世界除草劑的原藥生產紛紛向中國轉移,中國已經成為世界主要的除草劑生產國和出口國,雖然我國已經成為除草劑生產大國,但不是強國,因為目前市場上大宗的除草劑品種均為仿制國外的已過專利?;て詰南殖杉際醪?。不過,近年來由于知識產權?;の侍?,仿制已經不能適應除草劑產業發展的要求。目前,具有中國自主知識產權的除草劑品種相對較少,已經開發出的為數不多的產品,還是在國外已經發現了的分子結構及作用靶標的基礎上,避開專利?;ざ右越峁剮奘魏蛻稈〉?,可選擇的余地十分狹小,因而,市場競爭力不強。究其原因,是由于我國沒有掌握分子原初作用靶標的核心技術,因而,要開發具有市場競爭力的我國自主知識產權除草劑新品,需要從分子結構與作用靶標的基礎研究做起。

  我國國內的市場規模僅占全球農藥總市場的20%左右,但是,隨著農業勞動生產率的提高,除草劑使用的絕對量和在農藥中所占的比例正逐年增加。大量化學除草劑的使用帶來了嚴重的殘毒和環境污染問題,直接危害到人畜健康和影響農業可持續發展戰略的實施,同時也是農產品無公害化生產中的一個重要障礙。發展無公害農業,生產綠色和有機食品需要生物農藥,在我國綠色食品生產標準中已明確做了規定,國際農產品出口對除草劑的殘留限制也越來越嚴格。我國目前生物農藥產品主要是殺蟲劑和殺菌劑,還缺乏生物除草劑配套,直接影響到農產品對無公害農藥的要求。

  我國在生物除草劑研究領域同發達國家相比也存在較大差距,但近10年來在國家各級政府部門和科研機構的高度重視下,尤其在“十三五”國家“863”項目的資助下,已初步建立起了我國生物除草劑研究的技術體系,以馬唐-畫眉草彎孢、稗草-新月彎孢、稗草-禾長蠕孢菌和蟋蟀草平臍蠕孢菌株、加拿大一枝黃花-小菌核菌、空心蓮子草-假隔鏈格孢菌、紫莖澤蘭-鏈格孢菌等菌草體系的研究取得了進展,已經形成了一批具有自主知識產權的生物除草劑技術成果,申請國家發明專利15項,其中,國際專利2項,獲得授權6項,已經有2項成果進入商業化階段。但是由于時間和資金的限制,產品尚處于商品化的初期階段,需要進一步完善生產工藝、應用技術。

  針對前期有潛力的自主知識產權的技術,根據新農藥正式登記和商品化生產的要求,進行深入和升級研究顯得十分迫切。總之,我國生物除草劑研究正在整體進入一個以追求自主創新為特點的快速發展新階段。在“863”重大項目和國家自然科學基金等項目資助下,我國科學家從紫莖澤蘭患病植株上分離得到一種鏈格孢菌,首次發現并報道其菌絲體比孢子具有更強致病性,能殺死紫莖澤蘭幼苗。致病主因是產生毒素AAC-Toxin。利用波譜技術對AAC-Toxin的結構解析為3-?;?5-烷基吡咯烷酮,屬于四氨酸類化合物(國家發明專利ZL00112560.5.,200510038263.2;國際專利申請號PCT/CN2005/002367;國際專利號WO/2006/079275)。該毒素具有觸殺性、高活性、殺草迅速(3~4天左右)、易降解(在土壤中很快失活)的特性,可以廣譜地防除禾本科雜草和闊葉雜草,在83mL/hm2劑量下,防效達90%以上,殺草速度快,類似于百草枯。對其作用靶標和殺草機理的研究結果表明,該成分能夠抑制紫莖澤蘭葉片光合放氧速率和降低葉片表觀量子效率。利用現代葉綠素熒光快速誘導技術、蛋白質電泳技術、同位素標記和競爭結合方法研究后,發現該毒素能夠完全抑制光系統II電子傳遞活性,其主要作用靶標是光系統II的D1蛋白。利用萊茵藻D1蛋白系列突變體和蛋白質庫中的信息,結合經典的光系統II抑制劑類除草劑的作用靶標和光合細菌反應中心晶體結構信息,確定其作用靶標是在TeA和QB位點相互作用過程中,D1蛋白上的256位氨基酸起著關鍵的作用,但其綁定行為不同于其他經典的光系統II抑制劑。因而首次證明TeA是一種新型的天然光系統II抑制劑。根據綁定的生物學原理,針對其結構上的羰基氧、羥基氧和5位的疏水性仲丁基碳鏈以及3-乙?;然嘔蚪峁菇猩硨俠硇苑腫有奘?,合成了一系列該毒素的具有生物活性的類似物。這意味著3-?;?5-烷基吡咯烷酮甚至四氨酸類可能是一種新型光合抑制劑的結構骨架,有可能開發出系列新型仿生化學除草劑(國際專利申請號PCT/CN2006/001315(2006),國際專利號:WO2007033544)。

  目前已經發展了以氨基酸為起始原料,經過與醇酯化、用醇鈉中和、與雙乙烯酮?;?、在醇鈉存在下環化和酸化5步化學反應得到標的化合物的人工合成工藝。由于該方法是在同一反應容器中連續進行,中間產物不需提純,對生產設備要求簡單,操作簡便的批量人工模擬合成方法(國家發明專利200610038765.X)。TeA與光系統II的D1蛋白結合,導致光合電子傳遞鏈受阻,引起過能量化,并導致葉綠體中活性氧迅速暴發,從而殺死細胞和組織。通過組織化學染色和細胞化學染色試驗表明,TeA處理紫莖澤蘭葉片后ROS快速產生,在激光共聚焦顯微鏡下觀察到葉表皮上僅含有葉綠體的保衛細胞中存在活性氧。在葉肉原生質體中,明顯可以看到僅在葉綠體中產生活性氧,電子自旋共振儀檢測出產生的活性氧種類有-OH、O2-·和H2O2,電子顯微鏡下可以看到,細胞結構的破壞要明顯遲于ROS的產生。這些試驗研究證明了該毒素可以導致葉綠體中活性氧暴發,引起葉綠素降解、葉綠體結構破壞,大量活性氧擴散到整個細胞中,進一步引起膜脂過氧化、細胞膜破裂、細胞器解體、細胞核濃縮和DNA斷裂,導致細胞組織解體,從而殺死雜草。同敵草隆和百草枯這類單一作用位點的傳統光合作用除草劑相比,一旦TeA進入葉肉細胞后,也許它的這種多位點作用機制能夠導致細胞在短時間內產生更多種類和更高水平的活性氧,從而迅速毀壞細胞而殺死雜草。

  我國生物除草劑發展存在的主要問題

  我國生產除草劑的企業近千家,幾乎可以合成生產大多數已經商業化的除草劑產品和相關的劑型。但是,多數廠家規模很小,生產設備和技術監控條件相對較差,由于規模的大公司很少,它們合起來的產值還不抵一家跨國公司的。同時我國尚沒有商品化的生物除草劑,因此,相關產業基礎十分薄弱。不過,已經有的生物農藥公司生產生物殺菌劑或殺蟲劑的設備可以加以改造利用。但是,相關的生產和管理標準等軟件環境也還需要建立。

  我國在除草劑研究和開發方面的投入,每年不超過7億元人民幣。其中,在研究方面是以國家為主導的科學研究投入為主,也包括企業的部分技術改造和產品仿制的投入,估計約2000萬元人民幣,用于生物除草劑研究的投入占到約15%。其他均為企業設備和生產開發的投入。這些費用加起來才夠跨國公司開發1個新型除草劑產品的費用。國際上除草劑研究開發是以企業為主導。許多中小生物公司在生物除草劑的研發上扮演重要角色,院校研究則多以生物除草劑的基礎研究或新技術的研發為主,再轉讓給公司進行開發。我國目前的研究主力是院校的研究隊伍,已經形成了一支在教授和研究員領導下的博士和研究生組成的高層次研究隊伍,他們主要承擔政府的研究項目和企業委托項目,企業中的研發隊伍相對較為薄弱,可能僅有少數幾家具有研發能力。

  我國生物除草劑發展趨勢和技術需求

  我國具有廣闊的市場空間。作為除草劑生產、使用和進出口大國,與發達國家相比仍需加大技術創新力度和提升產業化水平,迫切需要加快生物除草劑高新技術的研究。目前,跨國公司已經看好中國生物農藥市場。我們所面對的不僅是國內市場,而且是國際大市場。市場競爭將更加激烈和緊迫。因此,我們必須及早布局,制定政策,加快新產品的研究開發,加速發展規?;納锍菁斂?。

  發展生物除草劑,從而替代和減少化學除草劑的使用,是有效控制草害、保證農作物穩產高產,保障食品安全和社會穩定的重要物質基礎;是減少化學除草劑殘留、消除二次污染,改善農業生態、實現環境安全,確保公共安全、生命健康的重要措施;是實現農產品優質安全高效生產,增加農民收入,促進社會和諧和社會主義新農村建設的重要物質保障;同時也將極大地增強我國農產品的國際市場競爭力。

  下一步發展思路、方向和重點任務

  針對國際除草技術及產品的發展趨勢,雜草防除中存在的抗性、殘留等問題,擬定以下發展思路、方向和任務:

  1. 加強生物除草劑候選生物或代謝物質的篩選

  充分利用我國豐富的植物、微生物以及動物多樣性除草資源,針對主要作物農田惡性雜草、重大入侵雜草、林地雜草、水生雜草以及抗藥性雜草為防除對象開展系統的生物除草劑候選生物或代謝物質的篩選,構建安全、高活性除草微生物菌株和代謝產物??剮掠鄙鐫椿銜锝峁?、除草作用機制和靶標研究,提高原創性的新除草化合物,特別是廣譜、高活性化合物自主知識產權的地位。

  2. 建立國家農藥活性化合物及天然產物資源庫

  盡快建立國家農藥活性化合物特別是天然產物資源庫,短期目標是廣泛收集我國分離和發現的天然產物,不使自主分離的物質外流,再逐漸擴大范圍。

  3. 大力支持開展除草關鍵作用靶標的發現、除草關鍵基因發掘等基礎性研究

  立足自主原始創新,搶占知識產權?;さ鬧聘叩?。從多種生物中發掘除草作用靶標基因、除草劑抗性基因,針對生物除草劑發展過程中的關鍵環節,開展除草活性物的代謝途徑和關鍵基因以及生物除草相關基因及其功能研究。

  4. 應用轉基因技術解決草害問題

  應用轉基因技術,重點培育油菜、大豆和小麥等作物抗除草劑品種并商業化種植,解決這些作物上較為突出的草害、藥害和除草成本過高的問題。

  5. 推進生物除草劑產品商業化

  繼續對“十一五”期間已經進入商業化和具有較好商品化潛力的產品及技術進行跟蹤研究,進一步完善低成本高效規?;ひ蘸陀τ眉際?,使1~2個產品成功商品化,填補我國沒有生物除草劑的空白,并推動其擴大應用規模。

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我國生物除草劑發展現狀與存在的主要問題

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