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植物源农药研究进展—文献综述

作者：华航鸡哥

前言：我国现有人口已达13亿,并且每年以1 700万的速度增长,而耕地面积却逐渐减少。如何在有限的耕地上满足对粮食增长的要求,将是我国现代化进程中的一个极其重要的问题。农业是国民经济的基础,农药在农业现代化进程中具有十分重要的作用。发展高效农业如果没有现代化的植物保护措施,农作物的保收增产将无法实现。化学农药在使农业生产受益的同时,也呈现出种种弊端,最为关注的是农药残留、害虫对农药的抗性和害虫再猖獗问题以及农药对人类的致癌、致畸和致突变恶果。植物是生物活性化合物的天然宝库,它在生长和发育过程中,特别是长期与昆虫协同进化过程中,产生了许多具有特殊生物活性的次生代谢产物,如生物碱、类黄酮、萜烯类、酚类、甾体、独特的氨基酸和多糖等,数目可超过40万种,其中大多数具有杀虫活性。植物源杀虫剂就是一类利用从植物中提取的活性成分而制成的杀虫剂,具有高效、低毒或无毒、无污染、选择性高、不易使害虫产生抗药性等优点,符合农药从传统的有机化学物质向环境和谐农药或生物合理性农药转化的趋势。目前,对植物源杀虫剂的研究和开发是当前新型农药创新的热点[1]

1. 植物源杀虫剂的研究历史和现状

在药物发展的早期阶段,利用天然产物防治作物病虫草害几乎是唯一选择。从天然物质中开发药物和农药已经有着十分悠久的历史。例如,三大植物性杀虫剂(除虫菊、鱼藤和烟草)已经被使用了数百年,但由于早期天然产物的相关基础学科的发展相对较为缓慢,随着提取及分离分析科学的不断发展和一系列先进的结构鉴定手段的广泛采用,天然产物的研究开发迈上了一个新的台阶。时至今日,从动植物和微生物体内分离、鉴定具有生物活性的物质,仍然是获得先导化合物的重要手段。各种分离手段如层析法(薄层层析、气象层析和高效液相层析等),电泳、凝胶过滤等方法的采用和包括X射线晶体学在内的仪器分析方法用于确定天然产物的化学结构、绝对构型和构象,使分离鉴定天然产物的研究工作能够迅速、准确地完成,微量复杂结构成分也因使用先进的鉴定手段而得以成为有价值的先导化合物[2]我国有着丰富的植物资源,有些植物体内含有的某些成分可以用来杀虫,我们把这些植物称之为杀虫植物,而把这些植物的根茎花、果实、种子等进行提炼加工而制成的杀虫制剂称为植物杀虫剂。植物源农药如烟碱、苦参碱、印楝素、川楝素、茼篙素、异羊角扭甙、茶皂素、鱼藤酮、除虫菊酯、植物精油和转基因植物(种子)等[3]。这些植物体内所含的杀虫活性成分各不相同,不同植物之间的差异很大。杀虫植物体内的活性成分的含量与杀虫植物的品种、年龄、植株所处的土壤和气候等因素有关。近年来,人们发现一些植物次生物质在光照条件下对害虫的毒效可提高几倍、

几十倍甚至上千倍,显示出光活化特性。自从吠喃香豆素类化合物-花椒毒素的光活化性质被首次发现(Berenbaum,1978)以来,陆续发现的植物源光活化毒素主要有:吠喃香豆素类(线型--花椒毒素;角型--当归根素)、多炔类与噻吩类、生物碱类(茵芋碱skimmianine、短颈苔碱brevicolline、呋喃喹啉碱和异喹啉生物碱等)、扩展醌类(金丝桃素hypericin和尾孢菌素等)、其它化合物(苯并呋喃、苯并吡喃、去甲二氢愈创木酸、lachnanthocarpone、脱镁叶绿酸甲基酯类、砧吨染料和噻吩类)。国外研究光活化杀虫剂的主要国家是加拿大和美国,国内徐汉虹等(1993)首先报道了猪毛蒿( Artemisia scoparia)精油含有的茵陈二炔(Capilene)对斜纹夜蛾(Spodoptera litura)的生物活性受光照的激发而增强。除了用于杀虫外,光活化农药也用于杀病毒、病菌、线虫等。与一般化学农药相比,光活化农药具有高效、低毒、低残留、选择性强等优点,对人畜安全,作为一类新型无公害农药有巨大的潜力[4]。

2. 天然植物中的杀虫活性物质

天然植物中的杀虫活性物质极其丰富,依其化学结构可大体归纳如下:

2.1. 生物碱类(alkaloids)

生物碱对昆虫的作用方式是多种多样的,诸如毒杀、忌避、拒食、抑制生长发育等。在远古时代,人们就知道利用植物源生物碱防治害虫。具有这些功能的生物碱极其繁多,主要有烟碱、毒扁豆碱、雷公藤碱、百部碱、苦参碱、藜芦碱、黄连碱、小檗碱、喜树碱、三尖杉碱、莨菪碱、毒芹碱、乌头碱、胡椒碱、辣椒碱等[2]。如苦参中含苦参碱和金雀花碱,可以防治果菜害虫、棉红蜘蛛和茶树螨类;苦豆子中含苦豆子碱,可以杀灭蚜虫和红蜘蛛;烟碱对山楂叶螨和麦长腿红蜘蛛毒杀力较强、击倒力强、药效较长 [5]。

2.2. 萜类(terpenes)

这类化合物包括蒎烯、单萜类、倍半萜、二萜类、三萜类,多以酯类衍生物形式存在,其杀虫作用机理也是多方面的,如触杀、胃毒、忌避、麻醉、抑制生长发育等。这类化合物主要有川楝素、苦皮藤酯Ⅰ、苦皮藤酯Ⅱ、苦皮藤酯Ⅲ、苦皮藤酯Ⅳ、雷公藤甲素、闹羊花毒素、瑞香毒素、木藜芦毒素、马醉木毒素、α-蒎烯、β-蒎烯等 [5]。

2.3. 黄酮类(flavonoids)

黄酮类化合物多以甙或甙元、双糖甙或三糖甙状态存在,具有防治害虫作用的主要有鱼藤酮、毛鱼藤酮等[5]。

2.4. 精油类(volatile oils)

植物精油对昆虫不仅具有毒杀、忌避、拒食、抑制生长发育的作用,而且还具有昆虫性外激素和引诱作用(82-88)。能防治害虫的精油种类很多,主要有桉树油、薄荷油、百里香油、松节油、石竹油、黑胡椒子油、芫荽油、菊蒿油、香矛油、菖蒲油、茼蒿精油、檀香醇、大茴香脑、菊蒿油、芸香精油、肉桂精油、八角茴香精油等[6]。

2.5. 光活化毒素类(phototoxicity) 这类物质在光照下对害虫杀伤力成几倍甚至上千倍地提高,它们在植物中广泛存在。主要有噻酚类,如α-三噻酚等;聚乙炔类如茵陈二炔等;醌类如金丝桃素等;香豆素类如花椒毒素等 [6]。

2.6. 其它

羧酸酯类如除虫菊酯,木脂素类如乙醚酰透骨草素,甾体类如牛膝甾酮,糖苷类如番茄苷等。[6]

3. 植物源农药的开发途径[7]

植物源农药的研究与开发途径很多,主要有以下几种途径。

3.1. 直接提取

对于生物收获量大、有效成分含量高的植物,其有效成分活性强且难以人工合成的,则可直接将植物本身或其提取物加工成农药商品。

3.2. 全人工仿生合成法

对于在植物体内含量甚微但生物活性较高且结构相对较为简单能够人工合成的化合物,则采用全人工仿生合成的方式进行开发。

3.3. 修饰合成法

对于在植物中含量高活性低或毒性高的活性成分,在经简单修饰后可大幅提高活性或降低毒性的,且人工难以合成或合成成本太高的化合物,则采用修饰合成的方法进行产品开发。

3.4. 定向合成法

对于含有高活性物质但化合物又难以人工合成,且植物体本身不易获得或难以栽植或生物收获量很少的植物种类,可利用生物技术(细胞培养技术、器官培养技术等)进行生物合成定向生产活性物质经提取后加工成制剂使用[7]

3.5. 模板合成法

分离鉴定活性成分后研究其构效关系,得到理想结构以此为模板合成活性更高的化合物,开出新型农药。

3.6.

复配

3. 植物源农药的作用机理

3.1. 植物源杀虫剂的作用机理 中药复方是中医治病的主要临床形势,中药配伍后可使药剂产生明显的增效作用或产生新的有效成分。同样,对植物源农药进行复配也可以提高其对有害物的防治效果。

3.1.1. 触杀作用

触杀作用的机理在于植物的活性物质能作用于昆虫的神经中枢或呼吸系统,从而导致害虫的生理性死亡。研究表明,鱼藤根粉的丙酮、苯、乙醇提取物对菜青虫、萝卜蚜、桃蚜及柑桔红蜘蛛等害虫表现有很好的触杀作用;从狼毒中提取的瑞香素对菜蚜的毒力24小时内比氧化乐果高2.41倍;以苦参碱为主要组分的复合植物杀虫剂苦参碱内酯在24小时内对菜蚜的毒力比氧化乐果高55.26倍 [8]。

3.1.2. 胃毒作用

胃毒毒杀往往是害虫取食一定量杀虫剂后,影响消化系统而表现出中毒症状,如菜青虫幼虫在取食一定量川楝素后,虫体昏迷、僵直,中肠食物残渣滞留、结块,并伴有拉稀,体表大量脱水,最后因中肠穿孔破裂,食物漏出,腐烂而死。具有胃毒的杀虫物质较多,如苦皮藤根粉对粘虫、菜青虫等幼虫具有胃毒作用;苦楝、川楝中含有川楝素,对菜青虫等具有很强的胃毒作用。但这些植物源农药的作用机理却不完全相同。如苦参碱V主要是破坏中肠肠壁细胞膜及细胞器,对主要的消化酶系的活性无影响;而川楝素则是破坏中肠组织、阻断神经传导而导致害虫麻痹、昏迷、死亡[9]生理研究证明其主要原因是阻遏突触前传导。

3.1.3. 拒食作用

引起害虫拒食作用的机理是通过对害虫的化学感觉器和对中枢神经系统双重作用结果。研究表明,凡含有糖苷类,醌类、萜烯类、香豆素类、糖类,生物碱类、乙烯类和甾族类化合物的植物具有拒食作用,如川楝素为一呋喃三萜类化合物,对菜青虫(Pieris rapae)具有拒食、胃毒、抑制生长发育作用[9]。用电生理学方法对粘虫下鄂瘤状体上的栓锥感觉器的传人冲动定性观察,表明取食川楝素后,可以抑制感觉细胞对诱食剂的反应。川楝素可以抑制侧栓感觉器对蔗糖的反应,停止用川楝处理,则发现反应慢慢恢复,表明这种抑制作用是可以恢复的[10]

3.1.4. 抑制生长生育作用

许多植物活性物质能抑制昆虫表皮的形成或昆虫的生长。昆虫取食后,表现出生长发育延缓、卵不能正常孵化,幼虫不能正常化蛹羽化,或化为畸形蛹,有的幼虫虽可化蛹,但不能正常脱壳、羽化而成为畸形虫[9],从而可降低昆虫群体数量。研究表明,卵楝素、川楝素、雷公滕的根皮提取物对一些昆虫的表皮具有破坏作用;闹羊花对马铃薯叶甲,菜地夜蛾的幼虫表现生长抑制;卵楝、马樱丹等植物叶的萃取物对一种潜蝇的生长有抑制

作用;另外,川楝、苦楝种核抽提物对稻瘿蚊具有显著忌避产卵作用。从喜树提取的喜树碱是目前发现最有效的一种植物性昆虫不育剂,能引起昆虫不育。许多植物中含脱皮激素,或保幼激素,能引起昆虫的不育[5]。

3.1.5. 麻醉作用

很多植物源杀虫剂可作用于害虫的神经系统,使昆虫全身麻醉,导致其中毒。如苦皮藤(Celastrus angulatus Max-im)根皮粉对粘虫(Mythimna separatea Walker)等多种害虫具有麻醉活性。苦皮藤根皮中分泌出的苦皮藤素Ⅳ,是典型的昆虫麻醉剂,昆虫中毒后,虫体极度酥软,对外界刺激反应消失。苦皮藤素Ⅳ的麻醉作用机理有2种可能:一是作用于中枢神经系统,包括轴突和突触;二是作用于神经—肌肉接点,导致神经-肌肉传递阻断[11]

3.1.6. 光合化毒杀作用

许多植物中含有光合化毒素,对害虫具有光合化毒杀作用。研究发现万寿菊提取物对白蚊和致倦库蚊4龄幼虫具有非常明显的光合化毒杀作用,猪毛蒿精油中的活性成分茵陈二炔则对斜纹夜蛾具有明显的光合化性。现已发现的植物源光合化毒素主有:呋喃香豆素、2一噻吩和聚乙炔类、醌类以及由色氨酸和酪氨酸衍生物出来的生物碱(呋喃喹啉碱)如异喹啉碱等[12]。

3.2. 植物源杀菌剂的作用机理

植物源杀菌剂主要通过从植物中提取活性物质和营养成分,它既可刺激植物自身产生抗病菌活性物质和机能,又可以提高和改进植物营养生长条件而提高抗病能力。有些植物提取物诱导作物产生抗病性,大多数抑制病原菌孢子萌发和菌丝生长[13]。萜类抑制菌类初生能量代谢,NADH及丁二酸脱氢酶活性和呼吸过程中电子传递,抑制呼吸及细胞膜功能[14]。

3.2.1. 杀菌和抑菌作用

研究发现,烟草、茶饼、鱼藤、雷公藤等植物的提取物能抑制某些病菌孢子的萌发和生长或阻止病菌侵入植株。厚朴落叶粗提液对多种病原菌均具有较强的抑制活性[15]。喻大昭等用17个科32种植物粗提物在PSA培养基中使用1∶20浓度,对病毒真菌进行抑菌试验,发现有27种植物粗提液具有较明显的抑菌活性[16]。喷洒天然抑制剂,能使病毒的RNA失去mRNA功能,不能合成病毒复制所需要的早期蛋白,从而使病毒不能复制

[15]。

3.2.2. 钝化作用

刘学端用自制的植物源农药MH11-4处理心叶烟草植株,发现对蕃茄花叶病毒(TOMV)有较强的钝化作用[17];郭兴启发现用大黄提取物对TOMV粒体具有钝化作用,并影响TOMV病状的表现[18]。说明大黄提取物可抑制TOMV质粒的复制,对番茄花叶病具治愈作用。

3.2.3. 提高植物的抗性 刘学端用商陆、甘草、连翘等几种中草药复配处理烟草能显著提高烟草植株体内过氧化物酶的活性,对烟草具有诱导抗病作用,蕃茄在接种TOMV前喷施大黄提取物植株过氧化物酶活性比对照高,且新增POD同工酶酶带[19。说明商陆、甘草、连翘等可提高烟草植株的抗病能力。

4. 植物源农药的特点

与传统农药相比,植物源农药具有无残留;害虫不易产生抗药性;对自然环境比较安全,对人畜安全性也高;易与其它农药混配等优点;同时,也具有一些不可避免的缺点。纵观各类植物源农药的特点,可以总结为以下几个方面。

4.1. 植物源农药的优点

4.1.1. 低残留或无残留,对环境影响小

植物源农药的主要成分是天然存在的化合物,这些活性物质主要由C、H、O等元素组成,来源于自然,在长期的进化过程中已形成了其固定的能量和物质循环代谢途径。因为它们可以自动的参与物质和能量代谢,所以在施用后较易分解,不会过多的残留在作物或人体内,不会引起生物富集现象,不会给人们的身体健康带来隐患,也不会造成环境的污染[20]

4.1.2. 不容易诱发害虫抗药性

对有害物的抗药性突变频率和抗药水平起决定作用的是药剂的作用机制,作用靶点单一的农药极易因有害物单基因或寡基因突变而降低与受药位点(靶点)的亲和性,从而表现出抗药性。而植物源农药多是从植物中提取的多种物质的混合物,其作用位点(靶点)多,因此有害物不易产生抗药性[21

4.1.3. 对非靶标生物相对安全

从作用方式来看,植物源农药一般是通过胃毒作用或特异性作用来驱杀害虫的,触杀作用较少,因此对天敌等非靶标生物应是相对安全的[22],印楝素对蜜蜂(Apiscerana)、蚯蚓(Lumbricus Terrestris)等有益生物安全无害;而在小麦吸浆虫(Sitodiplosis mosellana(Gehin))的防治试验中发现,川楝素、烟碱对小麦吸浆虫寄生蜂的保护效果较好

[23];0.5%楝素杀虫乳油对蚜茧蜂、瓢虫及食蚜蝇等昆虫天敌无显著影响[24];0.2%苦皮藤素乳油对鹌鹑、鱼类、蝌蚪、家蚕、蜜蜂、瓢虫、蚯蚓、麦田和稻田土壤微生物等非靶标生物均表现低毒[20]。然而,许多植物源次生物质也是高毒物质,如鱼藤酮为中等毒性,烟碱对人畜高毒,苦参碱也为高毒[25]。由此可见,植物源农药对非靶标生物的安全性是相对的。因此,在植物源农药开发中应具有一定的选择性,应尽量选择低毒种类,而且在应用中也应注意以科学的用量施用。

4.1.4. 易与其他农药混配

大多植物源农药具有有效成分多、作用位点多和加工剂型多等特点;且因为有效成分大多是天然化合物,因此较为温和,不易与其它物质产生化学反应,因此易与其他农药进行混配。

4.2. 植物源农药的缺点

4.2.1. 抗药性的产生

虽然植物源农药是多种化合物的混合物,但有害物对其产生抗药性也是不可避免的,这是自然选择的结果。而且一旦有害物对植物源农药产生抗药性,即预示着有害物多位点抗药优势种群的出现,会为防治带来更大的困难[26]。

4.2.2. 广谱的毒性和作用模式

天然产物并不意味着安全,必须留神其广谱毒性。因其很可能在杀死有害物的同时对作物或人畜造成危害,所以必须在使用前测试天然化合物的毒性。个别植物农药毒性较高,如鱼藤和烟碱[27]。

4.2.3. 有效成分含量不稳定

植物的抗病虫的活性物质对植物本身来说是一种天然保护机制,随着植物的进化,这些抗病虫物质就越来越局限在植物的个别器官或个别部位,而且同一植物品种由于产区、采集季节、植物年龄、使用部位不同均会影响其有效成分含量,从而影响药效[28]。

4.2.4. 易降解,稳定性差

植物源农药一般是天然化合物,在自然界中可自行的参与物质和能量代谢循环,易于降解,因此在施用之后停留在作物上的时间较短,相对需用量较大,间接的提高了成本[29]。

5. 展望与小结

在人类越来越关注环境质量和健康的今天,使用环境友好和环境和谐类农药的愿望越来越迫切,发展和应用植物源杀虫剂已成为一种趋势。尽管目前大力开发和应用植物源杀虫剂还存在一定困难,但相关学科如药用植物以及生物技术、生物信息技术、机器人技术、高通量筛选系统、基因组学及组合化学的相继出现和飞速发展,必将大大推动植物杀虫剂的开发和商品化。这不仅有利于抢占农药市场的制高点,也符合人类与环境和谐可持续发展的要求。

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