综述：农业中的创新生物技术方法：从针对害虫的生物农药到作物风味增强

　　本综述系统探讨了农业生物技术的最新进展，重点介绍了生物农药（如苏云金芽孢杆菌Bt和木霉Trichoderma Spp.）在害虫综合治理（IPM）中的应用及其对可持续农业的贡献。文章还深入分析了通过CRISPR-Cas9基因编辑和植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）发酵等生物技术手段增强作物风味与营养品质的创新策略，并讨论了纳米制剂、生物刺激素等新兴技术在提升作物抗逆性和产量方面的潜力，为绿色农业提供了科学依据和发展方向。

　　

农业中的创新生物技术方法：从针对害虫的生物农药到作物风味增强

引言

全球人口增长和饮食结构变化正急剧加速对食物的需求，这要求农业生产方式发生根本性转变以实现可持续生产力。传统依赖化学农药的害虫防治策略由于对生态和人类健康的不利影响而日益受到质疑。因此，采用创新的环境友好型方法保护作物产量并确保可持续性变得尤为迫切。生物农药——源自微生物、植物和生物化学物质的天然产物——已成为一种前景广阔的替代方案，不仅减少了化学投入的环境足迹，还缓解了与农药残留相关的食品安全问题。

生物农药类别

生物农药可根据其来源和作用机制分为微生物源、生物化学源和宏观生物源三大类。

微生物生物农药主要包括细菌、真菌、病毒和原生动物，通过直接竞争空间和营养或产生抑制害虫生长的生物活性化合物来发挥作用。例如，苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis, Bt）产生的δ-内毒素（Cry蛋白）可导致鳞翅目幼虫肠道麻痹，在72小时内实现70–90%的死亡率。绿僵菌（Metarhizium anisopliae）可靶向蝗虫，在田间试验中使种群减少70%。木霉（Trichoderma Spp.）则以其抗真菌特性著称，通过菌寄生、竞争和诱导系统抗性（ISR）等方式减少40–70%的病害。

生物化学生物农药包括植物提取物、信息素和精油等物质，通过非毒性机制干扰害虫行为或发育。例如，印楝油作为著名的生物化学农药，具有拒食和生长调节作用，能有效控制多种害虫而不伤害非靶标生物。这类农药还涵盖生物碱和黄酮类等植物次生代谢产物，它们是植物在进化过程中形成的天然防御机制。

宏观生物农药则涉及捕食性昆虫、线虫和螨类等生物，通过自然抑制害虫种群发挥作用。例如，寄生蜂被广泛用于蚜虫和粉虱的生物防治，而斯氏线虫（Steinernema carpocapsae）能有效靶向土壤中的害虫。这些生物通常作为捕食者或寄生者，破坏害虫生命周期，最大限度地减少化学干预的需要。

生物农药的创新进展

近年来，生物农药的开发重点集中在提高其效能、稳定性和施用系统上。传统生物农药面临保质期短、性能不一致以及成本较高等挑战，但新剂型和活性物质的出现显著提升了其在商业化农业中的可行性。

例如，纳米制剂技术的应用增强了生物农药的稳定性和控制释放能力，从而延长了其保质期并确保在不同环境条件下的有效性。基因工程技术的进步使得开发出更高效的微生物菌株成为可能，如经过遗传修饰的Bt菌株，在保持环境安全性的同时表现出更强的害虫靶向特性。

此外，将生物农药与其他可持续农业技术相结合也取得了显著进展。生物农药与生物刺激素（如植物根际促生菌）的结合使用，在提高作物抗虫性的同时改善了植物健康和产量。这种整合是害虫综合治理（IPM）系统的关键组成部分，旨在减少对化学农药的依赖的同时维持有效的害虫控制。

例如，将木霉与有机肥料结合使用不仅能控制真菌病原体，还能促进植物生长和养分吸收，从而提供了一种全方位的作物管理方法。壳聚糖基纳米乳液使白僵菌（Beauveria bassiana）在玉米中的功效提高了40%。

未来，生物农药的发展将在于其应用的持续创新以及与更广泛农业实践的整合。特别是，精准农业技术（如使用无人机和传感器监测害虫种群并更有效地施用生物农药）正日益受到重视。这种精准方法确保生物农药仅在需要时和需要的地方施用，最大限度地减少浪费并优化其效果。

生物农药效能的环境影响因素

微生物生物农药的效能受到环境条件的强烈影响，尤其是温度。例如，Bt在25°C时活性最高，低于15°C或高于35°C时毒素产生和孢子萌发都会减少。这种最适温度（T_opt = 25°C）代表了其代谢活动的热性能曲线，在温带农业生态系统中基本一致。

通过以下方程可以模拟生物农药效能（E）与环境因素的关系：

E = [K * (T / T_opt) * (H / H_opt)] / [1 + γ * |T - T_opt| + δ * |H - H_opt|]

其中，E代表生物农药效能（害虫防治效果），K是代表生物农药制剂（如浓度、毒性）的常数因子，T是环境温度（°C），H是相对湿度（%），a和b分别是温度和湿度的敏感度常数，T_opt和H_opt分别是生物农药活性的最适温度和湿度，γ和δ是描述生物农药效能对偏离最适条件敏感度的常数。

该模型预测了Bt在水稻田中的效能，其中T_opt=25°C和H_opt=80%可最大化毒素活性，a=0.1，b=0.05基于田间试验。常数γ和δ反映了环境敏感性，已在热带气候中得到验证。

在作物产量和品质提升中的应用

生物农药通过提供天然、环保的化学农药替代品，在提高作物生产力和可持续性方面发挥着至关重要的作用。它们的使用已被证明可以通过减少害虫损害同时保护有益生物（如传粉者）来提高作物产量，这对长期农业健康至关重要。

此外，生物农药正日益与其他可持续农业实践（如使用生物刺激素）相结合，不仅提高作物产量，还改善农产品的质量和营养价值。生物刺激素包括植物根际促生菌（PGPR）、海藻提取物和腐殖质等物质，可增强植物生长和抗逆性，从而带来更健康的作物和更高的生产力。

这些生物刺激素不仅优化了养分吸收和水分利用效率，还在改善作物风味和营养品质方面发挥着重要作用，特别是在浆果等水果中。例如，在浆果种植中施用生物刺激素已被证明可以增强有益化合物（如抗氧化剂、维生素和黄酮类）的积累，这些化合物有助于水果的健康益处和整体市场价值。

将生物农药与生物刺激素相结合的双重方法正在成为可持续农业的基石，旨在提高产量和作物质量，同时减少农业实践的环境足迹。

风味增强的生物技术机制

生物技术干预，如微生物发酵和基因编辑，通过改变代谢途径来增强作物风味。例如，植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）发酵在草莓种植中增加了酯类等挥发性化合物，改善了香气。类似地，利用CRISPR-Cas9编辑蓝莓中的花青素生物合成基因可提高黄酮含量，同时增强风味和颜色。

这些方法 complemented 生物刺激素，后者上调次生代谢产物的产生，有助于浆果的感官品质。浆果风味的增强是通过微生物发酵和基因编辑等生物技术干预实现的。植物乳杆菌发酵增加了草莓中的挥发性酯（如丁酸乙酯），而CRISPR-Cas9编辑靶向蓝莓中的花青素生物合成基因（如CHS、DFR）以增强黄酮类化合物（如槲皮素），从而使感官品质提高15-20%。

当前研究重点在于扩大微生物发酵在商业化浆果生产中的规模，并优化风味基因的CRISPR靶点，在欧洲和北美的试验中显示风味改善了15-20%。

通过以下方程可以量化生物农药和生物刺激素对作物性能的协同效应：

Y = (K₁ ? P ? B) + (K₂ ? S ? N)

其中Y代表作物产量和品质提升，K₁和K₂是与生物农药和生物刺激素有效性相关的常数因子，P代表害虫压力（害虫侵扰水平），B代表生物农药效能（以害虫种群减少衡量），S代表抗逆性（植物的逆境耐受水平），N代表养分有效性（植物吸收的养分水平）。

该模型描述了生物农药和生物刺激素对作物产量（Y）和品质提升的综合影响。第一项代表了生物农药的效果，其中害虫压力（P）通过生物农药效能（B）降低，从而改善作物产量和生产力。第二项侧重于生物刺激素的贡献，它增强了植物抗逆性（S）并优化了养分吸收（N），从而带来更好的作物品质和营养含量。

常数K₁和K₂解释了在给定环境和农业背景下生物农药和生物刺激素的具体有效性。该方程描述了将生物农药和生物刺激素相结合如何同时提高作物生产力、风味和营养价值，使其成为可持续农业的关键方法。

挑战与机遇

生物农药在现代农业中的推广应用面临着若干重大障碍，特别是在发展中地区。主要挑战之一是与生物农药相关的成本，由于生产、制剂和应用过程复杂，其成本通常高于传统化学农药。

这一经济障碍因农民（特别是小农户）对生物农药长期效益缺乏认识而加剧，这些效益包括减少农药抗性和环境损害。在世界许多地区，包括非洲，获取信息、技术专长和基础设施的机会有限进一步加剧了这些挑战。

此外，由于生物农药并不总是像化学对应物那样立即有效，农民在没有适当支持和使用教育的情况下可能不愿采用它们。某些生物农药相对较短的保质期和在波动环境条件下可变的性能也带来了进一步的采用障碍，特别是在温度和湿度变化大的地区。

尽管存在这些挑战，生物农药在农业系统中的创新和实施仍存在巨大机遇。制剂技术的进步，包括纳米封装和控制释放系统，增强了生物农药的稳定性和有效性，使其与传统农药相比更具竞争力。

此外，将生物农药与其他可持续农业实践（如轮作和害虫综合治理IPM）相结合，可以通过提供全方位的害虫防治方法来增加其采用率。发展公私合作伙伴关系和政府政策以激励可持续农业实践，以及农民教育计划，为增强生物农药的采用提供了另一个关键机遇。

此外，创新生物技术解决方案，如基因工程微生物和协同配方，可以提高生物农药的效能和成本效益，从而加速其在全球农业中的使用。

通过以下方程可以模拟生物农药采用率（A）与成本、认知和创新之间的关系：

A = C ? e^?α?P / (1 + β ? E^?1 + γ ? I^?1)

其中A代表生物农药采用率，C代表初始采用能力（生物农药的可用市场），P代表生物农药的感知成本（相对于传统农药的增加成本），E代表农民教育和认知水平（以获得知识和培训的机会衡量），I代表创新指数（生物农药制剂的技术创新水平），α、β和γ是反映感知成本、教育和创新对采用影响的敏感度常数。

该方程基于三个关键因素：成本（P）、教育和认知（E）以及创新（I）来模拟生物农药的采用率（A）。分子代表了采用的潜力，最初由可用市场（C）缩放，并通过一个考虑相对于传统农药的感知成本的因子（e^?α?P）减少。分母结合了教育和创新的影响，认知越高和创新越好，生物农药采用的阻力就越小。常数α、β和γ决定了采用对每个因素的敏感性。

该方程提供了一个量化方法来理解如何通过降低成本、加强教育和促进生物农药制剂的技术进步来积极影响其在农业部门的采用。

有机与常规农业系统中浆果作物的植物化学成分比较分析

近年来，人们对比较有机和常规农业系统下种植作物的植物化学成分越来越感兴趣。抗氧化剂、多酚、黄酮类和维生素C等植物化学物质对健康益处至关重要，并有助于作物的整体营养品质。

多项研究表明，有机农业系统往往能促进浆果作物中多酚、黄酮类和抗氧化剂水平的提高。这归因于植物在不使用合成化学品种植时所经历的自然胁迫反应，这可以增强这些有益化合物的产生。

然而，糖分、酸度和感官特性（包括味道和香气）等因素也受到农业系统的影响，增加了作物质量评估的复杂性。

有机与常规农业系统下浆果作物的植物化学成分比较突出了农业实践对作物营养价值和质量的显著影响。有机农业 consistently 导致多酚、黄酮类和抗氧化剂等生物活性化合物水平更高，这些有助于浆果的健康益处和风味。

例如，有机种植的草莓具有更高水平的多酚和维生素C，这与它们的抗氧化活性和免疫增强特性有关。另一方面，常规农业系统与更高的产量和酸度水平相关，这增强了水果的味道和新鲜度。

这种比较强调需要平衡营养益处、作物质量和环境可持续性的可持续农业实践。

结论

总之，本综述强调了生物技术方法在农业中日益增长的重要性，特别是使用生物农药、生物刺激素和可持续农业实践。有机废弃物基生物农药（源自热解生物质和农业副产物等可再生资源）的整合为化学农药提供了一个有前景的替代方案，同时解决了环境污染和害虫治理挑战。

此外，有机和常规农业系统的比较表明，有机实践通常能提高作物的营养品质，改善多酚、黄酮类和抗氧化剂等有益生物活性化合物的水平。这些创新有助于可持续农业，提高作物产量、质量和风味，同时减少对合成化学品的依赖。

然而，成本、技术优化以及需要进一步研究某些生物产品的毒性和效能等挑战仍然存在，强调了持续投资研究以克服这些障碍并实现生物技术解决方案在农业中的全部潜力的重要性。总体而言，生物农药在不同应用中 demonstrated 了30-40%的产量增加、75%的化学农药使用减少以及改善的环境可持续性。