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本书包括微生物资源的筛选,功能蛋白的分离、纯化和基因克隆,高效工程菌株的构建,蛋白质药物的发酵和制备工艺,蛋白质结构与功能分析及功能基因对植物的遗传转化等内容。在吸收最新研究成果的基础上,系统地介绍了蛋白质生物农药的研究现状和发展趋势,展望了蛋白质生物农药的发展前景。本书的特点是系统、全面、循序渐进,既有蛋白质生物农药的理论基础知识,也包括丰富的蛋白质实验分析技术。可供各大专院校作为教材使用,也可供从事相关工作的人员作为参考用书使用。
内容简介
《蛋白质生物农药》内容为现代生物技术前沿之一,是在生物技术快速发展、生物农药备受关注的背景下,在分析了国内外蛋白质生物农药研究进展及研制经验的基础上编著而成的。全书共分十四章,包括蛋白质生物农药的概念及类型,Bt杀虫晶体蛋白的生物杀虫作用及应用,细菌源蛋白质生物农药,真菌源蛋白质生物农药,蛋白质生物农药对植物的免疫增产功能,蛋白质生物农药的作用机制,农药的毒理学评价,蛋白质生物农药的筛选和评价模型,蛋白质生物农药的发酵、制备和检测,蛋白质生物农药的制剂技术和应用,蛋白质药物的分子生物学研究技术,蛋白质药物的结构解析与分子设计,蛋白激发子转基因植物研究,蛋白质生物农药的发展前景等。
《蛋白质生物农药》适合农林院校的农学和植物保护类专业及综合性院校的生命科学相关专业的教师、研究生使用,也可供相关研究领域的科研人员参考。
内页插图
目录
前言
第一章 蛋白质生物农药的概念及类型
第一节 蛋白质生物农药的概念
第二节 蛋白质生物农药发展现状
第三节 蛋白质生物农药类型
第四节 蛋白质生物农药的发展趋势
参考文献
第二章 Bt杀虫晶体蛋白的生物杀虫作用及应用
第一节 Bt杀虫晶体蛋白的生物杀虫作用
第二节 Bt杀虫晶体蛋白生物杀虫作用机制
第三节 Bt杀虫剂的优缺点与改进
第四节 Bt杀虫晶体蛋白生物农药的研究进展
参考文献
第三章 细菌源蛋白质生物农药
第一节 Harpin蛋白基因簇
第二节 Harpin功能基因的发掘及功能域
第三节 Harpin蛋白家族及遗传学特性
第四节 Harpin的生物学功能
参考文献
第四章 真菌源蛋白质生物农药
第一节 极细链格孢菌植物激活蛋白
第二节 稻瘟菌植物激活蛋白
第三节 灰葡萄孢菌植物激活蛋白
参考文献
第五章 蛋白质生物农药对植物的免疫增产功能
第一节 激活蛋白的诱导抗性作用
第二节 激活蛋白促进植物生长和提高作物产量
第三节 激活蛋白提高农作物品质和营养要素的作用
第四节 激活蛋白诱导植物的抗逆性
参考文献
第六章 蛋白质生物农药的作用机制
第一节 蛋白性质的(类)激发子受体
第二节 激发子诱导植物的早期防卫反应
第三节 植物抗病信号分子及转导途径
第四节 蛋白激发子激发植物抗病防卫基因的表达
第五节 激发子诱导植物防卫反应的物质基础
参考文献
第七章 农药的毒理学评价
第一节 毒理学基本概念及其分类
第二节 农药对人体的危害
第三节 毒性作用机制
第四节 农药的毒理学评价
第五节 EPA对蛋白农药的安全性的认证
第六节 植物激活蛋白的毒性检测
第七节 Messenger的毒理学研究
参考文献
第八章 蛋白质生物农药的筛选和评价模型
第一节 蛋白质生物农药的抗病性筛选模型
第二节 蛋白质生物农药促进植物生长的模型
第三节 蛋白质生物农药生理生化活性检测模型
第四节 蛋白质生物农药提高作物品质和营养含量的检测方法
参考文献
第九章 蛋白质生物农药的发酵、制备和检测
第一节 微生物发酵工程的进展
第二节 蛋白质生物农药产生菌培养条件的研究
第三节 蛋白质药物发酵技术研究和产业化规模生产
参考文献
第十章 蛋白质生物农药的制剂技术和应用
第一节 蛋白质制剂的基本剂型和工艺流程
第二节 蛋白质制剂的基本组成
第三节 蛋白质制剂的质量标准和储存
第四节 蛋白质制剂应用
参考文献
第十一章 蛋白质药物的分子生物学研究技术
第一节 蛋白质药物的分离与纯化
第二节 生物质谱与蛋白氨基酸序列测定
第三节 蛋白质的基因克隆
第四节 蛋白质表达
参考文献
第十二章 蛋白质药物的结构解析与分子设计
第一节 蛋白质药物的生物信息学
第二节 蛋白质同源建模
第三节 蛋白质的结构研究
第四节 蛋白质药物的功能与分子设计
参考文献
第十三章 蛋白激发子转基因植物研究
第一节 植物基因工程概述
第二节 蛋白激发子转基因植物研究
参考文献
第十四章 蛋白质生物农药的发展前景
第一节 现代生物技术加速蛋白质生物农药的创新
第二节 蛋白质生物农药的发展带来了生物农药的变革
第三节 蛋白质生物农药的发展保障农产品安全
第四节 发展蛋白质生物农药的可行性及前景分析
参考文献
图版
精彩书摘
二、苏云金芽孢杆菌多剂型提高防治效果扩大杀虫谱
我国应用于植物害虫生物防治的生物农药主要以苏云金芽孢杆菌为主。我国苏云金芽孢杆菌杀虫剂研究始于20世纪50年代,经过多年的努力,目前我国苏云金芽孢杆菌的年产量约4万t,但与欧美国家相比,我国产品的发酵和制剂水平仍存在一定的差距。国外有关苏云金芽孢杆菌的规模化生产大多采用了高效广谱的工程菌株,其特点是发酵水平较高和发酵产品的回收率高;同时国际上有关苏云金芽孢杆菌制剂的剂型也较多,有粉剂、可湿性粉剂、悬浮剂、浓水剂、油乳剂、乳油、颗粒剂、片剂、乳悬剂、缓释剂、生物包被剂等。而我国大部分现用的生产菌株为苏云金芽孢杆菌k类型,产品剂型以可湿性粉剂和悬浮剂为主;有关苏云金芽孢杆菌的液体发酵工艺生产上主要采用批式发酵技术,后提取技术主要采用离心浓缩工艺,导致发酵液中增效因子等有效成分的部分损失。此外,我国目前部分生物农药生产企业的喷雾干燥设备也制约了产品回收率的提高。采用基因工程技术构建药效稳定、防治面较广的Bt工程菌剂,充分利用我国极其丰富的微生物资源,以叶甲类鞘翅目害虫、甜菜夜蛾等鳞翅目害虫为主要防治对象,通过杀虫晶体蛋白基因组合、分子进化、不同结构域中氨基酸定点诱变、融合、互换等分子设计手段进一步提高杀虫毒力,扩大杀虫谱,进行高效广谱Bt制剂的研制和应用是当前Bt生物农药发展的新趋势。
前言/序言
生物农药主要包括微生物农药(如细菌、病毒和真菌等)、农用抗生素、植物源农药、生化农药(如动物激素、植物生长调节剂等)、天敌农药(如天敌昆虫等)和转基因农药(如抗病虫草的转基因植物等)几大类。生物农药在我国农业生产中发挥着日益重要的作用,随着人们对粮食安全和环境安全重要性认识的提高,生物农药产业必将迎来前所未有的发展。
蛋白质生物农药是生物农药领域中近年来快速发展的方向之一,蛋白质生物农药是指来源于自然界生物,对农作物病、虫、草害具有抑制或防控功能并达到农药登记标准各项指标的生物蛋白质制剂。蛋白质生物农药已成为新型生物农药发展中的一个亮点,其中已被广泛使用的蛋白质生物农药主要有用于防治棉铃虫、小菜蛾和蚊子的苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋白,而用于控制病害和增强抗逆性的过敏蛋白和激活蛋白等蛋白质生物农药也正在逐步应用于农业生产中。
为了把我国建设成为一个生态文明和环境安全兼具的农业大国,发展和壮大生物农药产业是一项非常紧迫的任务。近年来,我国生物农药应用研究与基础理论研究快速发展,本书就总结了蛋白质生物农药的研究进展以及制备技术方法和手段,这对于促进蛋白质生物农药产业的发展壮大将起到积极的推动作用。我们希望本书的出版对该领域的科研工作者和生物农药使用者会有所帮助。
本书包括微生物资源的筛选,功能蛋白的分离、纯化和基因克隆,高效工程菌株的构建,蛋白质药物的发酵和制备工艺,蛋白质结构与功能分析及功能基因对植物的遗传转化等内容。在吸收最新研究成果的基础上,系统地介绍了蛋白质生物农药的研究现状和发展趋势,展望了蛋白质生物农药的发展前景。本书的特点是系统、全面、循序渐进,既有蛋白质生物农药的理论基础知识,也包括丰富的蛋白质实验分析技术。
全书分十四章,各章节的编写人员如下:邱德文(第一、二、十四章),杨秀芬(第三、六章),张云华(第四章 ),王旭丽(第五章 ),毛建军(第七、十三章),郭立华(第八章 ),孙东园(第九、十章),曾洪梅(第十一、十二章)。
在本书的编写过程中,中国农业科学院植物保护研究所和农业部生物防治重点实验室的领导及同事给予了大力支持,借本书出版之际,我向诸位致以衷心的感谢!
限于编著者的水平和经验,书中难免存在错误和疏漏,敬请读者批评指正!
《微生物视角下的农业革命:创新农药的绿色前沿》 在农业生产追求可持续发展和环境保护日益严峻的今天,传统的化学农药正面临着巨大的挑战。其对土壤、水源、生态系统乃至人类健康的潜在危害,促使着科学界和产业界不断探索更安全、更环保的替代方案。正是在这样的背景下,我们得以深入探究一个充满希望的新兴领域——微生物农药。本书旨在从微生物学的核心视角出发,全面、深入地剖析微生物农药的科学原理、发展现状、技术瓶颈以及广阔的应用前景,为读者勾勒出一幅由微观生命主导的农业革命图景。 第一章:微生物的天然武器库:认识病虫害的克星 本章将带领读者走进微生物的微观世界,揭示它们如何在自然界中扮演着至关重要的角色,特别是它们作为天然病虫害防治者的非凡能力。我们将从宏观上认识微生物群落的丰富多样性,重点介绍那些在农业生产中具有潜在应用价值的微生物类群,包括但不限于细菌、真菌、病毒和原生动物。 细菌的“微生物杀手”:我们将详细介绍苏云金芽孢杆菌(Bt)这类明星细菌。Bt的基因工程改造,使其能够生产出具有高效杀虫活性的伴孢晶体蛋白(Cry蛋白),这些蛋白能够特异性地作用于某些昆虫的消化道,从而达到杀灭害虫的目的,而对非靶标生物则几乎没有影响。我们将深入探讨Bt的不同菌株及其产生的不同Cry蛋白,以及它们所能防治的害虫范围,例如防治鳞翅目害虫的Bt var. kurstaki、防治鞘翅目害虫的Bt var. tenebrionis等。此外,还将介绍其他具有杀虫、杀菌或促生作用的细菌,如蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)等,阐述它们的作用机制,例如产生抗菌物质、竞争营养、诱导植物抗性等。 真菌的“隐形杀手”:我们将聚焦于具有优良生物防治潜力的真菌,特别是真菌性杀虫剂和杀菌剂。例如,绿僵菌(Metarhizium anisopliae)和白僵菌(Beauveria bassiana)是两种广泛研究和应用的杀虫真菌,它们通过侵入昆虫体表,在昆虫体内生长繁殖,释放毒素,最终导致昆虫死亡。我们将探讨这些真菌的感染机制、孢子萌发、侵入、生长和繁殖过程,以及影响其防治效果的环境因素。同时,我们将介绍一系列杀菌真菌,如木霉菌(Trichoderma spp.),它们能够通过拮抗作用、寄生作用、产生抗生素等方式,有效防治植物病原真菌,如灰霉病、白粉病等。 病毒的“特异性武器”:我们将重点介绍昆虫病毒,特别是杆状病毒(Baculoviruses)。杆状病毒具有高度的专一性,仅感染特定的昆虫种类,这使得它们成为极具吸引力的生物农药。我们将深入解析杆状病毒的生活周期、基因组结构、表达的毒性蛋白以及其在昆虫细胞内的复制过程。我们将介绍不同种类的杆状病毒,如多角体病毒(NPV)和粒状体病毒(GV),以及它们所能防治的害虫范围。 其他微生物的潜力:除了以上主流类群,我们还将简要介绍原生动物、线虫等在生物防治中的应用潜力,并展望未来可能被开发的微生物资源。 第二章:微生物农药的作用机制:精准打击,绿色防护 本章将深入剖析微生物农药作用于病原体和害虫的各种机制,揭示其“绿色”和“高效”的科学基础。理解这些机制对于优化微生物农药的开发和应用至关重要。 直接致病与毒素产生:这是最直观的作用方式。例如,Bt产生的Cry蛋白能够特异性地结合昆虫肠道细胞上的受体,形成孔洞,导致昆虫细胞渗透压失衡,消化系统崩溃,最终死亡。本章将详细介绍不同Cry蛋白的结构、作用模式以及对不同昆虫类群的特异性。对于真菌,我们将探讨它们如何分泌细胞壁溶解酶、蛋白酶等,侵蚀昆虫或病原体的组织;以及它们产生的三萜类、大环内酯类等生物活性次级代谢产物,这些毒素能够干扰害虫的生长发育、繁殖,或直接杀死病原菌。 竞争与排斥:一些有益微生物,如拮抗性真菌和细菌,能够通过与病原微生物争夺生存空间、营养物质,或者占据寄主表面的生态位,从而抑制病原微生物的生长繁殖。例如,木霉菌能够快速在植物根际定殖,形成生物屏障,阻止致病菌的侵入。 诱导植物抗性:某些微生物在与植物互作时,并非直接杀死病原体,而是能够激活植物自身的防御机制,提高植物对病虫害的抗性。这种作用被称为“诱导抗性”(Induced Resistance)。我们将介绍植物体内信号传导途径,如茉莉酸/乙烯途径、水杨酸途径,以及微生物如何触发这些途径,使得植物能够合成防御性化合物,增强细胞壁强度,甚至激活程序性细胞死亡以隔离病原体。 寄生与捕食:一些微生物,如真菌寄生线虫,能够主动寻找并寄生于线虫,最终将其杀死。同样,某些原生动物也能捕食细菌或真菌。虽然在农药应用中相对较少,但这些机制也为生物防治提供了丰富的思路。 改善植物生长:部分微生物不仅具有防治病虫害的能力,还能通过固氮、解磷、产生植物生长激素等方式,促进植物生长,提高作物产量和品质,间接增强了作物的抗逆性。 第三章:微生物农药的开发与制备:从实验室到田间的飞跃 本章将详细介绍微生物农药从实验室研究到工业化生产的整个过程,包括菌种筛选、发酵培养、剂型开发以及质量控制等关键环节。 高效菌种的筛选与鉴定:优良的菌种是微生物农药的基础。我们将介绍从自然环境中分离、筛选具有生物防治潜力的微生物的方法,包括微生物学的经典分离技术、分子生物学鉴定技术(如16S rRNA基因测序、ITS序列分析)以及功能基因的挖掘。此外,还将介绍利用诱变育种、基因工程等现代生物技术手段,对现有菌种进行改良,提高其生物活性、环境适应性和生产效率。 规模化发酵与培养:微生物农药的生产需要大规模的微生物培养。本章将详细阐述不同类型微生物(细菌、真菌)的发酵工艺,包括培养基的选择、发酵条件的优化(温度、pH、溶氧、搅拌速度等),以及不同类型发酵罐的设计与运行。我们将讨论如何控制发酵过程,以获得高浓度的目标微生物或代谢产物,并最大化产量。 剂型开发与创新:微生物农药的剂型直接影响其稳定性、持效性、施用便利性和环境兼容性。本章将介绍常见的微生物农药剂型,如可湿性粉剂(WP)、悬浮剂(SC)、颗粒剂(GR)、微胶囊剂(MC)等,并深入探讨每种剂型的优势与劣势。我们将重点介绍新型剂型,如生物降解载体、缓释剂型、纳米载体技术等,它们能够有效保护微生物活性成分,提高药效,减少对环境的影响。 质量控制与标准:确保微生物农药的质量是其推广应用的关键。本章将介绍微生物农药的质量控制指标,包括微生物活菌数、杂菌率、有效成分含量、稳定性测试等。同时,还将讨论微生物农药的登记注册流程、相关法规以及国际国内的质量标准。 第四章:微生物农药的应用与挑战:绿色农业的未来图景 本章将聚焦于微生物农药在实际农业生产中的应用,探讨其优势,同时也直面其发展过程中遇到的挑战,并展望未来的发展趋势。 应用领域与效益:我们将列举微生物农药在不同作物(粮食作物、蔬菜、果树、经济作物等)和不同病虫害防治中的成功案例,并分析其带来的经济效益和社会效益。例如,减少化学农药的使用,降低生产成本,提高农产品质量安全,保护生态环境,维护生物多样性。 环境因素的影响与适应性:微生物农药的防治效果受到多种环境因素的影响,如温度、湿度、光照、土壤pH、土壤类型等。本章将深入分析这些因素如何影响微生物农药的存活、生长和活性,以及如何通过科学的施用技术和剂型设计来克服这些限制。 靶标特异性与非靶标效应:尽管微生物农药具有较高的靶标特异性,但其对非靶标生物的潜在影响仍然是关注的焦点。本章将讨论如何通过精细的菌种选择、剂型设计和施用策略,最大限度地减少对益虫、授粉昆虫、土壤微生物等非靶标生物的影响。 抗药性管理:与化学农药类似,病原体和害虫也可能对微生物农药产生抗性。本章将探讨微生物农药产生抗性的机制,并提出相应的抗性管理策略,如轮换使用不同作用机制的微生物农药、与其他防治手段结合等。 技术瓶颈与未来展望:本章将总结微生物农药目前面临的主要技术瓶颈,例如稳定性差、持效期短、成本高、作用速度慢等,并对未来的研究方向和发展趋势进行展望。包括基因编辑技术在微生物农药开发中的应用、与其他生物防治技术(如天敌、植物提取物)的协同增效、以及微生物农药在精准农业和智能化农业中的角色。 本书的写作目标是为广大农业科研人员、技术推广人员、农药生产企业以及关心绿色农业发展的读者,提供一个全面、系统、深入了解微生物农药的平台。我们希望通过本书的解读,能够激发更多人对微生物农药的关注和投入,共同推动这场绿色农业革命的深入发展,最终实现农业生产与生态环境的和谐共生。