蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis，簡稱Bt菌），是你熟知的著名殺蟲能手，還是一個陌生而拗口的名字？這種獨一無二的細菌，人們已發(fā)現(xiàn)了百余年、應(yīng)用了近百年，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“蟲口奪糧”發(fā)揮了巨大作用，而關(guān)于它的新發(fā)現(xiàn)、新創(chuàng)造始終沒有停止。就讓我們走近Bt菌，了解它的前世今生。
怎樣一種細菌？
Bt菌通常呈寬1-2微米、長3-5微米的橢圓形桿狀。與“三體人”靠脫水應(yīng)對“亂紀元”類似，Bt菌在缺乏營養(yǎng)或外界環(huán)境惡劣時，也會進入休眠期。它的休眠方式是在細胞內(nèi)形成一個球形或橢球型的“芽孢”，濃縮并保存生命物質(zhì)，當(dāng)條件適宜時重新萌發(fā)。由于這些特性，Bt菌在細菌分類學(xué)中被歸為“芽孢桿菌屬”。
然而，與大多數(shù)芽孢桿菌不同，Bt菌在形成芽孢時會出現(xiàn)一個奇特的現(xiàn)象——在芽孢旁出現(xiàn)一個大小近似的晶體，稱為“伴孢晶體”。在電子顯微鏡下，伴孢晶體呈菱形、斜方形、方形或不規(guī)則形狀，如同一粒微小的寶石，十分美麗。伴孢晶體由蛋白質(zhì)形成，外形雖美，卻是對昆蟲致命的毒蛋白。
百年前的發(fā)現(xiàn)
家蠶會患一種名為“猝倒病”的致命疾病，給絲綢產(chǎn)業(yè)造成嚴重威脅。早在1901年，日本生物學(xué)家石渡繁胤（Ishiwata Shigetane）就從患病死亡的家蠶幼蟲體內(nèi)分離得到了一種芽孢桿菌，起名為“猝倒桿菌”。然而它的正式定名還要等待十多年。
1911年，在德國一個叫做蘇云金的小鎮(zhèn)上，生物學(xué)家恩斯特·貝爾林納（Ernst Berliner）在一只死亡的地中海粉螟幼蟲體內(nèi)再次分離到類似的細菌，1915年被正式命名為蘇云金芽孢桿菌。
高強的殺蟲本領(lǐng)
Bt菌殺蟲，靠的正是“美麗毒藥”伴孢晶體。這些晶體本身沒有毒性，當(dāng)進入昆蟲消化道后，在其腸道獨特的堿性環(huán)境中，被一些特殊的蛋白酶進行改造，便露出真容，變成了具有毒性的殺蟲蛋白。殺蟲蛋白能夠找到特定的“靶子”——昆蟲腸道細胞表面的受體蛋白，并與之牢牢結(jié)合，然后在細胞膜上形成孔洞，引起細胞溶解，最終導(dǎo)致蟲體死亡。
看到這里你也許會隱隱有些擔(dān)心，這些聽上去很可怕的殺蟲蛋白會不會對人有毒？大可放心！人及其他哺乳動物體內(nèi)沒有昆蟲腸道中那樣特殊的堿性環(huán)境，缺乏那些特殊的蛋白酶，腸道細胞表面也沒有殺蟲蛋白的受體蛋白作為“靶子”，無法發(fā)揮作用，因此這些殺蟲蛋白對人畜非常安全。
專屬“毒藥”
Bt菌家族有許許多多不同的成員，被劃分為不同“亞種”，它們產(chǎn)生的殺蟲蛋白各不相同，殺傷目標也各異。如：大部分Bt kurstaki 亞種能殺死蝴蝶、蛾子等在昆蟲分類學(xué)上歸為“鱗翅目”的昆蟲，Bt israelensis亞種專殺蒼蠅、蚊子等“雙翅目”昆蟲，Bt morrisoni亞種則是“鞘翅目”甲蟲的克星。
目前科學(xué)家鑒定出的Bt菌殺蟲晶體蛋白有上百種，分為Cry和Cyt兩大類。除了在形成芽孢過程中合成伴孢晶體外，Bt菌在正常生長時期，也會分泌另一種毒素蛋白Vip，其作用機制和晶體蛋白相似。
這些殺蟲蛋白很“專一”，只對特定種類的昆蟲有毒。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的Bt菌殺蟲劑，除了針對性的目標害蟲外，對其他生物無毒力，也不會危害天敵昆蟲。
最成功的微生物殺蟲劑
Bt菌殺蟲效力高、專一性好，是制造農(nóng)業(yè)殺蟲劑的“天選之子”。由于Bt菌在自然界廣泛存在，使用后對環(huán)境不會產(chǎn)生污染，也不會在作物中殘留，是最安全的微生物農(nóng)藥之一。
1938年，第一個Bt菌商品制劑Sporeine在法國問世，在地中海粉螟防治中發(fā)揮了作用。經(jīng)過一系列技術(shù)改進，Bt菌制劑已成為目前世界上最成功、應(yīng)用最廣泛的生物殺蟲劑產(chǎn)品。
根據(jù)中國農(nóng)藥信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)，截至2023年 8 月，我國批準使用的有效成分中含有Bt菌的殺蟲劑產(chǎn)品已達249 個。Bt菌替代了大量化學(xué)殺蟲劑，對農(nóng)產(chǎn)品高效、安全、綠色生產(chǎn)和地球生態(tài)環(huán)境安全做出了貢獻。
不過，金無足赤，Bt菌制劑也有不完美之處——田間施用后，在高溫或紫外線照射下容易喪失活性，附著在葉片上的菌容易被風(fēng)吹走或被雨水沖刷掉，殺蟲蛋白也可能被葉片表面的蛋白酶分解；由活菌制成的Bt懸浮劑，為了保持菌的活性，對運輸和儲存條件有較高的要求。未來的Bt菌產(chǎn)品研發(fā)將主要針對這些方面加以改進。此外，Bt菌對家蠶高毒，因此在家蠶養(yǎng)殖場周圍要特別慎用這類產(chǎn)品。
更新?lián)Q代的Bt產(chǎn)品
經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，Bt菌制劑早已更新?lián)Q代。微生物學(xué)家們利用基因工程手段改造菌種，能夠提升毒力，延長發(fā)揮作用的持續(xù)時間，還能擴大殺蟲譜。例如，給Bt菌中轉(zhuǎn)入多份殺蟲蛋白基因，使其超量合成；或轉(zhuǎn)入不同殺蟲蛋白基因，拓寬殺滅對象范圍。
2017年，經(jīng)過十余年持續(xù)攻關(guān)，我國第一個基因工程Bt菌G033A終于成功獲得農(nóng)藥登記?？茖W(xué)家首先從大自然中存在的Bt菌種中篩選出一株優(yōu)異菌種，它含有多個對鱗翅目害蟲高毒性的殺蟲蛋白；接著，以基因工程手段向其轉(zhuǎn)入對鞘翅目害蟲具有高毒力的殺蟲基因。改造后的Bt菌殺蟲譜大為擴展，小菜蛾、甜菜夜蛾、棉鈴蟲、草地貪夜蛾、馬鈴薯甲蟲、黃曲條跳甲等，都不在話下。
一個基因一個產(chǎn)業(yè)
由于田間噴灑Bt菌制劑的種種局限性，從上世紀80年代起，科學(xué)家開始嘗試將它的殺蟲基因轉(zhuǎn)入植物中，使其自身能夠合成殺蟲蛋白作為武器來對付害蟲。
這一創(chuàng)新性的工作被證明極為成功。20 世紀 90 年代中期，第一批抗蟲轉(zhuǎn)基因作物實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。2019年，全球共有29個國家/地區(qū)種植轉(zhuǎn)基因作物，總面積已達到 1.904億公頃，其中約57%的轉(zhuǎn)基因作物含有至少一種源自Bt菌的殺蟲基因，總面積超過1億公頃。
抗蟲作物的大面積種植顯著減少了殺蟲劑的使用，挽回了大量由于蟲害導(dǎo)致的產(chǎn)量損失。追根溯源，這些成就都得益于小小的Bt菌??！
遠不止殺蟲
上面講到的鱗翅目、鞘翅目、雙翅目害蟲都屬于昆蟲家族成員，而線蟲是另一類可嚴重危害作物的寄生性病原生物?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)含有某些種類殺蟲蛋白的Bt菌可以殺滅線蟲，將這些基因轉(zhuǎn)入植物，也可以使植物獲得對線蟲的抗性。還有一些Bt菌能夠促進植物生長，具有生物肥料的潛質(zhì)。
螨蟲可寄生于人體傳播疾病或引發(fā)過敏，而一些Bt菌表現(xiàn)出很好的殺螨活性。另一些Bt菌能夠產(chǎn)生抑制真菌和細菌生長的化合物，在防治作物病害和動物與人類疾病方面具有潛在應(yīng)用價值。
某些Bt菌的伴孢晶體蛋白沒有殺蟲活性，但出乎意料的是，它們對人子宮頸癌細胞、結(jié)腸上皮腺癌細胞、前列腺癌細胞等有很強的殺傷作用，也許未來能研發(fā)出源自Bt菌的抗癌藥物，它對人類將再立新功！
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