昆虫病原真菌作为农业害虫的生物防治制剂,其重要性日益凸显。本研究利用农业谷物产品,成功实现了对两种南非分离的Metarhizium robertsii和M. pinghaense菌株产生大量具有强感染活性的繁殖体的规模化生产,可用于防治害虫的商业化应用。
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昆虫病原真菌作为农业害虫的生物防治制剂,其重要性日益凸显。本研究利用农业谷物产品,成功实现了对两种南非分离的Metarhizium robertsii和M. pinghaense菌株产生大量具有强感染活性的繁殖体的规模化生产,可用于防治害虫的商业化应用。
绿僵菌属(Metarhizium anisopliae)复合种的昆虫病原真菌作为农业害虫的生物防治剂日益受到重视。由于害虫对化学杀虫剂的抗性不断增强,人们对杀虫剂对人类健康产生的负面影响以及农药造成的环境污染日益关注,全球正积极推动寻找新型可持续的作物保护与害虫防控策略。此前已有研究尝试大规模培养如球孢白僵菌(Beauveria bassiana)等昆虫病原真菌(EPF)物种。然而,针对金龟子绿僵菌(Metarhizium robertsii)和平壤绿僵菌(M. pinghaense)的大规模培养研究仍十分有限。本研究旨在大量生产具有较强抗逆性的南非分离株 M. robertsii 和 M. pinghaense 感染性繁殖体,以满足商业化应用需求。实验选用三种农业谷物——燕麦片、大麦片和大米——作为EPF固态发酵的培养基质。采用两种接种方法:分生孢子悬浮液和液态芽生孢子菌液,用于接种固态基质。结果显示,使用分生孢子悬浮液接种的效果相对较差,因在固态基质上观察到的污染水平高于芽生孢子接种法。燕麦片被发现不适合作为 M. robertsii 和 M. pinghaense 的生长基质,因未能从该基质中收获到干燥的分生孢子。大麦片有利于 M. robertsii 分生孢子的生产,而不利于 M. pinghaense 的生产,从该基质中平均收获了 1.83 g ± 1.47 g 的干燥 M. robertsii 分生孢子,而 M. pinghaense 分生孢子产量为零。大米颗粒则有利于两种菌株 M. pinghaense 和 M. robertsii 的分生孢子大规模生产,分别从该基质中平均收获 8.2 g ± 4.38 g 和 6 g ± 2 g 的分生孢子。
昆虫病原真菌(EPF)作为重要农业害虫生物防治中的作物保护制剂,其重要性日益凸显1,2。这类天然存在于土壤中的昆虫病原菌,可在多种害虫种群中引发流行病3。EPF 具有宿主特异性,对非靶标物种造成危害的风险相对较低,且对环境无毒4。EPF 具有独特的侵染机制,可在宿主体内繁殖并持续存在于其周围环境中1。它们主要通过无性孢子攻击宿主,孢子附着于宿主表皮并穿透进入血腔,在其中侵染并增殖。宿主最终因血淋巴营养物质耗尽或真菌释放的毒性代谢产物引起的毒血症而死亡。随后,在适宜的环境条件下,真菌会从宿主尸体的体表长出(显性真菌感染)5,6。
人们对化学残留物对人类健康、环境污染以及害虫抗药性发展的负面影响日益关注,这推动了全球减少化学杀虫剂投入并寻找作物保护和害虫防治替代性、创新性及可持续策略的行动6,7,8。这为开发基于微生物的杀虫剂以用于综合害虫管理(IPM)项目提供了机会,相较于传统的化学防治方法,这类策略具有更佳的生态友好性3,8。
要为一种农业害虫开发出成功的微生物防治剂,首先必须分离、鉴定并表征一种合适的微生物,并确认其对 靶标害虫的致病性。然而,还需要一种简便且成本效益高的方法来实现该微生物制剂的大规模生产,以获得可用于生物防治项目的可行产品9,10,11,12,13。大量生产高质量的昆虫病原微生物取决于菌株特性、环境条件、靶标害虫、制剂形式、市场需求、施用策略以及期望的最终产品14,15,16。昆虫病原真菌(EPF)可通过液体基质发酵生产芽生孢子,或通过固体基质发酵工艺生产气生分生孢子6,17,18。然而,昆虫病原微生物的大规模生产与制剂工艺直接影响最终产品的毒力、成本、货架期以及田间效果。为了在综合害虫管理(IPM)中成功应用,昆虫病原微生物的生产工艺必须易于操作、所需人工最少、能够产生高浓度、高毒力、有活力且持久的繁殖体,并且成本低廉4,13,14,16。
了解昆虫病原体的营养需求对于采用各种培养方法进行大规模培养至关重要4,12。生产培养基的营养成分对所产生的繁殖体特性具有显著影响,包括生物防治效果、产量、抗干燥能力以及持效性8,19,20,21。生产流程的优化旨在解决这些影响因素22。对于昆虫病原真菌(EPF),实现良好生长、产孢及大量产生分生孢子的主要条件包括充足的水分、适宜的生长温度、pH值、CO2和O2的气体交换,以及营养供给,特别是良好的磷、碳水化合物、碳源和氮源18。
Jaronski 和 Jackson18 指出,与液体基质发酵法相比,固体基质发酵法是生产杀虫真菌(EPF)效率最高且最接近自然过程的方法,因为在自然条件下,真菌的分生孢子通常产生于固体直立结构上,例如昆虫尸体表面。淀粉类农产品及其副产品通常被用于虫草菌类真菌的大规模生产,因为这类真菌可通过菌丝尖端分泌高浓度的水解酶,迅速分解淀粉,穿透固体基质,并获取其中的营养物质11,17,18,23。谷物类产品还能满足健康生物量生产的需求,因为当它们被水合并灭菌后,基质可进一步从液体培养基中吸收营养16,18,24。
此前,已有若干研究尝试在不同基质上大规模培养虫生真菌(EPF)物种,例如 Beauveria bassiana (Bals.) Vuil.、Cordyceps fumosorosea (Wize) Kelper B. Shrestha & Spatafora、Verticillium lecanii (Zimm.) Viegas 以及部分 Metarhizium anisopliae (Metschn.) Sorokin 物种复合体的分离株16,23,24。这些已实现大规模生产并商业开发的菌株包括 Green Muscle®(菌株 IMI 330189),源自 M. anisopliae 变种 Metarhizium acridum (Driver & Milner) J.F. Bisch, Rehner & Humber;Metarhizium 69(Meta 69 菌株 ICIPE69)和 Real Metarhizium 69(L9281),源自 M. anisopliae;以及 Broadband®(菌株 PPRI 5339)和 Eco-Bb®,源自 B. bassiana25,26。然而,目前对 Metarhizium robertsii J.F. Bisch., S.A. Rehner & Humber 和 Metarhizium pinghaense Chen & Guo 进行大规模培养的研究仍较为有限。在先前的一项研究中,这两种分离株被筛选为对粉蚧 Pseudococcus viburni Signoret(半翅目:粉蚧科)具有最强防控效果的菌株27。因此,本研究旨在配制并大规模生产足量、具有强抗逆性的本地分离株 M. robertsii 和 M. pinghaense 的感染性繁殖体,以用于商业化的害虫防治应用。采用固体基质发酵法对两种虫生真菌分离株的分生孢子进行大规模生产。接种时采用了两种虫生真菌接种方法:分别使用分生孢子悬浮液和芽生孢子的液体真菌培养物来接种固体基质。
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1. 真菌菌株来源
2. Metarhizium pinghaense 和 M. robertsii 分生孢子悬液接种
3. 芽生孢子接种

图 1:250 mL 锥形瓶中的液体培养基。(A)高压灭菌前。(B)高压灭菌后并接种杀虫真菌孢子。(C)含有真菌芽生孢子的浑浊培养基。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:制备好的分生孢子液体培养基。(A)Metarhizium robertsii 和(B)Metarhizium pinghaense,接种于大米作为固体基质前的状态。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 真菌培养物的干燥

图3:纸袋的制备、菌种干燥程序及包装方法。 (A,B)牛皮纸袋的制备过程。Metarhizium 物种在(C,E)预煮大米和(D,F)压片大麦上培养后的干燥过程。(G)用订书钉封口的纸袋,形成三角帐篷结构。请点击此处查看该图的高清版本。
5. 收集真菌分生孢子

图 4:从大米和压碎大麦上干燥的 Metarhizium robertsii 培养物中收获真菌孢子。(A)在筛子中加入10-12个玻璃弹珠,以帮助真菌分生孢子通过筛网。M. robertsii 分生孢子从以下培养物中收获:(B)大米,以及(C)压碎大麦。(D)置于振动筛分仪上的筛子。请点击此处查看此图的放大版本。
6. 真菌分生孢子产量的定量
7. 数据分析
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在真菌培养物的干燥过程中,随着时间的推移,观察到 M. pinghaense 和 M. robertsii 在大米培养基上的培养物干重逐渐减少,而在培养物完全干燥后,其质量则基本保持不变或变化极小(图5)。图6 展示了收获的 M. pinghaense 和 M. robertsii 干燥分生孢子粉末。

图 5:在10天内,以大米...
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在农业生态系统中,成功整合微生物制剂用于重要农业害虫的生物防治,首先依赖于在实验室条件下能否成功且便捷地大规模生产昆虫病原体。虫生真菌(EPF)的大规模生产对于在病虫害综合管理(IPM)项目中大规模应用和获取基于生物防治的EPF产品至关重要9,10,11,12,13。不同虫生真菌菌株的大规模生产成效受培养基或生产基质营养成分的影响,这些营养成分显著影响所产生的分生孢子的特性,包括其致病效力、抗干燥能力、田间持效性以及分生孢子产量8,19,20,21。因此,在培养...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢Hort Pome、Hort Stone以及产业技术与人力资源计划(THRIP:TP14062571871)对本项目的资助。
ORCID:
Letodi L. Mathulwe http://orcid.org/0000-0002-5118-3578
Antoinette P. Malan http://orcid.org/0000-0002-9257-0312
Nomakholwa F. Stokwe http://orcid.org/0000-0003-2869-5652
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.05% 吐温 20 | Lasec | 添加至分生孢子悬浮液中,使真菌孢子能够与水充分混合 | |
| 20 mL 麦克弗森瓶 | Lasec | 用于制备分生孢子悬浮液 | |
| 铝箔 | 用作 250 mL 三角瓶棉塞的覆盖材料 | ||
| 高压灭菌器 | 用于对分生孢子生产过程中所用材料和成分进行灭菌 | ||
| 高压灭菌袋 | Lasec | 发酵袋或固体基质容器 | |
| 高压灭菌指示胶带 | Lasec | 用于固定发酵袋上的聚氯乙烯管 | |
| 棕色牛皮纸袋 | 用于干燥农业谷物上的分生孢子培养物 | ||
| 本生灯 | Labnet (Labnet International, Inc.) | 用于对实验器械(手术刀片、接种环及三角瓶瓶口)进行火焰灭菌 | |
| 透明边缘试验筛 | 用于将真菌分生孢子从农业谷物基质中分离出来 | ||
| 玉米浆 | SIGMA | 66071-94-1 | 芽生孢子液体培养基的成分之一 |
| 脱脂棉 | Lasec | 用作发酵袋瓶口的塞子 | |
| 杜兰玻璃实验瓶 | Neolab | 用于高压灭菌 SDA 培养基和蒸馏水 | |
| 电工胶带 | 用于缠绕并密封筛网接头,防止分生孢子粉尘逸出 | ||
| ENDECOTTS 试验筛 | 用于将真菌分生孢子从农业谷物基质中分离出来 | ||
| 耐热锥形瓶,窄口,250 mL | Lasec | 芽生孢子液体培养基的载体 | |
| 乙醇(99%) | Lasec | 用于对手术刀片和接种环进行灭菌 | |
| 压片大麦 | Health Connection Wholefoods | 农业谷物,作为 M. pinghaense 和 M. robertsii 分生孢子的固体基质生长培养基 | |
| 压片燕麦 | Tiger brands | 农业谷物,作为 M. pinghaense 和 M. robertsii 分生孢子的固体基质生长培养基 | |
| 葡萄糖 | Merck | 芽生孢子液体培养基的成分之一 | |
| 培养箱/恒温培养箱 | 用于真菌分生孢子培养物的培养 | ||
| 血细胞计数板 | 用于测定分生孢子浓度 | ||
| 接种环 | Lasec | 用于采集孢子以接种液体培养基,促进芽生孢子生长 | |
| 厨房擀面杖 | 用于操作固体谷物基质床 | ||
| 层流柜 | ESCO Laminar Flow Cabinet | 在基质接种过程中提供无菌环境 | |
| Metarhizium pinghaense 分生孢子 | Stellenbosch University | 5HEID | 用于大规模培养 Metarhizium pinghaense 分生孢子的培养物 |
| Metarhizium robertsii 分生孢子 | Stellenbosch University | 6EIKEN | 用于大规模培养 Metarhizium robertsii 分生孢子的培养物 |
| 显微镜 | ZEIZZ (Scope. A1) | 用于测定分生孢子浓度及分生孢子活力 | |
| 旋转摇床 | IncoShake- LABOTEC | 用于芽生孢子的生产过程 | |
| 预煮米 | Spekko | 农业谷物,作为 M. pinghaense 和 M. robertsii 分生孢子的固体基质生长培养基 | |
| 青霉素-链霉素 | SIGMA | 添加至 SDA 培养基中以防止细菌污染 | |
| 培养皿 | Lasec | SDA 培养基的容器 | |
| 移液器及移液器吸头 | Labnet (BioPette PLUS) | 用于量取液体成分 | |
| 聚氯乙烯 Marley 排水管 | 用于为发酵袋制作瓶口 | ||
| 磷酸氢二钾(K2HPO4) | SIGMA-ALDRICH | 芽生孢子液体培养基的成分之一 | |
| 橡胶圈 | 用于将手术纸固定在发酵袋的聚氯乙烯管瓶口上 | ||
| 沙氏葡萄糖琼脂(SDA) | NEOGEN Culture Media | 用于培养 Metarhizium pinghaense 和 Metarhizium robertsii 孢子的培养基 | |
| 无菌蒸馏水 | 用于水合农业谷物及制备分生孢子悬浮液 | ||
| 防滑垫 | 用于将筛网固定在振动筛分仪上 | ||
| 手术刀片 | Lasec | 用于从真菌培养物上刮取孢子 | |
| 手术纸 | Lasec | 用于覆盖发酵袋的聚氯乙烯管口和棉塞 | |
| 振动筛分仪 | 用于将分生孢子从农业谷物基质上振落 | ||
| 涡旋混合器 | Labnet (Labnet International, Inc.) | 用于在麦克弗森瓶中混合分生孢子悬浮液 | |
| 酵母提取物 | Biolab | 添加至 SDA 培养基中以促进孢子萌发和生长 | |
| 自封袋 | GLAD | 用于储存收获的真菌分生孢子 |
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