以菌治虫的头牌明星——苏云金芽孢杆菌
以菌治虫的头牌明星——苏云金芽孢杆菌
苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis，简称Bt菌），是你熟知的著名杀虫能手，还是一个陌生而拗口的名字？这种独一无二的细菌，人们已发现了百余年、应用了近百年，为农业生产“虫口夺粮”发挥了巨大作用，而关于它的新发现、新创造始终没有停止。就让我们走近Bt菌，了解它的前世今生。
怎样一种细菌？
Bt菌通常呈宽1-2微米、长3-5微米的椭圆形杆状。与“三体人”靠脱水应对“乱纪元”类似，Bt菌在缺乏营养或外界环境恶劣时，也会进入休眠期。它的休眠方式是在细胞内形成一个球形或椭球型的“芽孢”，浓缩并保存生命物质，当条件适宜时重新萌发。由于这些特性，Bt菌在细菌分类学中被归为“芽孢杆菌属”。
然而，与大多数芽孢杆菌不同，Bt菌在形成芽孢时会出现一个奇特的现象——在芽孢旁出现一个大小近似的晶体，称为“伴孢晶体”。在电子显微镜下，伴孢晶体呈菱形、斜方形、方形或不规则形状，如同一粒微小的宝石，十分美丽。伴孢晶体由蛋白质形成，外形虽美，却是对昆虫致命的毒蛋白。
百年前的发现
家蚕会患一种名为“猝倒病”的致命疾病，给丝绸产业造成严重威胁。早在1901年，日本生物学家石渡繁胤（Ishiwata Shigetane）就从患病死亡的家蚕幼虫体内分离得到了一种芽孢杆菌，起名为“猝倒杆菌”。然而它的正式定名还要等待十多年。
1911年，在德国一个叫做苏云金的小镇上，生物学家恩斯特·贝尔林纳（Ernst Berliner）在一只死亡的地中海粉螟幼虫体内再次分离到类似的细菌，1915年被正式命名为苏云金芽孢杆菌。
高强的杀虫本领
Bt菌杀虫，靠的正是“美丽毒药”伴孢晶体。这些晶体本身没有毒性，当进入昆虫消化道后，在其肠道独特的碱性环境中，被一些特殊的蛋白酶进行改造，便露出真容，变成了具有毒性的杀虫蛋白。杀虫蛋白能够找到特定的“靶子”——昆虫肠道细胞表面的受体蛋白，并与之牢牢结合，然后在细胞膜上形成孔洞，引起细胞溶解，最终导致虫体死亡。
看到这里你也许会隐隐有些担心，这些听上去很可怕的杀虫蛋白会不会对人有毒？大可放心！人及其他哺乳动物体内没有昆虫肠道中那样特殊的碱性环境，缺乏那些特殊的蛋白酶，肠道细胞表面也没有杀虫蛋白的受体蛋白作为“靶子”，无法发挥作用，因此这些杀虫蛋白对人畜非常安全。
专属“毒药”
Bt菌家族有许许多多不同的成员，被划分为不同“亚种”，它们产生的杀虫蛋白各不相同，杀伤目标也各异。如：大部分Bt kurstaki 亚种能杀死蝴蝶、蛾子等在昆虫分类学上归为“鳞翅目”的昆虫，Bt israelensis亚种专杀苍蝇、蚊子等“双翅目”昆虫，Bt morrisoni亚种则是“鞘翅目”甲虫的克星。
目前科学家鉴定出的Bt菌杀虫晶体蛋白有上百种，分为Cry和Cyt两大类。除了在形成芽孢过程中合成伴孢晶体外，Bt菌在正常生长时期，也会分泌另一种毒素蛋白Vip，其作用机制和晶体蛋白相似。
这些杀虫蛋白很“专一”，只对特定种类的昆虫有毒。因此，农业生产中使用的Bt菌杀虫剂，除了针对性的目标害虫外，对其他生物无毒力，也不会危害天敌昆虫。
最成功的微生物杀虫剂
Bt菌杀虫效力高、专一性好，是制造农业杀虫剂的“天选之子”。由于Bt菌在自然界广泛存在，使用后对环境不会产生污染，也不会在作物中残留，是最安全的微生物农药之一。
1938年，第一个Bt菌商品制剂Sporeine在法国问世，在地中海粉螟防治中发挥了作用。经过一系列技术改进，Bt菌制剂已成为目前世界上最成功、应用最广泛的生物杀虫剂产品。
根据中国农药信息网的数据，截至2023年 8 月，我国批准使用的有效成分中含有Bt菌的杀虫剂产品已达249 个。Bt菌替代了大量化学杀虫剂，对农产品高效、安全、绿色生产和地球生态环境安全做出了贡献。
不过，金无足赤，Bt菌制剂也有不完美之处——田间施用后，在高温或紫外线照射下容易丧失活性，附着在叶片上的菌容易被风吹走或被雨水冲刷掉，杀虫蛋白也可能被叶片表面的蛋白酶分解；由活菌制成的Bt悬浮剂，为了保持菌的活性，对运输和储存条件有较高的要求。未来的Bt菌产品研发将主要针对这些方面加以改进。此外，Bt菌对家蚕高毒，因此在家蚕养殖场周围要特别慎用这类产品。
更新换代的Bt产品
经过近一个世纪的发展，Bt菌制剂早已更新换代。微生物学家们利用基因工程手段改造菌种，能够提升毒力，延长发挥作用的持续时间，还能扩大杀虫谱。例如，给Bt菌中转入多份杀虫蛋白基因，使其超量合成；或转入不同杀虫蛋白基因，拓宽杀灭对象范围。
2017年，经过十余年持续攻关，我国第一个基因工程Bt菌G033A终于成功获得农药登记。科学家首先从大自然中存在的Bt菌种中筛选出一株优异菌种，它含有多个对鳞翅目害虫高毒性的杀虫蛋白；接着，以基因工程手段向其转入对鞘翅目害虫具有高毒力的杀虫基因。改造后的Bt菌杀虫谱大为扩展，小菜蛾、甜菜夜蛾、棉铃虫、草地贪夜蛾、马铃薯甲虫、黄曲条跳甲等，都不在话下。
一个基因一个产业
由于田间喷洒Bt菌制剂的种种局限性，从上世纪80年代起，科学家开始尝试将它的杀虫基因转入植物中，使其自身能够合成杀虫蛋白作为武器来对付害虫。
这一创新性的工作被证明极为成功。20 世纪 90 年代中期，第一批抗虫转基因作物实现了商业化生产。2019年，全球共有29个国家/地区种植转基因作物，总面积已达到 1.904亿公顷，其中约57%的转基因作物含有至少一种源自Bt菌的杀虫基因，总面积超过1亿公顷。
抗虫作物的大面积种植显著减少了杀虫剂的使用，挽回了大量由于虫害导致的产量损失。追根溯源，这些成就都得益于小小的Bt菌啊！
远不止杀虫
上面讲到的鳞翅目、鞘翅目、双翅目害虫都属于昆虫家族成员，而线虫是另一类可严重危害作物的寄生性病原生物。科学家发现含有某些种类杀虫蛋白的Bt菌可以杀灭线虫，将这些基因转入植物，也可以使植物获得对线虫的抗性。还有一些Bt菌能够促进植物生长，具有生物肥料的潜质。
螨虫可寄生于人体传播疾病或引发过敏，而一些Bt菌表现出很好的杀螨活性。另一些Bt菌能够产生抑制真菌和细菌生长的化合物，在防治作物病害和动物与人类疾病方面具有潜在应用价值。
某些Bt菌的伴孢晶体蛋白没有杀虫活性，但出乎意料的是，它们对人子宫颈癌细胞、结肠上皮腺癌细胞、前列腺癌细胞等有很强的杀伤作用，也许未来能研发出源自Bt菌的抗癌药物，它对人类将再立新功！
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