二、核心認(rèn)知：生物農(nóng)藥的定義、分類與生物技術(shù)的關(guān)聯(lián)演講人核心認(rèn)知：生物農(nóng)藥的定義、分類與生物技術(shù)的關(guān)聯(lián)01現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)：從實(shí)驗(yàn)室到田間的“最后一公里”02技術(shù)實(shí)踐：生物技術(shù)在生物農(nóng)藥開發(fā)中的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)探究03教學(xué)建議：讓生物技術(shù)實(shí)踐“活”起來04目錄2025高中生物技術(shù)實(shí)踐選修課件實(shí)驗(yàn)探究：生物技術(shù)在生物農(nóng)藥中的應(yīng)用一、課程引入：當(dāng)農(nóng)業(yè)發(fā)展遇到“綠色瓶頸”——我們?yōu)楹侮P(guān)注生物農(nóng)藥？作為一名深耕中學(xué)生物實(shí)踐教學(xué)十余年的教師，我常帶著學(xué)生走進(jìn)農(nóng)田觀察：清晨的菜葉上，化學(xué)農(nóng)藥的白色殘留在陽光下泛著刺眼的光；田埂邊，曾經(jīng)常見的瓢蟲、蚯蚓難覓蹤跡；更令人揪心的是，農(nóng)戶老張蹲在田頭嘆氣：“打藥成本一年比一年高，蟲子抗藥性越來越強(qiáng)，這地還咋種？”這些真實(shí)的場(chǎng)景，正是當(dāng)前農(nóng)業(yè)面臨的“綠色困境”——化學(xué)農(nóng)藥過度使用導(dǎo)致的生態(tài)破壞、農(nóng)藥殘留超標(biāo)、靶標(biāo)生物抗藥性激增等問題，已成為制約現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵矛盾。在這樣的背景下，生物農(nóng)藥憑借“環(huán)境友好、靶標(biāo)專一、不易產(chǎn)生抗藥性”的優(yōu)勢(shì)，逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向田間。而支撐其發(fā)展的核心動(dòng)力，正是現(xiàn)代生物技術(shù)的創(chuàng)新突破。今天，我們將以“實(shí)驗(yàn)探究”為紐帶，從基礎(chǔ)認(rèn)知到技術(shù)實(shí)踐，系統(tǒng)揭開“生物技術(shù)在生物農(nóng)藥中應(yīng)用”的神秘面紗。01核心認(rèn)知：生物農(nóng)藥的定義、分類與生物技術(shù)的關(guān)聯(lián)1生物農(nóng)藥的科學(xué)界定生物農(nóng)藥是指利用生物活體（真菌、細(xì)菌、昆蟲病毒、轉(zhuǎn)基因生物、天敵等）或其代謝產(chǎn)物（信息素、生長(zhǎng)素、萘乙酸鈉、2,4-D等）針對(duì)農(nóng)業(yè)有害生物進(jìn)行殺滅或抑制的制劑。與化學(xué)農(nóng)藥的“無差別殺傷”不同，生物農(nóng)藥的作用機(jī)制更依賴生物間的自然拮抗關(guān)系或特異性識(shí)別，例如蘇云金桿菌（Bt）產(chǎn)生的Cry蛋白僅對(duì)鱗翅目昆蟲幼蟲有特異性毒性，對(duì)哺乳動(dòng)物和其他益蟲無害。2生物農(nóng)藥的分類體系與生物技術(shù)的滲透點(diǎn)根據(jù)來源和作用機(jī)制，生物農(nóng)藥可分為四大類，每一類都與生物技術(shù)深度綁定：2生物農(nóng)藥的分類體系與生物技術(shù)的滲透點(diǎn)2.1微生物源生物農(nóng)藥（占比超60%）細(xì)菌類：以Bt菌劑為代表，其殺蟲活性源于編碼Cry蛋白的cry基因。通過基因工程技術(shù)，可將cry基因轉(zhuǎn)入植物（如抗蟲棉）或優(yōu)化Bt菌株（如提高Cry蛋白表達(dá)量）。01病毒類：核型多角體病毒（NPV）專性感染鱗翅目害蟲。通過昆蟲細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)病毒的規(guī)?；a(chǎn)（如斜紋夜蛾NPV的工廠化生產(chǎn)已在我國(guó)南方多地應(yīng)用）。03真菌類：白僵菌、綠僵菌是防治蝗蟲、蚜蟲的“生力軍”?，F(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)可大幅提升菌株產(chǎn)孢量（實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后的發(fā)酵條件可使孢子濃度從10?/mL提升至101?/mL）。022生物農(nóng)藥的分類體系與生物技術(shù)的滲透點(diǎn)2.2植物源生物農(nóng)藥（傳統(tǒng)與現(xiàn)代的融合）直接提取類：除蟲菊素（來自菊科植物）、印楝素（來自印楝樹）是典型代表。超臨界CO?萃取技術(shù)（一種物理提取方法）可高效保留活性成分，避免化學(xué)溶劑殘留。代謝調(diào)控類：通過植物內(nèi)生菌共培養(yǎng)技術(shù)（如將產(chǎn)酶微生物與宿主植物共培養(yǎng)），可誘導(dǎo)植物產(chǎn)生更多次生代謝產(chǎn)物（如辣椒內(nèi)生菌誘導(dǎo)辣椒素增產(chǎn)30%）。2生物農(nóng)藥的分類體系與生物技術(shù)的滲透點(diǎn)2.3動(dòng)物源生物農(nóng)藥（特異性的精準(zhǔn)打擊）昆蟲信息素：性誘劑（如梨小食心蟲性誘劑）通過干擾害蟲交配實(shí)現(xiàn)防治?；瘜W(xué)合成技術(shù)雖可生產(chǎn)信息素，但通過基因工程改造微生物（如大腸桿菌）合成信息素前體，可降低成本40%以上。天敵昆蟲：周氏嚙小蜂是美國(guó)白蛾的“天然克星”。通過人工飼料優(yōu)化（添加昆蟲血淋巴成分）和規(guī)模化擴(kuò)繁技術(shù)，單批次可生產(chǎn)500萬頭以上。2生物農(nóng)藥的分類體系與生物技術(shù)的滲透點(diǎn)2.4轉(zhuǎn)基因生物農(nóng)藥（前沿科技的集大成者）轉(zhuǎn)基因植物：抗蟲棉（轉(zhuǎn)入Bt基因）、抗蟲玉米（轉(zhuǎn)入VIP3A基因）已在全球種植超2億公頃?；蚓庉嫾夹g(shù)（如CRISPR-Cas9）的應(yīng)用，使目標(biāo)基因插入更精準(zhǔn)，脫靶率從傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因的5%降至0.1%以下。工程微生物：將幾丁質(zhì)酶基因轉(zhuǎn)入Bt菌株，可增強(qiáng)其對(duì)昆蟲外骨骼的破壞能力，殺蟲效率提升2倍。02技術(shù)實(shí)踐：生物技術(shù)在生物農(nóng)藥開發(fā)中的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)探究1實(shí)驗(yàn)一：Bt菌株的分離、鑒定與活性測(cè)定（基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)）這是我?guī)W(xué)生做過最“接地氣”的實(shí)驗(yàn)——我們從農(nóng)田土壤中分離Bt菌株，用實(shí)際操作理解“微生物篩選”的核心邏輯。1實(shí)驗(yàn)一：Bt菌株的分離、鑒定與活性測(cè)定（基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)）1.1實(shí)驗(yàn)步驟1土壤樣品采集：選擇近3年未大量使用化學(xué)農(nóng)藥的菜地，取0-10cm表層土（學(xué)生發(fā)現(xiàn)：土壤越肥沃，微生物多樣性越高）。2菌株分離：采用熱擊法（80℃處理10分鐘）殺死非芽孢菌，將土壤懸液涂布于LB固體培養(yǎng)基，28℃培養(yǎng)48小時(shí)（平板上長(zhǎng)出的白色、邊緣不規(guī)則菌落，可能是Bt菌株）。3形態(tài)學(xué)鑒定：革蘭氏染色（Bt為革蘭氏陽性菌）、顯微鏡觀察（是否有伴孢晶體——Bt的典型特征）。4活性測(cè)定：將菌株發(fā)酵液飼喂家蠶幼蟲（替代靶標(biāo)昆蟲），設(shè)置清水對(duì)照組，48小時(shí)后統(tǒng)計(jì)死亡率（學(xué)生驚訝地發(fā)現(xiàn)：不同土壤分離的菌株殺蟲活性差異可達(dá)50%）。1實(shí)驗(yàn)一：Bt菌株的分離、鑒定與活性測(cè)定（基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)）1.2關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)熱擊溫度與時(shí)間的控制（溫度過高會(huì)殺死Bt芽孢，過低無法去除雜菌）；01伴孢晶體的觀察需用相差顯微鏡（普通光學(xué)顯微鏡易漏檢）；02家蠶幼蟲的日齡統(tǒng)一（3齡幼蟲對(duì)Cry蛋白最敏感）。032實(shí)驗(yàn)二：植物源農(nóng)藥的提取與抑菌實(shí)驗(yàn)（綜合型實(shí)驗(yàn)）我們?cè)眯@里的辣蓼（一種常見雜草）做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)：“原來身邊的野草也能變成‘農(nóng)藥’！”2實(shí)驗(yàn)二：植物源農(nóng)藥的提取與抑菌實(shí)驗(yàn)（綜合型實(shí)驗(yàn)）2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)材料選擇：辣蓼（含蓼藍(lán)素，對(duì)植物病原菌有抑制作用）、乙醇（75%食用酒精，安全易得）。提取方法：采用索氏提取法（水浴溫度60℃，提取2小時(shí)），學(xué)生記錄：“回流管中液體顏色逐漸變深，從無色到深褐色”。抑菌實(shí)驗(yàn)：制備馬鈴薯葡萄糖瓊脂（PDA）平板，接種番茄早疫病菌，在平板中央放置含提取液的濾紙片，25℃培養(yǎng)3天，測(cè)量抑菌圈直徑（學(xué)生數(shù)據(jù)：辣蓼提取液的抑菌圈直徑達(dá)2.3cm，而清水對(duì)照無抑菌圈）。2實(shí)驗(yàn)二：植物源農(nóng)藥的提取與抑菌實(shí)驗(yàn)（綜合型實(shí)驗(yàn)）2.2延伸思考在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容不同溶劑（水、乙醇、石油醚）對(duì)提取效果的影響（乙醇提取的抑菌活性最高，因蓼藍(lán)素是脂溶性成分）；在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容提取液的濃度梯度實(shí)驗(yàn)（0.1g/mL、0.5g/mL、1.0g/mL，發(fā)現(xiàn)0.5g/mL時(shí)抑菌效果最佳，過高濃度可能因成分析出降低活性）；在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容田間應(yīng)用的局限性（植物源農(nóng)藥易光解，需添加紫外保護(hù)劑如木質(zhì)素）。這是最具挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)——我們嘗試將Bt的cry1Ac基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌，雖然最終未實(shí)現(xiàn)高效表達(dá)，但學(xué)生對(duì)“基因操作”的理解有了質(zhì)的飛躍。3.3實(shí)驗(yàn)三：基因工程菌的構(gòu)建（拓展型實(shí)驗(yàn)，適合興趣小組）2實(shí)驗(yàn)二：植物源農(nóng)藥的提取與抑菌實(shí)驗(yàn)（綜合型實(shí)驗(yàn)）3.1核心步驟目的基因獲?。簭氖惺跙t菌劑中提取基因組DNA，設(shè)計(jì)特異性引物（上游：5’-ATGAAAAACATTTATTTTC-3’，下游：5’-TTATTTGTAATGCTGCGG-3’），通過PCR擴(kuò)增cry1Ac基因（學(xué)生操作PCR儀時(shí)，反復(fù)確認(rèn)退火溫度是否為58℃）。載體構(gòu)建：將目的基因與pET-28a質(zhì)粒（含T7啟動(dòng)子）用BamHI和HindIII雙酶切，連接后轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α（藍(lán)白斑篩選：白色菌落為陽性克隆）。誘導(dǎo)表達(dá)：將陽性克隆轉(zhuǎn)接至含卡那霉素的LB液體培養(yǎng)基，加入IPTG誘導(dǎo)（學(xué)生記錄：誘導(dǎo)4小時(shí)后，菌液OD600達(dá)0.8，離心后菌體超聲破碎，SDS電泳顯示約130kDa的條帶——Cry1Ac蛋白的特征分子量）。2實(shí)驗(yàn)二：植物源農(nóng)藥的提取與抑菌實(shí)驗(yàn)（綜合型實(shí)驗(yàn)）3.2教學(xué)價(jià)值理解“基因工程的操作流程”（提取、切割、連接、轉(zhuǎn)化、表達(dá)）；01體會(huì)“理論與實(shí)踐的差距”（如原核表達(dá)系統(tǒng)無法對(duì)Cry蛋白進(jìn)行糖基化修飾，可能影響活性）；02培養(yǎng)“科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性”（每一步都需設(shè)置對(duì)照，如未加引物的PCR反應(yīng)、未轉(zhuǎn)化的大腸桿菌培養(yǎng)）。0303現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)：從實(shí)驗(yàn)室到田間的“最后一公里”1應(yīng)用現(xiàn)狀：生物農(nóng)藥的“逆襲之路”010203市場(chǎng)規(guī)模：2023年全球生物農(nóng)藥市場(chǎng)規(guī)模達(dá)95億美元，年增長(zhǎng)率超15%（化學(xué)農(nóng)藥僅3%）；我國(guó)生物農(nóng)藥占農(nóng)藥總用量的12%，目標(biāo)2025年提升至20%。政策支持：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將生物農(nóng)藥納入“綠色投入品”補(bǔ)貼范圍，2024年中央一號(hào)文件明確“推廣生物防治、物理防治等綠色防控技術(shù)”。技術(shù)突破：我國(guó)在Bt工程菌、白僵菌規(guī)模化生產(chǎn)、植物源農(nóng)藥提取等領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平（如中農(nóng)康露的Bt菌劑年產(chǎn)能超5萬噸）。2現(xiàn)存挑戰(zhàn)：技術(shù)與應(yīng)用的“雙重瓶頸”技術(shù)端：部分生物農(nóng)藥（如病毒類）生產(chǎn)成本高（是化學(xué)農(nóng)藥的3-5倍），穩(wěn)定性差（常溫保存3個(gè)月活性下降50%）；基因工程產(chǎn)品的環(huán)境安全性仍需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)（如轉(zhuǎn)基因微生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)）。應(yīng)用端：農(nóng)民習(xí)慣使用見效快的化學(xué)農(nóng)藥，對(duì)生物農(nóng)藥“起效慢（一般需3-5天）”存在疑慮；基層農(nóng)技推廣體系薄弱，農(nóng)民缺乏科學(xué)使用指導(dǎo)（如生物農(nóng)藥需避開高溫強(qiáng)光時(shí)段噴施）。3破局方向：生物技術(shù)的“精準(zhǔn)賦能”合成生物學(xué)：通過代謝通路改造，在微生物中重構(gòu)植物源農(nóng)藥的合成途徑（如在酵母中合成青蒿素，成本降低60%）；01智能農(nóng)業(yè)：結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)害蟲發(fā)生動(dòng)態(tài)，精準(zhǔn)投放生物農(nóng)藥（如通過蟲情測(cè)報(bào)燈數(shù)據(jù)指導(dǎo)性誘劑懸掛密度）。03納米載體技術(shù)：將生物活性成分包裹于納米顆粒中，提高穩(wěn)定性（光解率從80%降至20%），延長(zhǎng)持效期；0201020304教學(xué)建議：讓生物技術(shù)實(shí)踐“活”起來教學(xué)建議：讓生物技術(shù)實(shí)踐“活”起來作為高中階段的實(shí)踐課程，我們的目標(biāo)不是培養(yǎng)“農(nóng)藥專家”，而是通過實(shí)驗(yàn)探究激發(fā)學(xué)生的科學(xué)興趣，培養(yǎng)“綠色發(fā)展”的責(zé)任感。以下是我的三點(diǎn)教學(xué)心得：1以“問題驅(qū)動(dòng)”替代“照方抓藥”避免讓學(xué)生機(jī)械重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，而是提出開放性問題：“如果Bt菌株的殺蟲活性低，可能是哪些環(huán)節(jié)出了問題？”“植物源農(nóng)藥在田間效果不佳，如何改進(jìn)？”引導(dǎo)學(xué)生從“操作者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤把芯空摺薄?搭建“實(shí)驗(yàn)室-田間”的實(shí)踐鏈條組織學(xué)生到農(nóng)場(chǎng)開展“對(duì)比試驗(yàn)”：一塊地用化學(xué)農(nóng)藥，一塊地用生物農(nóng)藥，記錄害蟲數(shù)量、益蟲數(shù)量、作物產(chǎn)量。當(dāng)學(xué)生看到“生物農(nóng)藥區(qū)的瓢蟲多了，玉米蚜蟲少了”，他們對(duì)“生態(tài)平衡”的理解會(huì)更深刻。3融入“科學(xué)倫理”教育在講解基因工程生物農(nóng)藥時(shí)，討論“轉(zhuǎn)基因微生物釋放的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)”；在評(píng)價(jià)生物農(nóng)藥優(yōu)勢(shì)時(shí)，不回避其“起效慢”的缺點(diǎn)。培養(yǎng)學(xué)生“辯證看待技術(shù)”的科學(xué)思維，這比掌握實(shí)驗(yàn)技能更重要。結(jié)語：生物技術(shù)，為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展注入“生物動(dòng)力”回顧今天的課程，我們從農(nóng)田的“綠色困境”出發(fā)，認(rèn)識(shí)