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CE香芹酚!突破傳統(tǒng)化學藥劑防治灰霉病抗藥性的技術(shù)瓶頸(香芹酚殺菌劑殺菌原理)  

 發(fā)布時間:2023-10-27 11:24:00   來源:轉(zhuǎn)載   訪問量:

霉病是危害農(nóng)作物的主要真菌病害之一,據(jù)估算,全球灰霉病市場容量達6-8億美金,而其中僅中國灰霉病的市場容量接近2億美元,市場容量巨大!據(jù)小編了解到,目前灰霉病主要采用常規(guī)化學防治,不僅容易使作物產(chǎn)生抗藥性,并且成本高,還會加大對環(huán)境和人體健康的危害。


近日,據(jù)國外媒體報道,中國一企業(yè)利用植物源″共同提取技術(shù)″,成功將天然新型植物精油香芹酚這一創(chuàng)新生物技術(shù)應用到灰霉病的防治中,突破傳統(tǒng)化學藥劑防治灰霉病抗藥性的技術(shù)瓶頸,顯著提高防治效果!


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原標題為《Novel Biofungicide CE-Carvacrol, solvingChemical Pesticide Resistance onControlling Grey Mold》→《天然新型植物精油化合物CE香芹酚,突破傳統(tǒng)化學藥劑防治灰霉病抗藥性的技術(shù)瓶頸》


一.農(nóng)業(yè)灰霉病全球發(fā)生現(xiàn)狀及防治策略


灰霉病是由灰葡萄孢 Botrytis cinerea侵染引起的真菌病害之一, 對農(nóng)業(yè)產(chǎn)品及園林觀賞植物均有較大危害。其侵染范圍廣泛,可危害茄科、葫蘆科、薔薇科等 470 多種植物[1] 。一旦侵染農(nóng)作物可引起植株葉片大量脫落,果蔬腐爛,產(chǎn)品質(zhì)量下降,侵染花卉植物,如月季,主要侵染其花,嚴重時也會對幼枝和葉片造成危害,可引起花瓣變褐色、腐爛、萎蔫, 直至整個花朵褐變枯萎[2-3],從而降低花卉觀賞價值。番茄是全國栽培廣泛、消耗量最大的蔬菜作物之一, 番茄感病后, 發(fā)病部位會產(chǎn)生灰白色或灰褐色霉層, 甚至爛苗、爛果, 從而降低產(chǎn)量[4] 。而草莓營養(yǎng)價值與其獨特的口味深受人們喜愛, 但灰霉病對其侵染十分嚴重,危害草莓地上部的所有器官, 包括果實、花器、果柄、葉片、葉柄等, 其中以果實受害最重[5] 。


灰霉病作為危害植物的主要真菌病害之一, 不管是對園林植物還是農(nóng)作物均帶來了巨大的經(jīng)濟損失。該病害每年在全球造成的經(jīng)濟損失超過100億美元,僅在葡萄釀酒行業(yè),灰霉病爆發(fā)年造成的葡萄酒產(chǎn)量降低最多可達20%以上。葡萄在貯藏過程中也常遭受灰霉病的危害,嚴重時造成的產(chǎn)后損失高達 50%[7]。在中國,草莓種植面積較大,但由于灰霉病的危害,一般會造成減產(chǎn) 20%~30% ,嚴重時高達 50%以上,這對果農(nóng)造成了不可小覷的經(jīng)濟損失[6]?;颐共∽鳛榉言耘嗟闹匾『?,會造成番茄減產(chǎn) 20% ~ 30%, 甚至會高達 50%。在園林觀賞植物中,月季在長途冷藏運輸過程中也深受其害,通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),在極端條件下可造成 70% 以上的采后損失。可見,灰霉病對植物的危害性是不可忽視的。


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圖1:黃瓜灰霉病


近年來,灰霉病主要采用常規(guī)化學防治,目前化學藥劑主要有兩 類,一類是治療性殺菌劑,如苯胺基嘧啶類(嘧霉胺)、 二甲酰亞胺類(腐霉利、異菌脲)和N-苯氨基甲酸酯類(如多霉靈); 另一類是保護劑,如百菌清、代森錳鋅、克菌丹等,其只起到預防的作用[7-9]

由于使用防治的藥物在一定程度上也會抑制植物的生理活性, 長期使用化學試劑會降低植物對病源菌的抵御能力,使防治效果大大降低,而且大量使用化學試劑不僅成本高,還會加大對環(huán)境和人體健康的危害。如最早用于防治灰霉病的內(nèi)吸性殺菌劑多菌靈和苯菌靈等,由于該類殺菌劑的大量使用,灰霉病菌早已產(chǎn)生了廣泛的抗藥性。2012-2013年,中國境內(nèi)湖北省草莓灰霉病菌對多菌靈的抗性頻率為63.6%[10]。遼寧、河北、北京、安徽和四川5個省市的草莓灰霉病菌對多菌靈的抗性頻率在53.6%~99.0%,新疆的菌株抗性頻率較低,為24.1%[11]。

所以,研發(fā)新的天然產(chǎn)物抗病產(chǎn)品以及使用生物防治的方法是控制灰霉病的有效替代途徑。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展,通過對天然植物源提取技術(shù)、制劑技術(shù)的深入研究,植物源代謝產(chǎn)物因其具有良好的應用效果,且在自然界降解快,不易產(chǎn)生抗藥性的特點,被越來越多的地應用于農(nóng)業(yè)病害防治。精油是一種許多植物都可以產(chǎn)生的天然抗菌劑 ,用來保護自身免受感染 ,并且在食品工業(yè)中對抗食源 性病原體和腐敗生物有很大潛力。如牛至油 、百里香油等植物精油均具有廣譜抗菌性能 。通常精油是許多不同種類化合物的復雜混合物 ,含有約20~80種不同 的分子種類。酚類是抗菌主要成分,其抗菌活性由其濃度、化學組成等決定。植物精油可以抑制或延緩細菌、酵母和霉菌的生長,因其廣譜的抗菌活性已受到全球大量天然藥物研究者的青睞,是一種可替代化學抗菌劑的天然抗菌劑。


二、牛至精油-香芹酚的研究應用歷史


牛至是一種中國特有的藥食同源植物,具有較高的藥用和食用價值。牛至全草都可入藥,具有抗氧化、抗菌、抗腫瘤等作用,在生物農(nóng)藥、殺蟲劑、抗氧化劑等天然產(chǎn)物中均有應用,同時,牛至常作為一種烹飪調(diào)味料使用,用于烘烤類的烹飪以及肉類的除腥提鮮等,是一種天然的調(diào)味品及香料。香芹酚是牛至精油的主要成分,據(jù)報道能抑制多種病原微生物的生長,包括革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、鐮刀菌屬及鏈格孢菌屬[12-14],已廣泛應用于食品、醫(yī)藥和化妝品行業(yè)。


牛至精油是從牛至莖葉中提取得到的淡黃色澄清油狀液體,揮發(fā)性很強,不易保存,組成牛至精油的酚類化合物和萜烯類物質(zhì)具有較強的抗菌和抗氧化活性,評價牛至精油抗菌活性及殺菌效果的關(guān)鍵指標是香芹酚和百里香酚的含量和比例。香芹酚可影響細菌的生物膜,能干擾細菌成膜過程,降低膜電位和質(zhì)子運動力量,同時使細胞膜的滲透性增加,能夠迅速穿透病原微生物細胞膜,促使大量水分在細胞內(nèi)積聚造成菌體細胞膨脹,致使細胞膜破裂,菌體死亡[15]。


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圖2:牛至藥材及精油


香芹酚是類芳香族化合物,具有揮發(fā)性,淡黃色有濃郁香味的透明油狀液體。牛至、半邊蘇、香茶菜等里面都存在有香芹酚。隨著植株地理位置、部位、提取方法等的改變,香芹酚的含量會有所不同,香芹酚不僅分子小 、毒性低 、極性低 ,可以抗菌、抗氧化,而且還可以刺激食欲、促進吸收等 ,有很大開發(fā)價值。因此香芹酚是牛至( 60%~74%) 和百里香(45%)的主要成分。世衛(wèi)組織在2012年的時候發(fā)表聲明 ,食物里面的香芹酚含量小于等于 50mg/Kg時 , 對人身體健康不會造 成傷害 ,能夠在水果保鮮進行使用。據(jù)報道,富含香芹酚的精油抗菌活性明顯。戴冉等(2015)研究發(fā)現(xiàn),牛至精油在抵抗細菌引起的家兔腸道疾病方面有極好的效果,牛至精油濃度為1.2 cfu/mL時, 可以有效抑制革蘭氏陽性菌和陰性菌的生長, 且牛至精油比常用的天然抗氧化劑具有更高的抗氧化活性,Cleff 等(2010)研究發(fā)現(xiàn),牛至精油對念珠菌具有很高的抗菌活性,最小殺菌濃度和抑菌濃度均為2~5 mL/L。胡艷芬等(2010)研究發(fā)現(xiàn),香芹酚對大腸埃希氏桿菌、金黃色葡萄球菌和豬霍亂沙門氏菌也具有很強的抑制作用, 可以預防和治療動物胃腸道內(nèi)的感染。Vatavali等(2013)研究牛至精油對真鯛魚保質(zhì)期的影響發(fā)現(xiàn),對照組的保質(zhì)期為11d,而添加牛至精油的保質(zhì)期為16d。劉猛等(2011)研究發(fā)現(xiàn),香芹酚具有抗微生物生長、抗氧化的功效,可防止飼料變質(zhì),具有無殘留,無污染,不對微生物產(chǎn)生耐藥性,不與抗生素產(chǎn)生配伍禁忌等優(yōu)點。


中國有豐富的藥用植物品類和悠久的應用歷史作為支撐,專注于綠色農(nóng)業(yè)生物技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)的企業(yè)-成都新朝陽作物科學股份有限公司經(jīng)過多年的研發(fā),成功將天然新型植物精油香芹酚這一創(chuàng)新生物技術(shù)應用到農(nóng)業(yè)病害防治領域,為全球有機、綠色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)做出了卓越的貢獻。


三、香芹酚的最新研究進展


(1)香芹酚的登記信息。根據(jù)中國農(nóng)藥信息網(wǎng)顯示,2015年,成都新朝陽作物科學股份有限公司(以下簡稱″新朝陽″)便獲得了10%香芹酚母藥(登記證號:PD20141626)以及0.5%香芹酚水劑(登記證號:PD20152651)防治灰霉病制劑登記證,是中國首家母藥登記企業(yè)。


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(2)0.5%CE香芹酚水劑的殺菌機理。破壞細胞壁及細胞膜完整性,能夠干擾病原真菌細胞膜形成,降低膜電位和質(zhì)子運動力量,同時使細胞膜的滲透性增加,能夠迅速穿透病原微生物細胞膜,促使大量水分在細胞內(nèi)積聚造成菌體細胞膨脹,致使細胞膜破裂,菌體死亡;


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圖3:灰霉孢子光學顯微鏡鏡檢數(shù)據(jù)


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圖4:灰霉菌絲體掃描電子顯微鏡鏡檢數(shù)據(jù)


針對灰霉菌孢子,0.5%CE香芹酚水劑能夠迫使孢子形態(tài)改變形成水滴狀,并在尖端形成破口導致孢子破裂胞質(zhì)泄露。針對附著在作物葉片上的灰霉病菌絲體,0.5%CE香芹酚水劑能夠最大程度的破壞溶解菌絲體,阻止病斑的擴大及蔓延。


(3)CE香芹酚的提取技術(shù)研究。新朝陽公司經(jīng)過多年科研攻關(guān),采用獨創(chuàng)的植物源共同提取技術(shù),充分利用香芹酚對細胞膜的穿透性,將存在于牛至、百里香草中的香芹酚、百里香酚及其協(xié)同增效成分一并制得,確保發(fā)揮香芹酚、百里香酚殺菌活性的提高。共同提取技術(shù)(Co-extraction technology,簡稱CE)是以傳統(tǒng)中醫(yī)藥理論為基礎,利用現(xiàn)代化提取技術(shù),實現(xiàn)多種有效成分、有益成分的最大化提取。解決了香芹酚萃取收率低、組分單一的問題,實現(xiàn)了香芹酚的產(chǎn)業(yè)化應用。同時采用最新的仿生過濾膜,使多種有效成分得到進一步的純化,滿足制劑及市場需求,是共同提取,納濾,生物膜濾等最前沿技術(shù)的成功融合。與傳統(tǒng)的提取技術(shù)相比,大幅提高香芹酚、百里香酚的濃度,收率分別提高了64%和75%,大幅度降低了生產(chǎn)成本。


10%香芹酚母藥擁有更加豐富的提取物組分,將牛至和百里香中的多種殺菌抑菌有效成分提出,節(jié)約能源及溶劑的同時,組分間協(xié)同增效。母藥采用中藥材牛至和百里香專利技術(shù)提取,含有多種抗菌化合物,與植物親和力好,殺菌譜廣,使用安全性高。


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圖5:0.5%CE香芹酚水劑多種主要活性成分


(4)0.5%CE香芹酚水劑處方技術(shù)研究。利用現(xiàn)代農(nóng)藥制劑技術(shù),針對含有多種組分,成分復雜的植物源提取物,開展精準化配方開發(fā),優(yōu)選制劑原材料配比,并結(jié)合多重光散射測試等,開發(fā)貯存穩(wěn)定的最佳制劑配方。同時根據(jù)防治靶標及作物特點,通過表面活性劑處方篩選,結(jié)合納米乳化技術(shù)、動靜態(tài)表面張力優(yōu)化、接觸角測試優(yōu)化等技術(shù),提高藥液潤濕、鋪展、成膜粘附、保濕抗蒸發(fā)性能,提高葉片藥液沉積量,增加有效成分對于農(nóng)作物葉面和有害生物表面的黏附性與覆蓋率,提高產(chǎn)品田間應用效果,實現(xiàn)植物源農(nóng)藥藥效提升。實驗結(jié)果顯示,0.5%CE香芹酚水劑與異菌脲混配后3小時穩(wěn)定,與腐霉利混配后45分鐘穩(wěn)定,與嘧霉胺混配后30分鐘穩(wěn)定。0.5%香芹酚水劑稀釋500倍,動態(tài)表面張力(5s)為33.04mN/m,動態(tài)表面張力(10s)為29.81mN/m,能對于常規(guī)靶標起到良好潤濕。


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圖6:0.5%CE香芹酚水劑制劑性能(與45%嘧霉胺SC混配性)

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圖7:0.5%CE香芹酚水劑制劑性能(與50%腐霉利WP混配性)

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圖8:0.5%CE香芹酚水劑制劑性能(與40%異菌脲SC混配性)


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圖9:0.5%CE香芹酚水劑制劑性能(動態(tài)表面張力)


(5)0.5%CE香芹酚水劑應用技術(shù)研究。植物源殺菌劑0.5%CE香芹酚水劑有助于減少生物脅迫對農(nóng)業(yè)的不良影響,緩解日益嚴重的環(huán)境問題。目前,長期依賴單一化學農(nóng)藥、使用化學農(nóng)藥不夠科學,用藥水平增高,施藥次數(shù)增多、單位面積化學農(nóng)藥投入量較大,導致植株抗藥性十分嚴重、防治效果逐年下降、農(nóng)殘超標風險極大和污染生態(tài)環(huán)境等問題突出[6]。相比于化學農(nóng)藥而言,生物農(nóng)藥優(yōu)點在于降解快,毒性小,不易產(chǎn)生抗藥性,不易產(chǎn)生有害物質(zhì),對環(huán)境友好等[7],但是其持效期相對傳統(tǒng)化學農(nóng)藥縮短30-40%。


通過室內(nèi)活性測試發(fā)現(xiàn),0.5%CE香芹酚水劑對灰葡萄孢造成的灰霉病有很強的抑制作用,0.5%CE香芹酚水劑稀釋500倍對灰葡萄孢抑制率為80%以上。


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圖10:0.5%CE香芹酚水劑對黃瓜灰霉菌室內(nèi)活性結(jié)果


為了解決植物源生物農(nóng)藥實際應用問題,充分發(fā)揮其優(yōu)勢,新朝陽建立了生物農(nóng)藥″預防-預防性治療-治療″的主動防治體系,即在病害發(fā)生前和初期,單用或搭配化學藥劑使用生物農(nóng)藥,最大程度的抑制病害的傳染。降低病害發(fā)生指數(shù),減少化學農(nóng)藥的使用。


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圖11:0.5%CE香芹酚水劑防治葡萄灰霉病試驗·四川眉山


0.5%CE香芹酚水劑防治葡萄灰霉病預防試驗,發(fā)病初期使用0.5%CE香芹酚水劑于葡萄灰霉病發(fā)病前保護性噴霧施藥,間隔7天,共施藥3次。產(chǎn)品單用效果達到化學對照(40%嘧霉胺懸浮劑)的80%以上。


在病害發(fā)生的中后期,即是爆發(fā)期,選擇以″植物源農(nóng)藥+化學農(nóng)藥″為主線從而達到減量增效的核心應用技術(shù)手段,在提高防治效果的前提下,降低化學農(nóng)藥使用量,降低了植株抗藥性,降低化學農(nóng)藥殘留,提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì),改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,維系生物多樣性和減輕環(huán)境壓力。


大量的田間試驗結(jié)果表明,0.5%CE香芹酚水劑與嘧霉胺、異菌脲等分別復配后可降低化學農(nóng)藥的使用量20~30%,提高田間防效30%以上,對環(huán)境更為友好。


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圖12:0.5%CE香芹酚水劑防治獼猴桃灰霉病試驗·四川蒲江(0.5%CE香芹酚水劑稀釋500倍與嘧霉胺1500倍搭配后田間防效最佳,于獼猴桃灰霉病發(fā)病前保護性噴霧施藥,間隔7天,2次藥后19天達到80%以上。)


綜上所述,在灰霉病發(fā)生初期,使用0.5%CE香芹酚水劑單劑,可以顯著降低灰霉病的發(fā)生指數(shù)和侵染能力。在灰霉病爆發(fā)期,使用0.5%CE香芹酚水劑單劑+嘧霉胺等化學農(nóng)藥,對灰霉病可起到顯著的防治效果。


四、藥用植物牛至作為生物農(nóng)藥的發(fā)展?jié)摿?/span>


0.5%CE香芹酚水劑作為天然植物源生物農(nóng)藥,對于灰霉病具有較好的預防效果,搭配化學農(nóng)藥可顯著降低灰霉病抗性,顯著提高防治效果。而其原料來源牛至草在中國作為一種常見藥材,種植廣泛。平均每畝牛至草年產(chǎn)量能達到460kg。近年來,隨著生物合成技術(shù)的全球發(fā)展,通過酵母、植物干細胞等真核生物工廠技術(shù)合成植物酚類化合物成為現(xiàn)階段的熱門研究方向,通過底盤細胞改造,蛋白酶工程等先進技術(shù)的介入,使得通過大規(guī)模生物反應器生產(chǎn)藥用活性物質(zhì)成為了可能。


五、展望


0.5%CE香芹酚水劑不僅對灰霉等高等真菌病害效果顯著,而且安全性非常高,同時對天敵生物、有益生物也非常的安全。據(jù)估算,全球灰霉病市場容量達6-8億美金,而其中僅中國灰霉病的市場容量接近2億美元,市場容量巨大。鑒于市場需求、市場潛力巨大、合適的窗口期、效果優(yōu)異、技術(shù)全面等優(yōu)勢,有望將其打造為新戰(zhàn)略大品。未來,0.5%CE香芹酚水劑定將助力灰霉病綠色防控技術(shù)的建立與推廣,促進化學農(nóng)藥減量增效,為食品安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供堅實的保障,為維系生物多樣性、減輕環(huán)境壓力,為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的價值提升和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻,以促進生物技術(shù)健康發(fā)展,促進人與自然和諧共生。


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