《Scientific Reports》：Sustainable production of insecticidal and acaricidal metabolites by endophytic fungi using solid-state fermentation
编辑推荐：
为解决化学农药带来的环境与抗性风险，研究人员从小麦中分离内生真菌，首次评估了 Geomycessp. MORSY-27 在农业废弃物固态发酵下合成杀虫杀螨代谢产物的潜力。该菌株在葵花籽粕上高效产生活性成分，对黑切根虫 (Agrotis ipsilon) 和二斑叶螨 (Tetranychus urticae) 表现出强效抑制作用，幼虫发育受阻、成虫死亡率近100%。研究为开发低成本、可持续的生物农药提供了新策略，对综合害虫治理 (IPM) 具有重要应用价值。
小麦是全球最重要的粮食作物之一，但其生产长期受到害虫的严重威胁。黑切根虫 (Agrotis ipsilon) 和二斑叶螨 (Tetranychus urticae) 是其中两种极具破坏性的害虫，它们侵染作物根部、茎叶，导致生长受阻、产量锐减，严重时可造成绝收。传统上，化学农药是控制这些害虫的主要手段，然而其过度使用已引发一系列严峻问题：害虫抗药性快速增强、农药残留污染环境、杀伤有益生物（如天敌和授粉昆虫），并对人畜健康构成潜在风险。因此，寻找高效、安全、可持续的替代防治策略已成为农业领域迫在眉睫的需求。
在这一背景下，生物防治，特别是利用微生物及其代谢产物进行害虫防控，展现出巨大潜力。内生真菌是一类生活在健康植物组织内部而不引起明显病害的微生物，它们能与宿主植物共生，并通过产生丰富的次级代谢产物来帮助植物抵御病虫害。这些代谢产物包括具有杀虫活性的生物碱、酚类、萜类、黄酮类化合物，以及能够降解害虫体壁的几丁质酶、蛋白酶和脂肪酶等。相较于化学合成农药，这类天然产物通常更具环境友好性和靶标特异性。然而，如何低成本、大规模地生产这些活性代谢产物，是实现其产业化应用的关键瓶颈。
针对上述问题，发表在《Scientific Reports》上的一项研究给出了创新性的解决方案。研究人员将目光投向了内生真菌与固态发酵 (Solid-State Fermentation, SSF) 技术的结合。固态发酵利用农业或食品工业的固体废弃物（如果渣、饼粕等）作为培养基质，模拟真菌的自然生长环境，不仅能显著降低生产成本，还能有效刺激真菌合成高水平的活性代谢产物，实现废弃物的资源化利用。该研究首次系统评估了从小麦根部分离的内生真菌，特别是 Geomycessp. MORSY-27，利用多种农业废弃物进行固态发酵，生产杀虫杀螨代谢产物的能力，并深入探究了其活性成分和作用效果。
为了开展这项研究，作者运用了几个关键的技术方法。首先，从埃及三个不同地区（尼罗河三角洲、中部和上部）的健康小麦根部，通过表面消毒和组织培养法，分离出38株内生真菌。其次，利用固态发酵平台，以芋头渣、葵花籽粕等多种农业废弃物为基质，培养真菌并提取其代谢产物。接着，通过一系列生化检测（如测定几丁质酶、蛋白酶、脂肪酶、超氧化物歧化酶SOD、谷胱甘肽过氧化物酶GPx的活性，以及总酚、总黄酮、生物碱、萜类和总脂肪酸含量）来筛选高产菌株。然后，通过形态学、生物化学和分子生物学（ITS区序列分析）方法对最优菌株 Geomycessp. MORSY-27 进行了鉴定。最后，通过室内生物测定，评价了不同基质发酵产物对黑切根虫幼虫/蛹的生长发育、死亡率、成虫羽化率的影响，以及对二斑叶螨雌成螨的致死率和卵孵化抑制率，并利用气相色谱-质谱联用 (GC-MS) 技术分析了最优提取物中的活性化学成分。
研究结果
1. 小麦内生真菌的分离及其代谢产物生产能力筛选
从埃及三个地区共分离到38株内生真菌。以芋头渣为基质进行固态发酵初筛，发现分离自上埃及地区的菌株MORSY-27在合成各类生物活性代谢产物方面表现最为突出。它产生的生物碱、酚类、黄酮类、萜类化合物以及总脂肪酸含量均最高。同时，该菌株分泌的角质层降解酶（几丁质酶、蛋白酶、脂肪酶）活性也显著高于其他菌株，显示出作为生防菌的巨大潜力。
2. 菌株MORSY-27的表型、化学型及分子鉴定
通过形态学观察，菌株MORSY-27在不同培养基上表现出特定的菌落特征，其分生孢子梗呈轮枝状，分生孢子为梨形至棒状。生化检测显示其具有磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、酯酶、脂肪酶等多种酶活性。基于内部转录间隔区 (ITS) 序列的系统发育分析表明，该菌株与 Geomyces属的真菌亲缘关系最近。结合其形态、生理和分子特征，该菌株被鉴定为 Geomycessp. MORSY-27。这是首次报道该属真菌具有作为生防剂的潜力。
3. 农业废弃物、湿度及温度对代谢产物生产的影响
评估了六种农业废弃物（橙渣、芋头渣、香蕉渣、葵花籽粕、番茄渣、锦葵茎）作为生产基质的效果。结果表明，在20°C和55%初始含水量 (IMC) 的优化条件下，葵花籽粕 (SFC) 是生产所有目标代谢物的最佳基质。在SFC上，Geomycessp. MORSY-27 生产的酚类、萜类、黄酮类、生物碱含量最高，同时其角质层降解酶（脂肪酶、蛋白酶、几丁质酶）和抗氧化酶（SOD, GPx）的活性也达到峰值。任何偏离此优化条件（温度过高或过低，湿度过高或过低）都会导致代谢产物产量显著下降。
4. Geomycessp. MORSY-27 代谢产物的杀虫活性
用在不同农业废弃物上培养得到的真菌提取物处理黑切根虫的二龄幼虫。结果显示，所有提取物均能显著延长幼虫和蛹的发育期，并提高其死亡率，降低成虫羽化率，且效果呈浓度依赖性。其中，在葵花籽粕上生产的提取物效果最强。在4.0%浓度下，幼虫期延长至41天（对照组为18天），幼虫死亡率超过70%，成虫羽化率降至15%。同时，处理组昆虫出现了明显的形态畸形，如幼虫-蛹中间体、蛹体黑缩、成虫翅膀皱缩无法正常羽化等，表明提取物具有昆虫生长调节活性。
5. Geomycessp. MORSY-27 代谢产物的杀螨活性
提取物对二斑叶螨雌成螨具有强效的杀灭作用，且毒力呈浓度和时间依赖性。在较高浓度（2.0%, 4.0%）下，处理96小时后，芋头渣、香蕉渣和葵花籽粕的提取物均可导致近100%的死亡率。此外，提取物对螨卵孵化具有极强的抑制作用。当用提取物处理雌成螨后再让其产卵，其产下的卵孵化被完全抑制（100%不孵化）。即使直接处理螨卵，在2.0%浓度下，葵花籽粕提取物也能抑制约38%的卵孵化。
6. 活性成分的GC-MS分析
对在最优条件（葵花籽粕，20°C, 55% IMC）下培养的 Geomycessp. MORSY-27 提取物进行GC-MS分析，共鉴定出39种化合物。主要活性成分包括乙基9-顺式,11-反式-十八碳二烯酸酯、9,12-十八碳二烯酸（α-亚油酸）、N-二脱氢六羧基-2,4,5-三甲基哌嗪、十六酸乙酯、9-十八碳烯酸乙酯、13-二十二碳烯酰胺等。这些化合物多为脂肪酸酯、酰胺和生物碱，已知具有多种生物活性，共同构成了其杀虫杀螨的化学物质基础。
研究结论与意义
本研究表明，从小麦中分离的内生真菌 Geomycessp. MORSY-27 是一个具有巨大应用潜力的生物活性代谢产物“细胞工厂”。通过固态发酵技术，特别是利用葵花籽粕等廉价农业废弃物作为基质，可以低成本、高效地生产出富含多种杀虫杀螨活性成分的提取物。该提取物能有效抑制两种重要农业害虫——黑切根虫和二斑叶螨，其作用机制包括干扰昆虫生长发育、导致形态畸形、直接致死以及强烈抑制卵孵化。
这项研究的创新性和重要意义在于：首先，首次系统评估并证实了 Geomyces属真菌作为生防剂的潜力，拓宽了用于生物防治的微生物资源库。其次，成功将固态发酵技术与农业废弃物资源化利用相结合，为生物农药的规模化、低成本生产提供了一条切实可行的绿色工艺路径，符合循环经济和可持续发展的理念。最后，研究结果为开发新型、高效、环境友好的生物农药提供了直接的候选菌株和工艺方案，对减少化学农药依赖、推动害虫综合治理 (IPM)、保障粮食安全和农业生态环境健康具有重要的理论和实践价值。未来，可进一步开展该菌株的田间防效试验、活性化合物的分离纯化与作用机制深入研究，以及发酵工艺的放大优化，加速其产业化应用进程。
