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烟草甲的防治研究进展

2021-05-26李朝晖许侨蔡京伟王泽宇李加伟熊亚南

江苏农业科学 2021年7期
关键词:化学防治分子生物学生物防治

李朝晖 许侨 蔡京伟 王泽宇 李加伟 熊亚南

摘要:烟草甲[Lasioderrma serricorne (Fabricius)]作为世界范围内最重要的烟草仓储害虫之一,一直是烟草仓储领域的研究热点,因其食性广、抗药性强和繁殖能力强等特点在防治方面有很多的问题,现行的防治方法较为单一,无法应对复杂多样的仓储实际情况,综述国内外报道的烟草甲的物理、化学和生物防治方法,并对使用范围广、使用效果好和防治潜力大的一些防治方法进行重点介绍;近10年来分子生物学的迅速发展使烟草甲的研究方法日新月异,分子生物学成为烟草甲防治研究的重要手段,综述近10年分子生物学与烟草甲研究这2个交叉领域中的主要成果,并对现行烟草甲研究中使用的分子生物学工具进行了评价。

关键词:烟草甲;化学防治;物理防治;生物防治;分子生物学;烟草仓储害虫

中图分类号:S435.72 文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2021)07-0033-11

收稿日期:2020-07-14

基金项目:江苏中烟淮阴卷烟厂青年创新项目。

作者简介:李朝晖(1994—),男,江苏淮安人,硕士,助理工程师,主要从事植物保护研究。E-mail:490980921@qq.com。

烟草甲[Lasioderrma serricorne (Fabricius)]属鞘翅目窃蠢科,是世界烟草仓储行业的重要仓储害虫,约3 000年前在图坦卡蒙的坟墓中首次发现,Fabricius在1792年首次用科学的分类学方法描述了烟草甲[1],在卷烟行业兴起的19世纪中期就有关于其危害烟草的报道[1-2]。随着世界范围内卷烟行业生产规模的不断扩大,卷烟最主要的原材料——烟叶的仓储规模也随之扩大,且由于新烟草工艺的出现,烟叶一般须要在仓库内醇化2~3年方可使用,这都导致烟草甲危害范围和规模的扩大。在我国,每年因蛀烟害虫所引起的烟叶质量损失约占总仓储烟叶数量的1.64%,因烟草甲所造成的损失占总损失的98%以上[3]。凌成兴曾在2016年的全国烟叶工作大会对全国的烟叶库存进行公示,截至2016年6月,全国烟叶在储烟仓库总库存量约 7 934 万担(1担=50 kg),以此数据推论每年因烟草甲所引起的质量损失的烟叶约130万担,以收购价100元/kg计算,每年约有65亿人民币的经济损失;从国外报道来看,因烟草甲造成的质量损失的烟叶占总仓储烟叶数量的1%~5%,有个别地区虫害发生严重的,损失可达50%;世界范围内每年因烟草甲造成的烟叶经济损失超过3亿美元[4]。烟草甲不仅通过进食直接降低烟叶质量,而且烟草甲进食后产生的虫粪及其死亡后的虫尸还会对成品卷烟质量造成影响,有虫尸和虫粪的卷烟点燃后出现烟气不纯、恶臭气味等现象,引发消费者投诉。自2003年我国加入世界贸易组织(World Trade Organization,简称WTO)以来,卷烟市场的竞争从单纯的国有品牌竞争到现在的国际品牌竞争,且日益激烈,不合格的卷烟产品极不利于塑造卷烟品牌。因此,卷烟工业公司对烟叶仓储的要求也不断提高,但现行烟叶仓储防治烟草甲的方法却较为单一,且无法保证烟叶在烟草甲威胁下的质量[5]。本文综合国内外烟草甲的防治方法,现总结如下。

1 物理防治

1.1 温控防治

1.1.1 高温杀虫 烟叶是卷烟的主要原料,卷烟企业采购的烟叶通常情况下需要1~3年的醇化期,使烟叶醇化至最佳口感。在田间采回—复烤加工—仓库存储—交付卷烟厂使用这一烟叶传递链上,复烤加工阶段的高温可以有效杀死田间采回烟叶上可能存在的成虫和虫卵,在复烤加工的烟叶真空回潮时可有效杀死烟草甲。奚家勤等的研究结果表明,当真空回潮温度高于60 ℃持续3 min、70 ℃保持2 min或55 ℃保持4 min,能杀死所有虫态烟草甲[6]。

除了在复烤加工阶段杀虫,还有其他的借助高温杀虫的方法[7-8]。Makhijani曾报道利用灌注高温空气杀死仓储害虫的方法,通过灌注高温空气将仓库升温至50~60 ℃并保持24~36 h,可杀死烟草甲等害虫,这项技术自2005年美国禁用甲基溴后得到了广泛的使用[9];事实上,大部分烟草甲在高温环境中只需几个小时便会死亡,Yu等报道在50 ℃条件下保持166 min或在54 ℃条件下保持38 min就可以灭杀99%各虫态烟草甲[10]。而对少部分未在短时间内死去的烟草甲,这可能是烟草甲应对高温胁迫的机制起到了作用,Li等研究表明,烟草甲可以快速适应高温,36~42 ℃的高温会提升烟草甲的耐热性,经过高温驯化的烟草甲在42 ℃处理时表现出亚致死性,但随着温度处理时间的延长和处理温度的提高,烟草甲仍会死亡[11]。

1.1.2 恒温控制 烟草甲幼虫发育起点温度为17.66 ℃,当仓库温度控制在18 ℃时,烟草甲完成幼虫阶段发育需要802 d[12-13]。巴西地区烟草仓库温度常年维持在18 ℃,取得良好的控制效果[14];我国长沙卷烟厂于20世纪90年代在浏阳地区常年保持17~20 ℃的岩洞内储存烟叶,在储存期间基本无烟草甲危害发生;上海和厦门等地烟叶存储仓库加装了空调调节系统,恒温恒湿,烟叶醇化效果好且无烟草甲发生。通过恒温控制,不仅可以降低烟草甲的危害,还可以更好地控制烟叶醇化进程[15]。

1.1.3 低温杀虫 烟草甲生物学研究表明,在 -20~5 ℃区间内,随着温度的升高,各虫态均致死的时间为-20 ℃,1 h;-15 ℃,5 h;-10 ℃,18 h;-5 ℃,7 d;0 ℃,13 d;5 ℃,28 d[16]。基于这一研究成果,许多储烟仓库使用低温灭杀烟草甲。延吉卷烟厂和郑州卷烟厂在冬季开仓利用低温杀虫,延吉卷烟厂开仓48 h后所有供试烟草甲全部死亡;郑州卷烟厂经过冬季低温开仓后,供试烟草甲也全部死亡;在国外也有利用低溫杀死烟草甲的报道[17-19]。烟草甲的卵因在各虫态下对化学药剂处理表现低敏感性成为烟叶存储仓库防治的难题,已有多项研究表明,烟草甲的卵在低温处理时表现出高敏感性[16,20],易被低温杀死,因此低温杀虫是未来烟草甲防治研究中的一个重要方向。

1.2 气调防治

烟草甲必须有足够O2才能完成生命周期,长期在低氧环境中,烟草甲会很快死亡。据报道,在0.5%~0.8% O2条件下,烟草甲LD99为6.9 d[21]。早在1918年,美国Bailey等就提出了通过脱氧气调杀虫的方法提高仓储质量的建议。但受制于仓储条件和生产力水平,化学防治因其经济性仍是防治仓储害虫的主要方法。但随着化学试剂的滥用,人畜中毒和环境污染问题屡见报端,人们逐渐意识到化学药剂对环境的破坏和对人身安全的威胁,1980年,美国通过了关于利用气体仓储食品的法案,气调防治也逐渐成为仓储领域的研究热门。

1.2.1 充N2法 N2是地球大气中的重要组成部分,自然空气中约含78%的N2。研究表明,在储烟仓库充N2 6 d后,烟草甲各虫态致死率达100%,与化学防治方法相比,防治时间大大缩短,低氧浓度(1.5%~2.0%O2)环境下对3种虫态烟草甲综合致死效果较好,在烟叶养护过程中能够有效杀灭烟草甲[22-23];李灿对N2杀虫机制进行了阐述,高压冲N2后,烟草甲体内氧化作用循环被打破,在烟草甲体内现存糖无氧分解完之后,烟草甲死亡率大幅提升,且在低氧条件下,烟草甲体内呼吸作用不得不分解体内H2O,导致烟草甲脱水死亡[24]。江苏中烟工业有限公司、广东中烟工业有限责任公司部分烟叶仓储库区使用冲N2杀虫法,取得了很好的防治效果。

1.2.2 充CO2法 CO2是大气的重要组成,自然空气中约含0.04%CO2,因其制造简单也常被用于烟草甲的气调防治。Gerard以高压二氧化碳处理烟草甲,发现在4 000 kPa条件下30 min或3 000 kPa条件下 50 min,可杀死烟草甲[1];Navarro研究了不同温度和气压下CO2处理后烟草甲的致死作用,结果表明以30 ℃、3 333 Pa处理烟草甲成虫,成虫LT99为 15 h[25];Gunasekaran研究了不同CO2浓度对烟草甲的致死作用,结果表明以70%、40%的CO2分别处理48、96 h后,烟草甲死亡率达100%,且蛹的耐气能力比卵、幼虫、成虫的强,Gunasekaran还发现,经CO2处理后幸存的烟草甲成虫,其繁殖潜力大幅下降,几乎不能产生后代[26]。

1.2.3 充混合气体法 在充N2和充CO2防控烟草甲时,人们发现将N2、CO2和O2这3种气体混合后灭杀烟草甲的效果更好。Childs研究表明,以 65 ∶8 ∶27 的体积比混合CO2∶O2∶N2灭杀烟草甲,处理1 h后,部分烟草甲的卵失活;3 d后卵失活率为99.9%,2 d后99.9%的成虫死亡,4 d后998%的幼虫死亡,7 d后99.2%的蛹死亡[27]。充混合气体法相比充单一气体法而言,在更短时间内有更好的杀虫效果,且这种方法允许更高的氧气含量,这意味着对仓储设施的密闭性要求稍微降低,能够更广泛的应用。

1.2.4 气氛调控剂 气氛调控剂是一种新型绿色仓贮养护技术,该产品能有效降低烟叶贮存环境内O2浓度,提升CO2浓度。当环境内CO2浓度上升至70%并保持28.58 h后,可至99%的各虫态烟草甲死亡;48 h后,可至100%的烟草甲死亡[28]。使用气氛调控剂时,先将气氛调控剂放在烟垛上部,然后用塑料帷幕封闭烟垛,使用气氛调控剂后,帷幕内CO2浓度很快上升至90%以上,灭杀所有烟草甲。使用气氛调控剂不仅可以保证封闭烟垛内无烟草甲危害,还可以提高烟叶醇化效果,且气氛调控剂具有安全性高、经济实惠和不燃不爆等特点,对仓储条件的要求也较低,已在全国多个省市使用[29]。

1.3 物理隔离防治

1.3.1 硅藻土 硅藻土(diatomite1,简称DE)是一种生物成因的硅质沉积岩,其化学组成以SiO2为主,矿物成分主要是蛋白石。我国硅藻土储量为32亿t,远景储量达20多亿t,是一种较为廉价,已规模开发且用途广泛的产品,在农业中,硅藻土通常被用作杀虫剂和土壤改良剂[30]。巴西储烟仓库曾用硅藻土防治烟草甲,施用硅藻土24 h后,89%的烟草甲种群衰退,在使用后前3个月,烟草甲种群增长得到显著抑制[14]。

1.3.2 电网 Matsuda提出了一种双功能电场屏蔽器,以隔绝烟草甲进入仓库[31]。屏蔽层由平行排列的绝缘铁丝(ICW)和位于ICW两侧的2个接地导体网组成。使用电压发生器将负电荷(0.1~8.0 kV)施加到绝缘电线上,使用于覆盖电线的绝缘子套管极化,使绝缘子的外表面负电,正向在电线的内导体表面正电。ICW的负表面电荷在接地网中引起静电感应,而在面对ICW的网表面上产生相反的电荷。在ICW和接地网之间的空间中形成了一个电场,场强与施加到ICW上的电压增加成正比。到達接地网外表面的烟草甲被阻止进入网内。当电网的电压越大,电网的阻止能力越强。当ICW的负电荷超过4.1 kV时,未发现有烟草甲进入电网。

1.4 辐射防治

自20世纪初,研究者就已经开始研究用辐射防治害虫,大体分为3个方向,分别是辐射诱变、辐射不育和辐射杀虫,其中辐射杀虫以其时效性强的特点研究最多,应用最广[32-34]。现有的对辐射杀虫的研究报道集中在γ射线上。γ射线对烟草甲有显著的灭杀作用,杀虫效果与辐射剂量及辐射剂量率呈正相关,当剂量水平在1.0~1.5 kGy之间时,可以直接灭杀烟草甲成虫;当剂量水平低于1.0 kGy时,依然能够有效杀伤害虫[35-36]。辐射技术不仅能够灭杀害虫,还能提升烟草品质、防止烟草霉变且无生物毒性[37-40],目前我国尚未开放烟草行业辐射准许,但仓储粮食已有开放辐射准许并出台相关标准,辐射技术在烟叶仓储领域内的应用值得期待。

2 化学防治

2.1 磷化铝

磷化铝是全球烟草仓储防治烟草甲最主要、最广泛的化学药剂,1975年被国际烟草企业选用作为储烟仓库烟草甲的熏蒸剂[41]。在过去的近50年中,磷化铝也取得了很好的防治效果[42-44]。但磷化铝产生的PH3是剧毒气体,国家“十三五”规划中将其列为高毒农药,且许多企业为追求高防效长期过量使用,而连续、单一的使用也带来了许多问题,这其中最严重的就是烟草甲对磷化铝抗药性的增强。Rajendran报道在印度发生了世界上第1例PH3熏蒸失败的案例[45];Zettler等在美国北卡州的部分烟草仓库中用PH3熏蒸烟草甲,发现超过1/2储烟仓库中的烟草甲对PH3具有不同程度的抗药性,当地烟草甲种群中有部分表现出高度抗性[46];Savvidou等从25个国家收集了31个种群的烟草甲,测试了它们的磷耐受性,结果表明,来自12个国家的17个烟草甲种群表现出抗药性,有1个种群表现出5倍于正常种群的抗药性[47]。我国尚未有PH3熏蒸失败的报道,但郭超等研究表明,PH3在250 mL/m3剂量下维持132 h方可完全杀死烟草甲,且该剂量并不能杜绝烟草甲的危害[48]。这可能表明烟草甲已经对PH3产生高抗性。且以实际应用来看,我国GB/T 23220—2008《烟叶储存保管方法》规定,储烟仓库每年均需熏蒸2次,但即使每年熏蒸2次PH3,我国每年仍有大量烟草因烟草甲而遭受质量损失,这从侧面说明单一熏蒸对烟草甲防治效果比较有限。因此,高效低毒且对非靶标生物安全、不产生或产生抗药性较慢的新药剂或新方法成为许多研究者的目标。但新药剂的研发周期长,且防效难以探明,因此一些研究者转向对PH3的施药方式和施药工具进行了改进,并取得了不错的效果。彭涛等在PH3中混合CO2,以1.5 g/m3使用量封闭96 h,对烟草甲各虫态都有很好的灭杀效果[49];丁碧军将6 g/m3的药剂量平均分成2次使用,中间间隔 10 d,灭杀作用与一次性施药时的灭杀作用无显著差异[50];李谋智等采用干净便宜的新式PH3发生器,提高了安全性,且减少了磷化铝的用药量[51-52];日本学者Haradah等的研究结果表明,如果温度≥25 ℃,熏蒸时间96 h以上,即使是较低浓度的PH3也能杀死全部虫态的烟草甲[53]。

2.2 保护剂

除了磷化铝熏蒸以外,目前还有一些化学药剂能够防治烟草甲,效果较好的有菊酯类、甲基嘧啶磷类、敌百虫和敌敌畏等一些药剂,但这些药剂均存在一些共同的问题,例如穿透能力弱,無法穿透烟箱灭杀烟草甲;毒性强,对人体危害大;短期内过量使用后药效迅速下降,烟草甲对其产生抗药性;对烟草甲蛹期不敏感;再猖獗等诸多问题。因此化学药剂只能作为烟草甲防治的补充手段。当监测到虫情并且虫情未达到熏蒸标准时,这些药剂可以限制烟草甲种群数量和生存空间,起到一定的防控作用。

综合近期报道,现行使用防护剂综合防效好的是菊酯类药剂,例如除虫菊酯、溴氢菊酯和高效氯氟氢菊酯等。以10 mg/kg高效氯氟氢菊酯处理烟草甲,4 d后虫口衰减率为85.7%,6 d后烟草甲幼虫校正死亡率为80.2%,对烟草甲3龄幼虫的种群抑制率为85.1%,溴氢菊酯防效稍弱于高效氯氟氢菊酯,使用6 d后幼虫的校正死亡率为71.4%,对3龄幼虫的种群抑制率为71.3%[54];以4 mg/m3施用除虫菊酯24 h后,空间防效高达90%[55]。

2.3 植物提取物

植物在与昆虫长期的协同进化中,为应对昆虫的胁迫产生了许多对昆虫具有防御能力的次生代谢物质,这些次生物质种类超过40万种[56]。我国有丰富的植物资源,已报道对烟草甲具有防治效果的植物至少有14科23种[57]。从这些植物中提取出的杀虫有效成分根据构成其化学结构骨架不同可分为柠檬素、倍半萜和二萜、生物碱和植物精油。

2.3.1 植物精油 植物精油是目前研究最广的植物类防护剂,按作用类型分为熏蒸、触杀、胃毒、驱避和抑制生长发育等,其中熏蒸为主要使用方式[58]。Samuel等从小豆蔻、胡椒和郁金香中分别提取精油并喷回,发现这3种精油均可有效阻止烟草甲侵染,并阻止烟草甲化蛹,且在高浓度时(0.1 mg/10 g),3种精油对烟草甲各虫态致死率达100%[59];Chan等从肉桂、荠菜和辣根等5种植物中提取精油,并测定了其杀虫活性,结果表明肉桂精油熏蒸杀虫效果与其他4种植物精油存在显著性差异,杀虫效果最佳[60];国内也有相似的报道,已有许多研究者投身于这方面的研究,他们从多种香料及花卉中提取植物精油,发现提取物对烟草甲有熏蒸、驱避和触杀等众多作用,结果表明植物精油是开发利用前景很好的植物性杀虫剂(保护剂)[61-72]。

2.3.2 生物碱 生物碱的定义是含负氧化态的存在于生物有机体中的环状化合物。植物体内存在一些具有杀虫活性的生物碱,它们具有胃毒、化学不育、驱避和触杀等作用。华中农业大学李建洪课题组与郑州烟草研究院合作提取了20余种植物的80多种植物提取物,其中对烟草甲表现出高毒性的生物碱有SJA和TFG的丙酮、石油醚、乙酸乙酯以及乙醇提取物,浓度为0.1 g/mL施药3 d后,供试烟草甲的校正死亡率均达100%;AKI的石油醚提取物以0.05 g/mL浓度施药3 d后,供试烟草甲校正死亡率也达到100%[69];赵海刚对AGS的杀虫活性进行了分析,其研究结果表明,α-细辛醚是AGS的主要杀虫活性[72]。

2.3.3 倍半萜和二萜 倍半萜和二萜是由异戊二烯单位构成的环、链状聚合体。4分子异戊二烯是二萜,3分子异戊二烯是倍半萜。赵海刚分析了CTM的丙酮、石油醚、乙酸乙酯以及乙醇提取物对烟草甲成虫的生物活性,发现以驱避和触杀毒性为主,且以0.05 g/mL浓度施药1 d后,供试烟草甲成虫校正死亡率达100%[72]。

2.3.4 柠檬素 在芸香科、苦木科和楝科等植物中存在一些三萜类化合物,这些化合物也被称为柠檬素类化合物[73]。柠檬素类化合物中,最负盛名的是从楝科印楝中提取出的印楝素。印楝素具有多种杀虫活性,最显著的是拒食作用和抑制生长发育。Hans将保幼激素与印楝提取物相比,发现印楝提取物对烟草甲幼虫的防控效果更佳[74];程新胜等将甲基嘧啶磷与印楝提取物的触杀毒性相比,发现印楝素对烟草甲触杀毒性较低,但具有明显的后效作用[75]。

2.4 黑光灯

黑光灯是一种气体放电灯,它能发射人眼观察不到的330~400 nm的紫外线光波,可与诱捕装置配合使用。多项研究表明,烟草甲成虫具有趋光性[76-77]。利用昆虫的趋光性诱捕烟草甲,可以作为虫情预报的一种手段。Papadopoulou等将食物诱捕器、性诱剂和黑光灯诱捕器在相同条件下进行实仓试验,结果表明黑光灯诱捕器在这3种诱捕器中的诱捕效果最佳[78];在国内还尚未有实仓使用黑光灯诱捕烟草甲的报道。

3 生物防治

随着生活水平的提高和经济的发展,更多的人开始重视食品安全问题。同时,随着前几年国家“双减”指导思想的提出,表明我国将大力发展绿色农业,维护生态安全。因此,除了化学药剂防治以外,许多研究者开始探寻高效简易的烟草甲防治新方法。综合国内外烟草甲的生物防治的研究报道,大体分为3个大方向:昆虫激素、微生物和自然天敌。

3.1 昆虫激素

对烟草甲的昆虫激素研究主要集中在性信息素和保幼激素2个领域。

对烟草甲的性信息素的研究始于1980年。20世纪80年代,日本Chuman等首先从雌性烟草甲体内分离出了(6S,7S)4,6-二甲基-7-羟基-壬烷-酮-3(serricomine),并很快商品化,目前仍在日本储烟仓库中使用。在此基础上,德国的Vonwitlko等在1982年发现并合成了环化-serricomineo,1983年德国的Heermann等合成了脱水-serricomine[79]。国内学者对烟草甲性信息素的研究起步较国外晚,但也涌现了一批成果。在国内,毛若云等首次成功合成了2种烟草甲虫雌性信息素:2,6-二乙基-3,5-二甲基-2,3-二氢毗喃和4,6-二甲基-7-羟基-壬烷-酮-3[80];吴江等以(S)-脯氨酸及丙炔醇为原料,合成了烟草甲性信息素,亦有很好的引诱作用[81]。目前烟草甲雌性信息素共有6种,serricorole和serricorone的性刺激效果较强,但性诱效果较弱,serricorole作为产卵抑制物能阻止雌烟草甲在已着卵的物体上产卵;性信息素4S,6S,7S-serricomin吸引力最强,其中6-二甲基-3-壬酮,(4S,6S,7S)-7-羟基-4对雄性烟草甲成虫有很强的性刺激性和引诱性[82]。烟草甲性诱剂已成为储烟仓库必不可少的防控措施,在监测烟草甲方面有不可替代的作用。

保幼激素别称返幼激素,Ryan用带有保幼激素的烟叶饲喂烟草甲后,烟草甲不能正常发育,幼虫无法化蛹完成生命周期[1]。根据这一特性,国外有学者研究并发明了烟草保护剂Kabat,在复烤加工阶段以5.0×10-6~1.0×10-5 mg/m3使用烟草保护剂Kabat喷在烟叶上,可保护烟叶2~4年不受损伤[83];国内也有使用保幼激素类药剂防治烟草甲的报道,杨长举等使用小麦中蒙515浓度为10-5 mg/m3时可防治烟草甲达2年之久[57];洪深求等使用双氧威以10~20 mg/kg的浓度处理烟叶10个月后,供试烟草甲死亡率达100%[84]。

3.2 微生物

对烟草甲的微生物研究主要集中在苏云金芽孢杆菌(Bt)和白僵菌上。

白僵菌是一种子囊菌类的虫生真菌,只有少部分白僵菌对烟草甲有较强的毒力,因此想要用白僵菌防治烟草甲就需要研究者们先筛选出一些毒力较强的样本。已报道筛选出的高毒力白僵菌有球孢白僵菌[Beauveria bassiana(Balsamo)]、布氏白僵菌[B. brongniartii(Sacc.)]和白僵菌菌株Bb050722,均对烟草甲有一定的致死作用[85-86];白僵菌菌株Bb050722以1.46×108个孢子/mL浓度处理供试烟草甲,18、21、25、28 ℃时烟草甲2龄幼虫半数致死时间(LT50)分别为6.3、3.9、3.6、4.1 d,结果表明,白僵菌对烟草甲有不错的防控效果[86];刘爱英等测定白僵菌粉对烟草甲的毒力,发现施药21 d后烟草甲死亡率为84.4%,且证明了烟草甲可以带菌迁飞[87];罗力等对烟草甲带菌迁飞现象进行了进一步研究,其研究结果表明烟草甲可以带菌迁飞40 m以上,实仓使用时集中释放白僵菌比分散释放效果好[88];张晓敏等针对醇化仓库高温低湿环境筛选能够耐受 -0.8 MPa 的较低水势和35 ℃环境条件,且生长稳定的突变菌株,能在醇化仓库恶劣的环境胁迫下长期生存[89]。

Bt是微生物研究领域的热门之一,Bt在形成孢子时产生的蛋白质类芽孢体内物质对广谱昆虫有高致死性,如今已有防治水稻二化螟、大螟等害虫的成熟商品[90]。一些学者进行了Bt对烟草甲防治效果的研究。Kaelin等从烟末中分离出3种Bt菌株,用这3种Bt菌株处理烟草甲7 d后,供试烟草甲幼虫致死率最高可达80%[91];Tsuchiya等从 2 000 多种分离物中筛选出了28种分离物,这28种分离物对幼虫有强致死作用,并证明β外毒素是烟草甲生物活性的关键[92]。高家合从10多个地区共采集到801个烟叶样品,并从中分离得到736株Bt菌株,对这些菌株的生物毒力进行测定,结果表明所得菌株中有9个菌株接种12 d后,供试烟草甲校正死亡率超过95%[93];齐绪峰等通过在东南沿海地区、东北、华东、华中和西南地区的7家卷烟厂的烟叶仓库中采集到各种类型的样品共521份,从中分离出Bt菌株952株并对其进行毒力鉴定,结果表明,有18株对烟草甲的杀虫活性较高,施药后3 d,有13株菌株对烟草甲的校正死亡率超过70%;施药后9 d,有12株菌株对烟草甲的校正死亡率超过80%,有3株菌株对烟草甲的杀虫活性最高,校正死亡率达90%以上[94];世界顶级烟草公司——菲利普·莫里斯公司在欧洲的实验室从仓储烟草中分离的Bt菌株毒力测定结果显示,施药后烟草甲校正死亡率为83%。Bt制剂在防控烟草甲方面有很大的潜力可供挖掘,有很好的应用前景[95]。

3.3 自然天敌

烟草甲已知的自然天敌较少,何榕宾等分别对福建省和贵州省烟草甲天敌资源进行了调查,估计烟草甲的天敌有5目8科13种[96-97];郭军等在贵阳地区进行了烟草甲天敌资源调查,发现象虫金小蜂[Anisopteromalus calandrae (Howard)]是贵阳地区烟草甲的优势种寄生蜂,研究了其生物学特性并对其防控烟草甲的潜力做了评估,结果表明,1只象虫金小蜂在24 h内可以寄生14.14头烟草甲老熟幼虫,519只烟草甲蛹,具有一定防控烟草甲的潜力[98];国外报道的烟草甲天敌资源有腐食酪螨[Tyrophagus putrescentiae(Schrank)]、米象金小蜂[Lariophagus distinguensis(Ferster)]、象虫金小蜂[A. calandrae(Howard)]和伍异金小蜂[Anisopteromalus quinarius][99-103],但均未见进一步在生物防治应用方面的研究报道。

4 烟草甲的分子生物学研究进展

分子生物学是从分子水平阐明生命现象和本质的科学,随着近10年来分子生物学的迅速发展,一些研究者希望从分子层面寻找到防治烟草甲的办法,目前对烟草甲分子生物学的研究主要集中在Cry基因、系统发育、热激蛋白和蛋白酶基因等方面,研究内容集中在基因克隆、基因功能鉴定和系统发育等方面,较为片面,未构成较为整体的研究体系;从基因组学角度宏观地阐释烟草甲各基因组的结构、进化、定位、编辑和功能的研究较少,且现有研究手段大多停留在转录組测序后的基因克隆表达验证阶段,深入至蛋白表达差异分析研究较少,已较为普遍使用的一些蛋白层次的研究手段,如蛋白纯化和蛋白质印迹法等基本未见在烟草甲的研究中使用。总而言之,期待更多新的分子生物学的研究方法被用于烟草甲的研究之中。

4.1 Cry基因

Cry基因是从苏云金芽孢杆菌中提取的具有单独杀虫活性的晶体蛋白,也是国内外应用开发最多的抗虫基因,世界范围内已有500多种Cry基因被报道[104]。传统的Cry基因命名系统将Cry基因分为5个大类,分别是CryI、CryII、CryIII、CryIV、CryV[105],如今的Cry基因命名系统用简化了罗马数字表达,换用阿拉伯数字命名,并分4个级别对Cry基因进行每一位的命名,已报道的500多种Cry基因按新的命名方法可以分为60多大类。而国内外已报道的从各国家和地区的加工厂和烟仓的烟草残渣、成品烟叶及死亡的烟草甲中提取出来的对烟草甲有一定毒杀效果的Cry基因属类较多。例如,高家合等从云南省烟草科学研究所分离的752株Bt菌株中分离得到27株含Cry基因的Bt菌株,20株分属Cry4,7株分属Cry1[106];胡逸超等对苏云金芽孢杆菌菌株GXZY032的Cry基因类型做了鉴定,该菌株上有CryI、CryII和Cry10这3种类型Cry杀虫基因[107],Michel从15个国家的加工厂和烟仓中收集烟草甲死亡尸体、加工碎片和烟叶样品共126个,检测分离出的107株Bt菌株分属Cry1(18%)、Cry2(23%)和Cry3(59%)[108];Hfte等对3株Bt菌株进行了测序比对,发现其Cry基因均为CryIII A杀虫基因[109]。研究者们从大量Bt菌株中筛选出一些对烟草甲毒力较强的菌株并对其毒性做了测定,测定的结果显示,毒力最高的Bt菌株对烟草甲幼虫的99%致死浓度(LC99)为9 d,且基本所有筛选出的Bt菌株在施用9 d后都能达到80%以上的防效,这表明开发Bt试剂防治烟草甲是可行的。但对目前已报道的这些Cry基因的分类分析发现,Cry3类的Cry基因数量占所有基因数量的百分比比预想的要小。Cry3基因是被公认的对鞘翅目昆虫毒力最强一类的Cry基因[110],烟草甲属鞘翅目窃蠢科,Cry3基因对烟草甲防治的效果应当更好,因此建议在以后的取样中,应当从协同进化的角度考虑,着重收集烟草甲样本,以寻找到对烟草甲专性更强的菌株。

4.2 系统发育学

系统发育学是重建地球生命进化史的科学,传统的系统发育学仅仅依靠形态学数据进行分类,但物种的种下分化往往产生极相似的亚种,且传统分类学的较高专业知识储备要求严重阻碍了系统发育学的研究。随着交叉学科的发展,分子生物学引入后系统发育学有了新的研究手段。许多研究者开始尝试使用分子学方法研究烟草甲的系统发育。Coelho-Bortolo等在巴西储烟仓库收集了11个烟草甲种群,并用20多个随机扩增多态性DNA(random amplified polymorphic DNA,简称RAPD)引物对所收集到的种群进行测序,对得到的350多条基因序列做了系统发育分析,构建了系统发育树,研究结果表明,不同地区烟草甲种群内有高度遗传变异性,且这种遗传的变异性会随着被侵染的烟叶的交流而增强[110];Blanc等从15个国家收集了16个烟草甲种群,用扩增片段长度多态性(amplified fragment length polymorphism,简称AFLP)方法得到了16个烟草甲种群的基因序列,并建立了系统发育树,但Blanc的研究结果表明,不同地区的烟草甲种群构建的系统发育树种遗传差异不大,并将这一结果同样归结于烟叶在全球范围内的流动[111]。随着经济全球化进程的加速,烟叶作为世界最重要的经济作物之一,必然在全球范围内加速流动,烟叶在世界范围的流动究竟对烟草甲种群的遗传分化有什么样的影响,还须要研究者们更进一步的研究,相应的研究成果对协同进化等一些大生物的基本问题也有很重要的意义。

分子生物学研究方法除了被用于烟草甲种群的遗传分化性研究上,还被研究者用于烟草甲的重要共生菌YSL上。Noda等用电泳对烟草甲的重要共生菌YSL的染色体DNA进行分离,结果表明其染色体数为11条,基因组大小为20.9 Mbp,并对YSL进行了系统发育学分析,结果表明YSL来源于早期的真子囊菌纲的丝状真菌,后期发展为甲虫类的专有共生菌[112]。

4.3 热激蛋白

昆虫是变温动物,对于昆虫的生命活动,温度是最重要的影响因素,昆虫的温度耐受性机制是决定其种群在特定生态环境下能否得以存活的一个重要条件。已有研究结果表明,昆虫对温度胁迫的耐受能力除了与其种群遗传特效有关之外,不同的昆虫还会采用不同的生化及生理策略来抵御温度胁迫。这其中,昆虫面对温度胁迫时的热激蛋白的诱导表达是目前研究最多、也是被认为与昆虫的温度耐受性关系最密切的因素之一[113]。但最新的研究成果表明,热激蛋白不仅参与昆虫应对温度胁迫的调节,还可能参与了其他外界胁迫的调节。Yang等研究了4个小分子量热激蛋白基因LsHsp19.4、LsHsp20.2、LsHsp20.3、LsHsp22.2等在烟草甲各时期的表达水平以及面对CO2气调胁迫时的表达水平,结果表明,LsHsp20.2和LsHsp22.2在成蟲时表达量最高,LsHsp19.4和LsHsp20.3在蛹期表达量最高,在面对CO2气调胁迫时,LsHsp20.2和LsHsp20.3表达量有显著的上调,但LsHsp19.4的表达量却下调了,这表明部分热激蛋白基因也参与了烟草甲应对外界胁迫的应激响应[13]。

4.4 一些重要的酶基因克隆及功能验证

酶是由活细胞产生的,对其底物具有高度催化效能和高度特异性的RNA或蛋白质,是一类极为重要的生物催化剂,如果缺少酶,生命体将无法正常完成发育周期[114]。许多学者针对烟草甲的一些重要的酶基因进行了相应的研究。

谷胱甘肽S-转移酶是各种亲电子化合物与催化还原型谷胱甘肽进行亲核加成反应的酶,是昆虫体内的重要代谢解毒酶。严毅等从转录组中筛选出了谷胱甘肽S-转移酶基因LsGSTe1,并用甲酸乙酯对供试烟草甲进行胁迫,结果表明,30%致死浓度(LC30)(10 μL/L)和LC50(20 μL/L)的甲酸乙酯对烟草甲5龄幼虫熏蒸胁迫后,幼虫体内LsGSTe1的表达水平显著升高,与对照组相比分别是对照组的2.96、5.80倍。RNA干扰(RNAi)72 h后,ds LsGSTe1注射组与对照(ds GFP组)相比,LC50浓度的甲酸乙酯处理5龄幼虫的死亡率明显提高了324%,这表明LsGSTe1可能参与了烟草甲对甲酸乙酯的代谢和解毒过程[115];许抗抗等从转录组中筛选出了谷胱甘肽S-转移酶基因LsGSTt1、LsGSTd1和LsGSTs1,并对其在CO2胁迫下的表达量进行了研究,结果表明,用LC50、LC30、10%致死浓度(LC10)这3个CO2浓度处理烟草甲低龄幼虫6 h后,烟草甲中LsGSTd1表达量与对照组无显著性差异,而LsGSTt1和LsGSTs1表达量与对照组相比有显著性差异,表达量上调,这表明LsGSTt1和LsGSTs1参与了烟草甲对CO2气调胁迫的应激响应[116];李灿等也进行了谷胱甘肽S-转移酶对CO2气调胁迫下的反应机制研究,结果表明烟草甲在受到CO2气调胁迫3、6、9 h 后,谷胱甘肽S-转移酶活性被激活[117]。

丝氨酸蛋白酶是一个蛋白酶家族,它们的作用是断裂大分子蛋白质中的肽键,使之成为小分子蛋白质,对昆虫的先天免疫反应机制有重要作用。陈春旭从转录组中筛选出了4个具有clip结构域的丝氨酸蛋白酶基因LsCLIP、LsCLIP2、LsCLIP3、LsCLIP4,通过RT-PCR克隆得到了其全长序列,并用qPCR解析了所得到的LsCLIPs基因的时空表达模式和20-羟基蜕皮激素(20E)的诱导表达模式,并在此基础上用RNAi技术对LsCLIPs基因在烟草甲的先天免疫和生长发育中的功能进行了验证,结果表明,20E可以诱导LsCLIPs基因的高表达,4个LsCLIPs基因在烟草甲生命周期各阶段皆有表达,用20E注射烟草甲高龄幼虫后LsCLIPs基因表达量有显著上调,这些结果表明LsCLIPs基因参与了烟草甲对免疫胁迫的应激响应和生长发育[118]。

几丁质是仅次于纤维素的自然界中含量第二多的多糖,也是烟草甲的外壳的重要组成元素。杨文佳等对烟草甲控制几丁质的重要基因——几丁质脱乙酰酶1基因进行了研究,从送测的烟草甲转录组中筛选后通过RT-PCR克隆得到几丁质脱乙酰酶基因LsCDA1,对烟草甲4龄幼虫注射20-羟基蜕皮酮诱导后LsCDA1基因的表达量显著上调,这表明LsCDA1参与了烟草甲体内激素调节,同时杨文佳等对该结果通过RNAi技术进行了验证,结果表明注射该基因双链核糖核酸(dsRNA)后,LsCDA1表达量下调87%,供试烟草甲不能蜕皮、腹部皱缩死亡或蜕皮时间推迟,不能正常完成生命周期[119];Chen等研究了烟草甲几丁质降解的重要基因——N-乙酰谷氨酸合成酶基因LsNAG1,结果表明,LsNAG1在幼虫后期和蛹期后期表达水平最高,LsNAG1经20-羟基蜕皮酮诱导后表达量显著上调,烟草甲4龄幼虫和烟草甲的蛹注入该基因dsRNA后,这2个阶段的LsNAG1表达量显著下调,供试烟草甲出现严重的蜕皮和高死亡率现象,与注入ds GFP的对照组相比,注入LsNAG1的烟草甲蛹和烟草甲4龄幼虫的死亡率分别高了83%、48%,这表明LsNAG1在烟草甲幼虫至蛹和蛹至成虫期有很重要的作用,并且可以作为新杀虫剂的靶标[120]。

羟酸酯酶是昆虫体内最重要的解毒酶之一,在对杀虫剂的抗性形成和对外源化合物的解毒代谢中起着重要作用。朱晓晔等从转录组中筛选后,通过RT-PCR克隆得到的LsCarEB1和LsCarEB2表达量在供试烟草甲经过CO2胁迫后与对照组相比明显上调,且这2个基因在烟草甲高龄幼虫期表达量显著高于烟草甲其他生命周期的表达量,这表明LsCarEB1和LsCarEB2是响应CO2胁迫的重要机制之一,而且在烟草甲的生命周期中有重要作用[121]。

4.5 抗生素基因

在日本,烟草甲还被作为医学昆虫。Watanabe等在14个不同地区日本牙科诊所中收集烟草甲种群,并对这些烟草甲抗药基因MecA、VanA、VanB、BlaIMP、BlaVIM等做了研究,结果表明,供试烟草甲饲喂抗生素类药品后,这几种基因表达量没有明显上调或下调,烟草甲对抗生素类药品无抗药性,对烟草甲抗药基因的研究,可能为解决人类抗生素抗药性问题提供一定的思路[122]。

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