来源：节选自《世界农药》2023年第7期

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新型化学农药和生物农药的研究与开发 

超高效(<75ga.i./hm²)、低毒(LD₅₀>2000mg/kg)、安全(环境安全，对蜂、鸟、鱼、蚕毒性低，符合环境毒性等国际农药生产许可证的标准)的农药被称为绿色农药。 

我国是绿色农药的最早提出者，2003年，绿色农药创制被正式列入国家重点基础研究发展计划(973计划)，标志着我国绿色农药创制得到认可。李忠教授将中国绿色农药创制分为3个阶段：2003—2008年，绿色化学农药的先导结构及作用靶标的发现与研究；2010—2014年，分子靶标导向的绿色化学农药创新研究；2017—2020年，农业生物药物分子靶标发现与绿色药物分子设计。 

宋宝安院士认为当今国际新农药创制研究趋势主要呈现三大特点：一是新的生物技术引领：以功能基因组学、蛋白质组学以及结构生物学为代表的生命科学前沿技术，尤其是以基因编辑为代表的颠覆性技术与新农药创制研究的结合日益紧密。二是生物信息技术应用：高性能计算、大数据以及人工智能等新兴技术开始应用于新农药创制研究，极大地提高了农药创制效率。三是多学科发展的推进：世界农药科技的发展已经开始进入一个新时代，多学科之间的协同与渗透、新技术之间的交叉与集成、不同行业之间的跨界与整合已经成为新一轮农药科技创新浪潮的鲜明特征。

在未来5~10年的时间里，我国绿色农药创新研究的重点：一是新型高效生物农药的创制及产业化技术。以活体微生物、活性代谢产物为有效成分创制安全高效的生物农药新品种，建立绿色高效、低成本、低污染制造工艺，创制安全高效、环境适应性强、持效期长的生物农药。二是绿色化学农药的创制及产业化技术。基于天然产物及化学小分子数据库，发展基于人工智能和计算机辅助技术设计新型农药分子骨架；发展基于靶标抗性预测的药物合理设计新方法，降低农药创制抗性和交互抗性的风险，创制高效、环境安全、绿色化学农药新产品。 

在我国科学家提出绿色农药之前，绿色化学的概念早在20世纪90年代初即被英国科学家首次提出，1997年成立了绿色化学研究，1999年出版了英国皇家化学学会公认的绿色化学杂志的第一卷。绿色化学的概念基于十二项原则，旨在减少或消除化学产品的合成、生产和应用中的危险材料，从而减少或消除对人类健康和环境有害的材料的使用。绿色化学的十二项原则是帮助化学家实现可持续发展目标的设计指导方针。绿色化学的特点是仔细规划化学合成和分子设计，以减少不良后果。绿色化学的十二项原则是由 Paul Anastas 和 John Warner 在1998年提出的。它们是设计新化学产品和工艺的指导框架，适用于工艺生命周期的所有方面，从所用原材料到转化的效率和安全性，以及所用产品和试剂的毒性和生物降解性。 

很显然，中国专家提出的绿色化学的概念与国外的不同。中国专家强调的是结果，而国外专家更注重过程。但笔者认为，中国科学家在开发绿色农药的过程中也应该遵守绿色化学的原则。

刘长令指出绿色农药必备的五要素：安全性高、效果好、成本低、专利权稳定、市场潜力大。他强调，研究人员从研究之初就要充分考虑这五要素。新农药创制成功率之所以那么低，就是因为研究的时候没有充分考虑开发，尤其是安全性和成本。在整个研发过程中，化合物结构的设计至关重要，是农药创制的核心所在，它决定了后续的一切，决定了原材料、反应工艺、效果等，决定了产品能否成功上市以及是否具有市场竞争力；而后续的剂型、应用等研究，都是在化合物结构基础上的锦上添花。 

周明国提出了“靶向农药”的概念。他认为，“靶向农药”就像“一把钥匙只开一把锁”，是指能够识别、瞄准特定结构的分子靶标，安全高效地防治特定病虫草害的农药活性化合物，或者农药制剂。靶向农药的毒理学是预知的，安全性非常高，可以减少农药登记所需的一些安全性和毒理学评价费用。随着科技的发展，将来还可以把核酸农药直接导入到植物体内，赋予作物自身长期抗病、抗虫的能力，这样防治病虫害的成本就会下降。

尽管“生物农药”在世界各国的定义不尽相同，但对其不同于传统化学农药的特性和优势已达成共识。

传统化学农药的使用每年以2%的速度减少，而生物农药的使用以10%的速度增长。微生物农药、生物化学农药和嵌入植物的保护剂(PIP)是重要的生物农药类别，它们占据全球农药市场 5%的份额，其中微生物农药占主导地位。 

近年来，无论是大型研发公司、非专利产品制造商，还是许多小型企业和初创企业，对生物制剂的兴趣都有了显著增长。这是由于生物农药面临的监管程序要求较低、病虫害综合管理(IPM)项目的增长以及农民为应对病虫害威胁对更多样化的措施的需求所推动的。在 IPM 系统中，生物和合成农药产品经常一起使用。自1960年以来，生物制品(包括天然物质、发酵产物、微生物和信息素、捕食昆虫和螨类、真菌和线虫)的引进速度显著增长。在 1960—1990年期间，平均每年有3种新的生物产品被引入全球市场。1990—2016年，平均每年有11种新的生物制剂问世。在过去20年里，新生物产品的引进速度经常超过传统产品，而且这一趋势似乎还将继续下去。在专利申请方面，2017年是生物农药专利数量(173件)首次超过传统作物保护产品(117 项)的一年。生物农药的销售额从1993年的1亿美元增长到2016年的30亿美元，从占全部作物保护产品销售额的0.4%增长到5.6%。

生物农药在种子处理、土壤处理和收获后应用方面市场前景广阔。预测到2027年，生物农药(微生物、生物化学和有益昆虫)市场预计将达到23亿美元，2021—2027 年的复合年增长率为4.7%。有机食品市场的主要驱动力是对有机食品需求的增长、原材料成本的降低以及监管审批的加快。我国生物农药主要包括生物化学农药、微生物农药和植物源农药。截至2022年12月31日，在有效登记状态的生物农药有效成分有142个，产品1900多个。8年来生物农药有效成分和产品的年均增长率分别为6.40%和8.83%，说明我国生物农药登记数量在平稳增长，生物农药行业正逐渐壮大。 

 生物刺激剂和植物免疫激活剂的开发应用

在科学文献中，“生物刺激剂”一词的首次定义出现在 Kauffman 等(2007)的同行评议论文：“生物刺激剂是一种与肥料不同的材料，在少量施用时可以促进植物生长”，“生物刺激剂有多种配方和不同成分”。为了创建一个统一的定义，作为生物刺激剂必须具备的一些主要特征：⑴生物刺激剂的性质是多样的；⑵生物刺激剂的生理功能是多样的；⑶生物刺激剂对作物的功效包括提高作物对养分的利用效率及对非生物胁迫的耐受性，或改善作物的品质性状。欧盟、美国和印度等已给出植物生物刺激剂的明确定义，并出台了相应的监管法规。欧盟将生物刺激剂纳入新的肥料法予以管制，印度修订其肥料法规也将生物刺激剂纳入监管。美国经过研究最终决定不将生物刺激剂纳入美国的农药管理法规(FIFRA)，而是由美国农业部监管。 

植物生物刺激剂作为不同于农药或肥料的一类独特的农业投入品，弥补了农药和肥料的不足，可以在很大程度上改善农产品的品质和提高作物的产量。 

生物刺激剂通过以下方式促进可持续农业发展：⑴提高植物对非生物胁迫的耐受性，包括干旱、极端温度(寒冷、霜冻和高温)和盐度；⑵促进营养物质的吸收和有效利用；⑶通过增加有益的土壤微生物来改善土壤健康；⑷通过改善植物健康和活力从而提高作物品质；⑸提高作物产量。 

生物刺激剂在从种子萌发到作物成熟的整个作物生命周期中，通过许多已证明的方式促进作物生长和改善发育，包括但不限于如下几个方面：⑴通过改进植物健康和活力而提高作物的代谢效率，从而诱导产量增加和提高作物品质；⑵提高作物对非生物胁迫的耐受性和恢复能力；⑶促进养分的吸收、转运和利用；⑷提高产品的品质属性，如糖含量、色泽等；⑸提高用水效率；⑹提高营养物质的吸收和有效利用。 

Li 等发表了一份关于生物刺激剂(专门针对非微生物类刺激剂)使用效果的综合荟萃分析报告。报告分析了全球180项合格研究中超过1000对露地田间数据。比较了不同参数(生物刺激剂类别、施用方法、作物种类、气候条件和土壤性质)条件下在露地种植中施用生物刺激剂后的产量增加情况。总体结果表明：⑴不同类别生物刺激剂的增产效益平均为17.9%，土壤处理的增产潜力最大；⑵生物刺激剂在干旱地区和蔬菜种植中对作物产量影响最大；⑶生物刺激剂在有机质含量低、非中性、盐碱化、养分不足和沙质土壤中效果较好。 

植物免疫诱抗剂即植物疫苗，主要是通过增强植物生理功能，增加植物对致病因子的抵抗力，从而提高植物的诱导抗性。它能够激发植物体内多条代谢路径，加强新陈代谢，促进植物的生长发育，达到增产抗病的效果。目前植物免疫诱抗剂主要有植物免疫蛋白、寡糖、水杨酸及其类似物、次生代谢物等类型。

目前报道的免疫诱抗剂类物质主要包括有机酸类(水杨酸、茉莉酸及其甲酯、茉莉酮酸及其甲酯、草酸)，无机化合物(磷酸盐、二氧化硅、臭氧)，寡糖类(海带多糖、壳寡糖、多聚半乳糖醛酸、寡聚脱乙酰壳多糖、壳聚糖、氨基寡糖素)以及蛋白多肽类(如 Harpin 蛋白及类似物)。 

由国外公司开发的具有抗病诱导功能的农药品种有Messenger (Harpin 蛋白)、苯并噻二唑(BTH)、KeyPlex 腐殖酸、烯丙异噻唑、Sereenade、昆布素、Oxycom、Chitosan、Actigard、NCI、吡唑醚菌酯等。 

已在我国登记的具有抗病诱导功能的农药品种有植物激活蛋白、S-ABA、S-诱抗素、氨基寡糖素、甲噻诱胺、香菇多糖、井冈霉素、氟唑活化酯、阿泰灵(6%寡糖+链蛋白)、毒氟磷等。 

吴宇炼等采用文献计量学方法对1985—2021年在国内外期刊上发表的关于植物免疫诱抗剂的文献进行可视化分析。结果表明，当前植物免疫诱抗剂相关研究文献处于波动上升的趋势；根据WOS数据库，在外文文献中，植物免疫诱抗剂相关文献主要出自美国、中国、日本等国家。通过高频次关键词分布，研究热点为水杨酸类植物免疫诱抗剂、氨基寡糖素类、青枯雷尔氏菌，以及秸秆反应堆技术、作物增产技术等方面。 

根据以上描述，笔者认为免疫诱抗剂应该属于生物刺激剂的范畴，是生物刺激剂的一部分。 

生物刺激剂市场的增长是由于对可持续农业的需求激增和有害化肥的使用减少。有市场预测报告指出，生物刺激剂(包括腐殖酸类物质、海藻提取物和微生物改良剂等)的全球市场额2027年预计可达62亿美元，2022—2027年复合年增长率为11.8%。

 微生物脂肽等微生物产品越来越重要

微生物对农业的重要性人所共知。微生物肥料、微生物农药、生物刺激剂、生物堆肥、作物营养利用和管理、作物对生物和非生物胁迫的抵抗力、自然农业等都离不开微生物。 

使用微生物(生物肥料和生物农药)作为合成肥料和农药的替代品或补充品来增加土壤肥力以及在农业中防治病虫害的做法日益突出。生物肥料和生物农药是环境友好型产品，可用于综合营养管理(INM)和综合病虫害管理(IPM)技术。微生物在提高土壤肥力、病虫害防治方面具有重要作用，对促进可持续农业的发展不可或缺。 

Markets and Markets 预测，全球农业微生物市场(土壤改良和作物保护)2027年将达到126亿美元，2022—2027年复合年增长率为14.6%。

Mordor Intelligence 公司发布了2023—2028年微生物农药市场规模和份额的预测报告，该报告涉及包括基于细菌、真菌、病毒等的微生物农药，应用场景包括谷物、豆类和油籽、水果和蔬菜以及其他作物，涉及的市场包括北美、欧洲、亚太、南美和非洲。预测在此期间内微生物农药市场的复合年增长率为 16.3%。增长最快的市场是南美洲，最大的市场是北美洲。当将微生物农药纳入病虫害综合管理计划(IPM)时，将在很大程度上减少对合成农药的需求，而不影响作物产量。 

在植物病害防治方面，微生物杀菌剂的作用除了以其本身作为拮抗微生物抵御病原微生物侵袭之外，微生物的次生代谢产物在抵御病原菌方面也会发挥很大作用。这方面的研究报告也非常多。近年来微生物脂肽类代谢产物在作物病害防治方面的应用潜力广受关注。 

脂肽是微生物发酵过程中产生的次级代谢产物(通常为混合物)，脂肽生物表面活性剂通常是由β氨基或β-羟基脂肪酸(亲油基团)与肽链或肽环(亲水基团)构成的一类生物表面活性剂(亲水基和亲油基以化学键连接，结构不对称，具有较强的极性，水油两亲，可大幅降低表面和界面张力)，是一类新型天然表面活性剂，主要来源于芽孢杆菌(如表面活性素、伊枯草素、丰原素)，假单胞菌(黏液毒素)，地衣芽孢杆菌(地衣素)等。 

一些微生物脂肽已被用作植物病害生物防治剂(表1)。

 纳米农药的开发利用 

纳米技术是21世纪最有前途的技术之一。它是通过观察、测量、操纵、组装、控制和制造纳米尺度的物质，将纳米科学理论转化为应用的能力。美国国家纳米技术计划(NNI)将纳米技术定义为“在纳米尺度(1~100nm)上进行的科学、工程和技术”。纳米科学不同于纳米技术。纳米科学是物理学、材料科学和生物学的融合，涉及在原子和分子尺度上操纵材料。而纳米技术是在纳米尺度上观察、测量、操作、组装、控制和制造物质的能力。

纳米技术是一门相对较新的科学分支，其应用范围广泛，从能源生产到工业生产过程再到生物医学应用。纳米材料(NMs)可以被设计成具有独特的组成和功能，这可以提供新的工具和技术。

一些国际组织如国际标准化组织(ISO)、经合组织(OECD)和欧盟(EU)以及一些国家主管机构如美国环保署(EPA)对纳米技术和/或纳米材料都有定义，但是目前为止还没有见到对纳米农药的官方定义。但是，这些国际组织和国家主管机构都在研究如何监管纳米农药。 

ISO将纳米材料定义为任何外部尺寸或内部结构或表面结构具有纳米尺度的材料，其中长度范围约为1~100nm被视为纳米尺度。

与常规颗粒相比，纳米颗粒可能具有不同的物理甚至化学性质的改变。因此，纳米农药的环境安全性和毒理学特性可能都需要更深入的评价，这给监管带来了新的压力。 

纳米技术在农业上有广泛的应用潜力，但就作物生产和作物保护而言，纳米肥料和纳米农药的开发和利用将会给农业生产带来变革。 

关于纳米农药的研究进展，已有一些综述文章可供参考。 

纳米农药制剂具有不同于传统农药制剂的诸多优点，主要表现在：⑴改进农药在植物叶面上的黏附性和穿透性；⑵防止农药过早降解；⑶减少农药使用频次；⑷提高水不溶性农药的溶解度；⑸控制或缓慢释放农药；⑹改进农药的生物可获得性；⑺靶向传递农药；⑻促进靶标害物对农药的吸收；⑼改进农药制剂的稳定性；⑽降低抗性产生的风险；⑾降低环境污染的风险；⑿降低有害生物防控成本。 

目前，全球范围内获得登记和商品化的纳米农药产品还很少。美国登记了纳米银制剂作为抗微生物产品使用，不是农业用药。另外，各种农药微乳剂产品也是人们在无意识的情况下登记了的符合纳米定义的纳米农药产品。但是目前研究中的纳米农药重点都不在微乳剂产品上。 

佛罗里达大学在美国农业部国家食品和农业研究所 (NIFA) 特种作物研究计划 (Specialty CropResearch Initiative)的资助下组建了多州、跨学科的Zinkicide 团队。该团队包括纳米科学家、植物病理学家、农业经济学家、推广专家和其他人员，共同努力帮助柑橘种植者、消费者和当地居民拥有健康的树木和美味、安全的柑橘产品。据称，该团队开发的产品目前在申请EPA登记中。 

在中国，纳米农药研究正处于火热状态中，还成立了一些专门研究机构。一些研究机构和农药生产企业也宣称已经开发出了某些纳米农药产品。有些产品处于登记状态，但是并不是以“纳米制剂”申请的登记，因为中国还没有对“纳米农药制剂”的登记做出任何特别的规定。如河北中天邦正生物科技股份公司已经获得登记的45联肼·乙螨唑悬浮剂。 

我国纳米农药研究取得了重大进展：创制了一批高效、安全与低残留纳米农药新制剂；针对大吨位与主导性杀虫剂、杀菌剂和除草剂，开发了纳米微乳剂、混悬剂、胶囊剂、水溶胶与固体分散体等绿色纳米农药新剂型，判明了其增效减排效果、适用范围、优选剂量与施用方法；可以平均提高药效30%~50%，延长持效期4~5倍，显著降低残留污染。 

为了加强纳米农药的质量管理，2021年我国农业农村部农药检定所发布了中华人民共和国农业行业标准即纳米农药产品质量标准编写规范的征求意见稿。

根据联合市场研究公司(Allied Market Research)发布的一份名为“纳米农药市场”的新报告，2021年纳米农药(纳米杀虫剂、纳米杀菌剂、纳米除草剂及其他)市场价值为5亿美元，预计到2031年将达到16亿美元，2022—2031年的复合年增长率为12.5%。另有预测报告指出，预计到2030年全球纳米农药市场规模将达到19亿美元左右，2022—2030年的复合年增长率为13.66%。可见，2份预测报告对纳米农药市场的发展趋势预估基本一致。 

 育种新技术(基因编辑和 RNA 干扰技术)在作物保护中的应用 

利用育种技术改善作物品质，或者提高作物对各种非生物和生物胁迫的抵御能力是始终伴随着作物生产。随着技术的进步，传统的育种技术被现代转基因技术替代。作物转基因育种始于20世纪80年代，经过40多年的发展，已育成多种作物的转基因品种，并在生产中广泛应用。转基因技术能将一个生物体中结构明确、功能清楚的基因取出，让其在另一个作物体内发挥作用，实现基因在不同物种间的重组。这项新技术不仅更精准，而且利用其他物种的基因资源能极大扩充作物自身的基因库，使作物具备抗虫、耐除草剂、抗旱等特性。抗草甘膦的转基因玉米和大豆以及抗虫的转基因棉花等已经在全球很多国家栽种。我国也要大力发展转基因大豆和玉米的种植。 

2013年，以CRISPR/Cas9系统为标志的第3代基因编辑技术取得了决定性突破，打破了常规育种瓶颈，成为基因编辑主流技术。基因编辑是指对目标基因进行精确操作，使基因实现定点突变、插入、删除，从而直接启动、关闭某些基因，甚至直接在分子水平对致病基因做编辑、修改，进而对未知功能基因进行研究和基因治疗的技术。这个过程既模拟了基因的自然突变，又修改并编辑了原来的基因组，真正实现了“基因编辑”。为推进该技术在中国农业上的应用，2022年1月24日，中国农业农村部制定公布了《农业用基因编辑植物安全评价指南(试行)》。 

基因编辑是当前全球发展农业生产、满足农产品需求所高度重视的革命性颠覆性技术，全球农业大国高度重视。2018年美国政府发布《2018—2023年战略计划》，将基因编辑列为5个颠覆性技术之一长期投资；2019年俄罗斯公布约17亿美元的联邦计划，支持基因编辑研究，旨在培育基因编辑作物和动物新品种。世界多国积极推进基因编辑技术产业化，放开基因编辑产品监管，目前已经在水稻、玉米、大豆、小麦和番茄等农作物以及猪、牛、羊等农业动物中广泛应用，国外已有百余种植物基因编辑产品成功上市。 

基因组编辑(GE)技术有助于有针对性和快速地实现作物育种计划，增强对害虫和病原体的抗性。GE不需要杂交，因此避免了在优秀品种中通过连锁引入不良性状，加快了整个育种过程。GE技术可以通过直接编辑有害生物基因组或植物敏感基因组或作为生物防治剂(BCA)的微生物基因组，对植物敏感性基因及害虫和病原体的毒力因子进行编辑，以获得植物保护效果。 

据文献报道，1995年有研究人员发现注射正义RNA和反义RNA均能有效并特异性地抑制秀丽新小杆线虫 par-1 基因的表达，该结果不能使用反义RNA技术的理论做出合理解释。直到 1998 年，Fire和 Mello 课题组接手了此课题。他们以秀丽新小杆线虫为模型，发现在此课题中，引发线虫 par-1 基因沉默的是小片段的双链 RNA，而不是正义单链 RNA或负义单链 RNA。他们之后又研究了秀丽新小杆线虫的 unc-22 基因，进一步阐述了双链 RNA 在基因沉默中的作用，并将这一现象命名为“RNA 干扰(RNAi)”。他们的研究成果激起了其他科学家研究RNA 干扰现象的浓厚兴趣，由于他们的发现揭示了分子生物学中一个全新的，具有普遍性的机制，2位科学家Andrew Fire和Craig C. Mello因此在2006年获得诺贝尔奖。 

RNAi是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA(dsRNA)介导的同源 mRNA 高效特异性降解的现象，也称为转录后基因沉默(PTGS)，在植物、线虫、昆虫、脊椎动物等真核生物中普遍存在。该现象在20世纪90年代发现之后便成为一种重要的基因干扰技术。RNAi 技术是一种多功能、有效、安全、环保的作物保护替代方案，有大量证据表明通过宿主诱导基因沉默(HIGS)和喷雾诱导基因沉默(SIGS)技术都可以用于控制病毒、细菌、真菌、昆虫和线虫。RNAi 技术也是一种强大的、多功能的作物病虫害控制替代技术，它在农业领域的应用扩展到病毒、细菌、真菌、昆虫、线虫和植物。过去阻碍其应用的主要问题是生产成本和稳定性，随着新技术的发展，生产成本越来越低，而稳定性封装策略提供了一种避免性能退化的解决方案。在脂质体、病毒样颗粒、复合纳米颗粒和生物黏土中封装 dsRNAs 在过去10年中获得了实用性，因为它们能防止降解。提高其稳定性一直是该技术发展过程中的一个挑战，裸露的dsRNAs很容易因为环境暴露或酶的作用以及目标生物的pH而降解。封装为dsRNA的稳定性提供了保证，有时也提高了生物细胞对 dsRNAs的摄取。一些用于封装的材料对害虫防治还有加和作用；然而，封装材料大多无害、可生物降解而且在多种化学环境中稳定，这有利于 dsRNAs 的可控释放。 

根据目前的研究进展，基因沉默技术在实验室环境下的抗病虫害效果已经得到广泛的证实，金芸等的研究也证明了HIGS用于对抗难以防治的土传真菌病害的有效性。由于传统的化学控制方法对根部侵染的病原菌几乎难以奏效，因此拓展HIGS的方法到其他根部侵染的病原菌的防治中非常值得尝试。同时，得益于真菌基因组的测序，基因功能的解析和对侵染过程及宿主抗病过程的深入了解，研究人员将可能挑选合适有效的靶标基因进行特定靶向沉默。因此，基因沉默技术具有非常光明的应用前景及切实可行的操作性。 

高沥文等回顾了RNA干扰的基本作用机制和发展历程，全面总结了RNAi生物农药的研究水平和应用现状，深入分析了RNAi 生物农药发展面临的机遇和挑战，以及未来的发展前景。毫无疑问，将RNAi 应用于农作物保护无疑具有很多优点，特别是能够特异性地靶向已知的核苷酸序列，并有望减少植物病害、减轻环境负担。近年来，一些研究发现简化了其应用程序，降低了生产成本。此外，研究者们还进行了一些探讨，其目的在于使RNAi的使用变得更加有效和安全。尽管外源 dsRNAs 的识别、吸收和转运机制仍有待确定，但最近的研究表明使用局部施用的 RNA 农药作为作物保护措施的潜在益处有很多，包括相对于许多现有农药而言的低毒性、物种特异性以及当设计了合适的 dsRNA序列时对环境的友好性。所以，如果谨慎地进行构思和开发，RNA农药能够以安全有效的方式彻底改变田间病虫害及杂草的管理体系。 

与基因敲除、基因编辑等技术相比，RNAi 极具优势。dsRNA 在农业上的应用方式，特别是在病虫害防治中的应用方式，可以通过3种方式来实现：⑴寄主诱导的基因沉默(host-induced gene silencing，HIGS)；⑵病毒诱导的基因沉默(virus-induced genesilencing，VIGS)；⑶喷雾诱导的基因沉默(sprayinduced gene silencing，SIGS)。HIGS 需要通过转基因作物来表达针对害虫或病原物的 dsRNA。VIGS基于病毒工程在昆虫体内产生足量的dsRNA。如利用CTV(柑橘衰退病毒)表达载体在柑橘植株内获得长期、稳定表达的抗黄龙病外源基因，成功抑制了黄龙病的发生和蔓延。SIGS则更类似于传统农药的施用方法，通过非转基因手段，直接向环境中喷施或注射dsRNA，通过害虫取食或病原体侵染的过程而起作用。 

 大数据、人工智能和精准农业在未来作物保护上的应用 

人工智能是一组使计算机能够模拟人类智能的技术。人工智能的子领域包括自动化机器学习(AutoML)和机器学习，这是指使用算法在没有人为干预的情况下学习和执行任务；深度学习，即使用神经网络识别大容量数据中的复杂模式；认知计算，即用于模拟人类大脑的功能来解决复杂问题；以及自然语言处理，即帮助计算机理解和解释人类语言。 

简单地说，大数据是更大、更复杂的数据集，尤其是来自新数据源的数据集。这些数据集是如此庞大，传统的数据处理软件根本无法管理它们。但是这些海量的数据可以用来解决人们以前无法解决的业务问题。大数据有3个特点，也称3个“V”，即种类更多、数量不断增加，速度更快。 

大数据是人工智能运行的燃料。大量不同的数据使机器学习应用程序能够完成它们的设计任务：获得并完善一项技能。 

人工智能通过自动化和增强数据准备、数据可视化、预测建模和其他复杂的分析任务，使大数据分析变得更加简单，否则这些任务将是劳动密集型和耗时的。人工智能可以帮助用户更快地从大型、复杂的数据集中处理、操作和显示可操作的见解。人工智能获得的数据越多，它就越能学习并提高其模式识别能力。 

人工智能在农业和上的应用场景包括：⑴实时作物和土壤监测；⑵作物产量预测和价格预测；⑶有害生物识别和及时喷洒农药；⑷更明智地配置资源；⑸改善食品和环境的可持续性；⑹分析市场需求，管理风险；⑺作物保护、施肥和收获作物。 

人工智能在有害生物治理中的作用如下：⑴简单的侦察方法：人工智能可以侦查和提供准确的有害生物描述和它们在田间的确切位置。⑵解决病虫害诊断方面的挑战：正确识别田间特定病虫害对其成功管理至关重要。有害生物管理的另一个重要方面是定期监测有害生物，这有助于确定发病率和开始进行有害生物管理干预的时间。⑶及早预测有害生物问题：应用人工智能技术可以帮助自动化和加快过程，在有害生物管理的重要方面，如有害生物识别、有害生物监测和选择适当的有害生物管理策略，向农民提供及时和正确的决策支持。⑷大规模有害生物监测和监视：基于人工智能原理的无人机用于森林监测和监视。⑸有害生物管理：利用基于人工智能的无人机喷洒农药，通过确保作物完全覆盖，在更大范围内有效控制有害生物。 

精准农业(PA)，有时被称为“处方农业”或“可变速率技术”，是管理空间和时间变化的实践。精准农业是一种基于观察、测量和响应作物田间和田内变化的农业管理概念。可以说精准农业的发展和人工智能技术的发展密切相关。精准农业的发展始于20世纪90年代中期，得益于由卫星提供的全球定位系统(GPS)服务的广泛可用性。首次应用是联合收割机的产量制图和土壤养分制图，根据田地的空间变化进行磷肥和钾肥的施用。随后是作物生长成像，指导氮肥施用。传感器用于记录来自卫星、飞机、无人机或拖拉机上的可见光波段和近红外摄像机的图像。土壤结构制图也使用电导率设备进行，该设备可用于操作空间可变播种率。使用GPS的自动拖拉机制导系统现在在英国被广泛采用。 

到目前为止，精准农业的大部分发展都应用于谷物和欧洲的油菜，以及北美的玉米和大豆等作物。然而，在葡萄藤和果园中也有潜在的机会。精准农业在作物保护领域的商业化应用相对有限。 

黑草在英国冬小麦中的普遍存在，对除草剂的抗性越来越强，这引起了人们对绘制这种杂草在田间发生情况的兴趣，从而使昂贵的除草剂的补丁喷洒成为可能。收集黑草图像的最佳时间是在收获前，尽管这意味着第一次使用除草剂的机会是在下一季。EyeWeed 项目由Innovate UK 联合资助，雷丁大学和几家工业合作伙伴参与其中，该项目利用安装在地面的农业机械(尤其是喷雾器)上的摄像头，研究了在作物生长的早期阶段检测谷物中的黑草。目前正在评估一种允许除草剂“实时”施用的原型喷雾器。 

另一项正在开发的技术是高光谱成像的应用。使用特殊的传感器，可以记录农作物叶片反射光光谱的差异。这些差异与叶绿素的荧光和玉米黄质的存在有关，可以表明作物健康状况的变化以及遭受干旱或与病害有关的压力的程度。美国的专业公司提供基于高光谱传感器的服务，主要用于研究目的。有一些证据表明，叶部病害的发病率甚至可以在人眼可见之前检测到。剑桥大学和工业合作伙伴Blightsense 在开发一种快速的声学生物传感器设备，用于田间鉴定马铃薯疫病的病原体疫霉(Phytophthorainfestans)在空气中传播的孢子。精准农业在作物保护中的广泛应用将在很大程度上取决于这些不断发展的传感器技术的技术性能和经济可行性。 

总之，大数据、人工智能和精准农业3者相互联系，相辅相成，它们在未来的作物保护中必将发挥重要的作用。 

 再生农业与未来的作物保护

位于美国明尼苏达州明尼阿波里斯市的再生农业基金会(RAF)认为，再生农业是很难定义的。再生农业不是一个新概念。再生农业并不是一套精心描绘的实践或某种认证的农业类型，也不仅仅是基于一系列的指标如土壤有机碳含量和水质给出的定义。最好把再生农业看作解决多种危机的步骤。再生农业使人们朝着一个丰富的食品和纤维生产、恢复生态系统、运转良好的水和碳循环、繁荣的社区以及一个公平而繁荣的食品经济的世界发展。 

国际公益环保组织自然资源保护委员会2022年3月发布了一份报告，即《可再生农业：21世纪的农业政策，推进可再生农业的政策建议》。报告认为，再生农业是一种土地管理理念，农民和牧场主在与自然和社区和谐相处的情况下种植粮食和纤维。该报告还为再生农业提出了一个决策框架(表2)。

再生不会在一夜之间削弱农药市场，但对气候变化和碳封存的关注及持续的监管压力，消费者对生产系统可追溯性的需求，以及农民寻求削减生产成本，将在短期内逐步减少投入使用，并可能使许多化学类别在未来10年淘汰。