防治灰霉病新技术,全新虎杖根茎提取物重新定义生物杀菌剂(虎杖根提取物功效与作用)  

 发布时间:2023-10-13 17:01:00   来源:转载   访问量:

一、引言


杀菌剂是指能有效控制或杀死对植物有害的病原微生物—细菌、真菌和藻类的化学制剂。在全球范围内,通常作为防治各类病原微生物的药剂的总称[1]。各类植物病原菌是引起植物病害的主要因素之一,给农业生产造成了巨大的经济损失。而真菌病害又是植物病害中最大的一类,占植物病害的70%~80%,病害发生面积广、危害性极其严重,难以防治[2]。              


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图1:常见作物真菌性病害示例

 

全球范围内,作物真菌性病害对园林植物以及农作物都带来了巨大的经济损失。灰霉病作为危害作物的主要真菌病害之一,能够危害茄科、葫芦科、蔷薇科等 470 多种植物[3],引起植株叶片大量脱落,果蔬腐烂,产品质量下降。该病害每年在全球造成的经济损失超过 100 亿美元,仅在葡萄酿酒行业,灰霉病爆发年造成的葡萄酒产量降低最多可达 20%以上。葡萄在贮藏过程中也常遭受灰霉病的危害,严重时造成的产后损失高达 50%[4]。在中国,草莓种植面积较大,但由于灰霉病的危害,一般会造成减产 20%~30% ,严重时高达50%以上,这对果农造成了不可小觑的经济损失。灰霉病作为番茄栽培的重要病害,会造成番茄减产 20% ~ 30%,甚至会高达 50%。在园林观赏植物中,月季在长途冷藏运输过程中也深受其害,通过调查发现,在极端条件下可造成 70% 以上的采后损失。在大田作物小麦上所发生的赤霉病又称烂穗病、麦秸枯、烂麦头、红麦头、红头瘴,小麦受害后千综合粒重降低,发芽率下降,发芽势减弱,出粉率低,面粉质量差 ,色泽灰暗,商品价值降低。一般大流行年病穗率达50-100%,产量损失10-20%,中等发生年病穗率30-50%,产量损失5-10%[5]。而近年来部分主产区气候变化引起的降水、温度变化,同时导致了小麦白粉病的爆发,严重时减产幅度可达到 40%以上。随着农业种植结构调整,大棚、温室等人工环境设施种植技术的推广应用,温暖高湿的集中种植环境使得真菌性病害变得更难防治。人工气候环境中极易爆发真菌性病害,在中国每年因白粉病的发生导致草莓减产约 10%~20%,爆发时高达 50%以上甚至绝产。


长期以来,植物真菌性病害的防治主要依赖于化学农药, 苯醚甲环唑、晴菌唑、戊唑醇、氟菌唑、吡唑醚菌酯,代森锰锌, 氟啶胺,三唑酮、嘧霉胺、腐霉利、异菌脲等都常被用来防治作物真菌性病害。已代森锰锌为代表的预防保护剂防治效果有限,单用无法满足用户对病害的防治需求。而以苯醚甲环唑为代表的具有内吸性杀菌剂在抑制病原菌生长侵害的同时,也会一定程度的对作物生理指标造成影响,通常表现在叶绿素合成抑制,作物生长缓慢,以及长期使用降低植物对病原菌的抵抗力方面。同时,长时间的化学药剂施用进一步造成了病原菌的抗药性增强、农药残留和环境污染等问题[6]。真菌性病害的防治会进入由环境影响问题、作物健康问题以及病害防控问题相互制约的恶性循环中。


市场调研数据显示,近些年全球杀菌剂市场发展进一步加快,一方面是由于引起作物病害的病源菌抗性逐年上升,使得杀菌剂市场对新产品有着持续的需求。据报道,仅2012-2013 年间,中国境内湖北省草莓灰霉病菌对多菌灵的抗性频率为63.6%[7]。辽宁、河北、北京、安徽和四川5个省市的草莓灰霉病菌对多菌灵的抗性频率达到 53.6%~99.0%[8]。另一方面全球农作物种植结构的调整,蔬菜,水果以及各类经济作物种植种类和种植面积的扩大,进一步增加了对杀菌剂产品的需求,杀菌剂在未来有着巨大的发展空间。同时,随着人们对环境问题的日益关注,有机农业面积的逐步增大,全球市场对以低毒低抗性天然产物作物保护投入品需求的增加。研发一款环境友好、高效、低毒、不易产生抗药性、且对作物生长具有促进作用的生物农药产品急为迫切。


二、 关于虎杖根茎提取物的研究现状


虎杖(ReynoutriaJaponica Houtt.)为中国传统药用植物,主要分布于华东、中南及辽宁、陕西、甘肃、四川、贵州、云南等地。


具中国国医记载,其根及根茎入药,具有活血定痛、清热利湿、止渴化痰的作用[9]。有研究表明,药用植物虎杖中富含虎杖苷、白藜芦醇、大黄素及大黄甲醚等活性成分[10]。其提取物具有抗癌功能,对肿瘤细胞的增殖具有明显的抑制作用,能够大幅减缓肿瘤组织生长速度[11-12]。同时,虎杖中所形成的次级代谢产物具有天然的抵御病虫害功能,在虎杖种植过程中很少发生严重的病虫害,基本不需要任何防治技术[13]

 

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图2:药用植物虎杖植株及其药用部位

 

基于虎杖次级代谢产物的特点及其药理作用,虎杖被用于农业领域防控植物病害的发生。大黄素甲醚作为虎杖次级代谢产物中丰度最高的活性成分之一,对植物白粉病、霜霉病、灰霉病和炭疽病等植物病害均具有很高的活性。


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图3:大黄素甲醚 CAS:521-61-9


三、 虎杖根茎提取物的产业化研究进展


(1)虎杖根茎提取物的登记情况


根据世界农化网报道,Albaugh,LLC旗下Prime Source推出了杀菌剂Azoxy Bio(嘧菌酯和生物杀菌剂大虎杖提取物),目前已获得美国环保署登记于2022年春季上市,是一款内吸型杀菌剂,除了能预防性广谱防治主要草坪和观赏植物病害外,还能促进植物的免疫系统,实现良好的抗病管理。


据悉,成都新朝阳作物科学股份有限公司(以下简称 ″新朝阳″)登记的全新生物杀菌剂-虎杖根茎提取物防治灰霉病也将很快获证产业化。


(2)新朝阳虎杖根茎提取物的作用机制


经过试验测试分析,0.4%虎杖根茎提取物对白粉病孢子萌发具有显著抑制及破坏作用。药剂处理96h后,通过台盼蓝染色和外观形态观察,孢子囊被大量染色,结构遭到破坏,失去萌发功能。

 

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图4:0.4%虎杖根茎提取物处理96h后对白粉孢子的影响

 

实验观察发现0.4%虎杖根茎提取物在具有优良防治效果的同时,能够促进作物生长,缓解因施药对作物生长的影响。在推荐使用浓度下,其叶长平均增长1.26cm,其叶宽平均增长2cm。

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图5:0.4%虎杖根茎提取物处理对作物生长的影响


(3)虎杖根茎提取物的提取技术研究


经过多年的研发积累,新朝阳首次提出了共同萃取技产品开发思路及天然产物活性分子群的概念。通过对提取工艺的关键环节控制,靶向性的对提取物中活性次级代谢产物种类进行控制。通过共同萃取技术,实现了虎杖根茎中活性物质的最大程度挖掘,获得了包括大黄素、大黄素甲醚、大黄酚、大黄酸、白藜芦醇在内的活性分子群。解决了一般植物源农药成分单一,综合防效低以及使用成本过高等问题。有效推动虎杖根茎提取物在农业领域的应用。

 

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图6:共同萃取技术研究及虎杖根茎提取物活性分子群

 

通过对药材原料的混合粉碎、过筛、回流加热、过滤、澄清、浓缩等工艺技术,进行多次连续提取。将药用植物原料中的活性分子群分阶段纯化析出,显著提高植物药材原料的利用率,降低生产成本,显著增加市场竞争力。0.4%虎杖根茎提取物在丰富活性分子群的加持下,协同增效显著,具有广泛的杀菌普的同时,对提升作物免疫力,促进作物生长具有积极的意义。

 

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图7:0.4%虎杖根茎提取物中富含多种活性成分

 

(4)0.4%虎杖根茎提取物先进的制剂工艺


利用先进悬浮制剂技术,针对含有多种组分,成分复杂的虎杖根茎提取物,开展精准化配方开发,优选制剂原材料配比,并结合多重光散射测试等,开发贮存稳定的最佳制剂配方。同时根据防治靶标及作物特点,通过表面活性剂处方筛选,结合动静态表面张力优化、接触角测试优化等技术,提高药液润湿、铺展、成膜粘附、保湿抗蒸发性能,提高叶片药液沉积量,增加有效成分对于农作物叶面和有害生物表面的黏附性与覆盖率,提高产品田间应用效果,进一步提升植物源农药在田间的防治效果。

      

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图8:0.4%虎杖根茎提取物外观及入水分散性能


通过反复的实验摸索,提高制剂性能,达到了产品外观为均相液体,入水自动纳米级分散。在稀释500倍后任具有显著的润湿和渗透性。

 

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图9:0.4%虎杖根茎提取物动态表面张力数据


多维度稳定性数据显示,0.4%虎杖根茎提取物制剂稳定性好,热贮后无明显析水分层现象,完全满足各种田间施药环境。

 

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图10:0.4%虎杖根茎提取物多重光散射光谱图

 

(5)0.4%虎杖根茎提取物安全性研究


经研究,0.4%虎杖根茎提取物对鸟类、家蚕和蜜蜂等环境生物为低毒。毒理学试验结果显示对大鼠属于″微毒″。对日本大耳白兔眼睛无激性,对日本大耳白兔皮肤无刺激性,并未见豚鼠皮肤变态反应。根据农药产品毒性分级标准,0.4%虎杖根茎提取物悬浮剂属于微毒类农药。

0.4%虎杖根茎提取物对黄瓜苗生长期安全性实验结果显示,在推荐用量以及1倍、2倍浓度下(稀释125倍、166倍、250倍和500倍),5天后均未出现药害现象。

 

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图11:0.4%虎杖根茎提取物针对黄瓜室内安全性数据


0.4%虎杖根茎提取物对草莓花期安全性田间实验结果显示,在推荐用量以及1倍、2倍浓度下(稀释125倍、250倍和500倍),5天后实验结果显示,3个浓度下均对草莓老叶、幼叶和花均未出现药害现象。

 

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图12:0.4%虎杖根茎提取物针对草莓田间安全性数据

 

0.4%虎杖根茎提取物在推荐使用浓度下,对植株的萌芽期、花期等时期施用安全,对嫩芽、花均无影响。非常适合用于植物病害防控的综合治理,为食品安全和农产品质量安全提供坚实的保障。


(6)0.4%虎杖根茎提取物的应用


0.4%虎杖根茎提取物对白粉病具有良好的防治效果。室内实验结果显示,0.4%虎杖根茎提取物稀释500倍针对黄瓜白粉病1次药后15天达到99.4%, 与化学对照无显著性差异。

 

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图13:0.4%虎杖根茎提取物针对黄瓜白粉病室内活性数据

 

0.4%虎杖根茎提取物对黄瓜灰霉同样具有良好的防治效果。实验结果显示,0.4%虎杖根茎提取物能够达到67.4%,与化学农药没有显著性差异。

 

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图14:0.4%虎杖根茎提取物针对黄瓜灰霉病室内活性数据


0.4%虎杖根茎提取物对香葱灰霉病的田间生测实验结果显示,0.4%虎杖根茎提取物500倍稀释后综合防效达到56.25%,化学对照嘧霉胺1000倍稀释和1500倍稀释分别为50.57%和33.52%,其防治效果无显著性差异。同时,0.4%虎杖根茎提取物500倍稀释后搭配化学对照嘧霉胺减量30%施用,防效显著提升20%以上,减量增效作用显著。

 

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图15:0.4%虎杖根茎提取物针对香葱灰霉病田间活性数据


综上,0.4%虎杖根茎提取物悬浮剂对灰霉病和白粉病有良好的防治效果,在植株发病前,稀释500倍喷施植株,能有效预防病害的发生,在发病初期搭配化学农药,可实现在化学农药减量30%的前提下有效控制病害的蔓延,同时,对促进作物生长具有显著的作用。


四、药用植物虎杖的产业化发展潜力


虎杖,蓼科,属多年生草本植物年生草本植物,主要分布于中国的华东、中南及辽宁、陕西、甘肃、四川、贵州、云南等地。虎杖生长速度快,易种易出易管理。目前已实现大规模人工种植,人工种植解决了市场上虎杖药材的流通不足问题,这为虎杖产业化奠定了坚实的基础。近年来,随着分子育种、合成生物学等尖端生物技术的发展。建立优质种苗繁育基地、通过微生物、植物干细胞等生物合成技术生产虎杖次级代谢产物已成为研究热门方向。可预见在未来,虎杖的产业化发展必将多元化,掌握虎杖品种资源,通过对虎杖种群各品系间个体性状与产量和质量的遗传相关性研究分析,筛选出优质高产优良品系。借助于已较成熟的 TDNA片段基因整合技术,对个体性状进行改良,培育出优质品种,进一步提高品种纯度,优化产品质量。 支撑企业推广环保、低毒的植物源农药,有助于提高产品竞争力,推动农药产业结构升级,其具有重要的经济意义。


五、展望


据数据统计,农药主要产品杀虫剂、杀菌剂和除草剂全球市场占比超过95%。《中国杀菌剂行业现状深度调研与投资趋势预测报告2022-2029年》数据显示,2020年中国杀菌剂市场规模由2017年的40.3亿元增长到57亿元。目前在中国农药大类品种中,杀菌剂仅次于杀虫剂和除草剂,占比为22.13% [2]。近年来,灰霉病已经发展成为一种重要的、全球分布的植物真菌类病害。其中,以由灰葡萄孢(B.cinerea)引起的灰霉病分布最为广泛,可危害蔬菜、果树、花卉等200多种作物。近几年来,随着保护地栽培面积不断扩大,灰霉病危害日趋严重。据《Molecular Plant Pathology》报道,灰葡萄孢位列给全球造成经济损失十大植物病原真菌的第2位,仅次于稻瘟病[15]。新朝阳充分利用中国的生物资源优势,创新研发形成的0.4%虎杖根茎提取物悬浮剂防治灰霉病,具有效果突出、应用成本低、促进作物生长效果显著、安全性高、无残留、对环境更友好等特点,解决了传统化学药剂抗性增加快、防效降低、农药残留高、影响作物生长以及对环境不安全等痛点,满足行业和产业发展的迫切需要。不仅有效控制病害的发生,更有利于从宏观和微观上恢复与重建以自然调控为核心的生态系统,实现植物微生态系统的平衡、人与自然的和谐共生。

 

参考文献:


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