植物病虫害的植物源与生物防治的“One Health”视角

《Journal of Natural Pesticide Research》：One Health Perspective of Botanical and Biological Control of Plant Pests and Diseases

　　

摘要：气候变化、人口增长和耕地面积减少正在加剧植物病虫害对农业生产力和粮食安全的影响。尽管使用合成化学农药是目前最广泛采用的病虫害防治策略，但其广泛使用引发了重大的健康与安全问题。合成化学农药导致环境污染、生态系统失衡、抗菌素耐药性（Antimicrobial Resistance, AMR）以及多种人类健康疾病。此外，旨在减少这些农药有害影响的缓解措施并未充分消除相关风险。因此，开发并采用更安全、更可持续的替代方案日益受到关注。本论文从“One Health”视角综述了植物源农药和生物防治剂，统称为生物农药（biopesticides）。该综述强调使用促进人类、动物和环境健康的农药。生物农药具有多种作用模式、对非靶标生物毒性较低、快速生物降解以及在环境中持久性较低的特点。这些特性最大限度地降低了对农民、消费者和生态系统的健康风险，同时支持可持续粮食生产。通过综合近期证据，本综述强调了生物农药在减少对合成化学农药依赖方面的潜力。这将增强农业工人和消费者的安全性，同时促进具有韧性的农业生态系统。该综述强调了将生物农药整合到植物病虫害管理框架中的重要性，以推动更安全、更健康、更可持续的农业系统。

**论文解读：植物病虫害的“One Health”视角下植物源与生物防治策略**

**1. 研究背景、问题与意义**

在全球气候变化、人口持续增长以及耕地面积不断减少的背景下，植物病虫害对农业生产力和全球粮食安全的威胁日益加剧。据统计，病虫害每年导致全球高达40%的作物损失，经济损失巨大。为应对这一挑战，合成化学农药因其快速、高效、广谱及成本效益高等优点，成为目前最主流的防治手段。然而，合成化学农药的广泛使用引发了严重的环境与健康问题，包括生物富集、土壤污染、水质恶化、生态系统失衡、促进微生物群落中的抗生素耐药性（Antimicrobial Resistance, AMR），以及对人类造成急性与慢性毒性、癌症、神经和生殖系统紊乱等多种健康风险。尽管已采用生物修复、纳米技术、综合病虫害管理（Integrated Pest Management, IPM）等多种缓解策略，但这些措施仍未充分消除合成农药带来的风险。因此，开发并推广更安全、更可持续的替代方案，如植物源农药和生物防治剂（统称为生物农药，biopesticides），已成为迫切需求。生物农药源于天然植物代谢产物或有益微生物及天敌，具有多种作用模式、对非靶标生物毒性低、快速生物降解等特点，符合可持续农业和综合病虫害管理原则。本研究从“One Health”（一个健康）框架出发，该框架强调人类、动物和环境健康之间的相互关联，旨在综述植物源农药和生物防治剂在植物病虫害管理中的应用，以减少对合成化学农药的依赖并减轻其负面影响。该论文发表在《Journal of Natural Pesticide Research》。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员为开展本研究，主要采用了**系统文献综述方法**，通过预设的检索策略，在Web of Science、Scopus、PubMed和Google Scholar等数据库中进行全面检索，并结合关键词组合筛选相关文献。研究遵循了**叙述性综合方法**，并构建了一个**概念框架**，将生物农药的作用整合到“One Health”范式中，分析了其从减少化学残留、降低环境污染到促进人类与动物健康的关键路径。文献筛选过程包括题目筛选、摘要筛选和全文评估，最终纳入112篇相关出版物。

**3. 研究结果**

**3.1. 生态学基础与定义原则**
- **植物源农药**：是源于植物的物质，主要通过次生代谢物（如生物碱、萜类、酚类、黄酮类等）发挥毒性、拒食、生长抑制或干扰繁殖等作用。
- **生物防治剂**：是活体生物，通过自然生态相互作用（如寄生、竞争、抗生作用）减少害虫/病原体丰度。其有效性受复杂的生态因素（如环境适应性、资源竞争、营养级相互作用）影响。
- **可持续与气候智慧型农业**：生物农药通过促进植物生长、改善土壤健康、减少环境污染，并增强作物对气候胁迫的适应性，成为可持续气候智慧型农业的基石。

**3.2. 植物源方法**
- **杀虫代谢物**：植物产生多种次生代谢物作为防御机制，包括精油、萜类/萜类化合物、生物碱、黄酮类及单宁等。这些化合物通过不同机制发挥作用，如精油可降低昆虫繁殖力，萜类具有广谱抗菌活性，生物碱（如尼古丁）干扰昆虫神经系统，黄酮类作为植物抗毒素抵御生物与非生物胁迫。
- **作用机制**：植物源农药通过破坏靶标生物的生化与生理过程发挥作用。例如，咀嚼式昆虫激活茉莉酸途径，刺激产生萜类和酚类；而刺吸式昆虫则主要激活水杨酸途径，导致不同的防御代谢物增加。
- **对病原体与害虫的效力**：多种植物提取物对真菌、细菌、线虫和病毒有效。例如，木瓜叶和种子提取物可抑制**Rhizopus stolonifer**等真菌；大蒜提取物可抑制**Ralstonia solanacearum**引起的细菌性枯萎病；芳香植物精油可致死根结线虫；某些植物提取物能诱导系统抗性抑制病毒复制。
- **对昆虫的效力**：植物源农药对鳞翅目、鞘翅目、半翅目等害虫具有毒性、拒食、生长抑制等效果。尽管在优化条件下，其田间效果与合成农药相当，但通常短期效力较低，典型田间害虫减少率为46%-74%，而合成农药通常超过90%。

**3.3. 生物防治方法**
- **细菌**：如**Bacillus subtilis**和**Pseudomonas fluorescens**通过产生抗生素（如脂肽）、酶和挥发性物质抑制病原体。**Bacillus thuringiensis**产生高度特异性毒素，对靶标幼虫有效而对非靶标生物影响小。
- **真菌**：如**Trichoderma** spp. 对土传病原体（如**Ralstonia** spp.）有效；**Beauveria**和**Metarhizium** spp. 通过直接穿透昆虫角质层并产生毒素致其死亡。线虫捕食真菌通过特殊陷阱结构捕获并杀死线虫，卵寄生真菌则破坏线虫卵。
- **线虫**：昆虫病原线虫（Entomopathogenic Nematodes, EPNs）属于**Steinernema**和**Heterorhabditis**属，与共生细菌（**Xenorhabdus**和**Photorhabdus**）协同作用，通过释放细菌引发昆虫败血症致死。
- **病毒**：核型多角体病毒（Nucleopolyhedroviruses, NPVs）可感染并致死鳞翅目幼虫，具有高度专一性和安全性。
- **生物防治机制**：包括**抗生作用**（产生有毒代谢物）、**寄生与捕食**（直接破坏靶标生物）、**竞争与生态排斥**（争夺营养、空间或铁离子）和**诱导系统抗性**（Induced Systemic Resistance, ISR，通过激活寄主植物防御信号通路增强其抗性）。

**3.4. 生物农药使用的制约因素**
- **方法变异与效力不稳定性**：植物源农药的化学变异性和生物防治剂受环境因素影响大，导致效力不稳定和方法缺乏标准化。
- **监管障碍**：全球监管体系不统一，审批流程繁琐且成本高昂，部分国家缺乏对生物农药的专门分类，阻碍了市场准入。
- **研究资金不足**：全球范围内对生物农药的研发投入不足，尤其是在撒哈拉以南非洲，依赖外部资助，缺乏本土化研究。
- **对非靶标生物的影响**：尽管生物农药更安全，但仍可能对传粉者、水生生物等非靶标生物产生急性和亚致死效应，需谨慎评估。

**3.5. 可持续植物保护的最新进展**
- **纳米制剂**：采用纳米封装和纳米乳液技术，保护植物源活性成分免于降解，实现控释释放，提高稳定性、持久性和田间效果。
- **分子与组学筛选**：利用宏基因组学（Metagenomics）、转录组学（Transcriptomics）、代谢组学（Metabolomics）等多组学技术，快速鉴定具有生防潜力的微生物菌株和生物活性化合物，并解析复杂的微生物-病原体-宿主互作网络。

**4. 总结与讨论**

本综述的综合分析表明，生物农药能够通过多样化的、多层次的机制有效抑制病虫害，同时最小化对非靶标生物的影响，并增强农业生态系统的韧性、土壤健康和生物多样性。其应用与“One Health”框架高度契合，为保护人类、动物和环境健康提供了统一路径。然而，要充分实现其潜力，必须克服在变异性、标准化、可扩展性和监管复杂性方面的持续挑战。结论部分指出，气候变化、人口增长和耕地减少的压力暴露了依赖传统农药农业的不可持续性。本综述证明，生物农药提供了一种科学可靠且生态兼容的替代方案。通过整合生化精确性与生态功能性，这些制剂不仅能减少对合成投入品的依赖，还能增强农业生态系统的韧性、土壤健康和生物多样性。其推广应用与“One Health”框架一致，为保障人类、动物和环境健康提供了统一路径。然而，实现其全部潜力需要克服在变异性、标准化、可扩展性和监管复杂性方面的持续挑战。因此，对研究、创新和政策协调进行战略投资，对于从概念验证过渡到广泛应用至关重要。最终，生物农药不仅仅是一种替代方案，更是向更具韧性、更注重健康和更可持续的全球粮食系统演进的必要变革。