植物源農(nóng)藥及其開發(fā)利用研究進展

楊欣蕊，廖艷鳳，趙鵬飛，覃勇梅，歐陽霞輝

（西北民族大學生命科學與工程學院，甘肅蘭州 730030）

在早期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，人們往往采取化學農(nóng)藥來防治病蟲害，其優(yōu)點是效率高、成本低，缺點是化學農(nóng)藥的大量使用給生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的危害。20世紀80年代之后，人們對自身健康安全和環(huán)境保護的意識逐步提升，對于農(nóng)藥的選擇也有了改變，即更傾向于選擇殘留少、對人畜安全、對環(huán)境污染小的植物源農(nóng)藥。本文在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上，闡述植物源農(nóng)藥的特點、研究現(xiàn)狀、作用機制等，以期為今后植物源農(nóng)藥的研發(fā)方面奠定一定的基礎(chǔ)，造福農(nóng)業(yè)，使植物源農(nóng)藥發(fā)揮其良好的社會效益和生態(tài)效益。

1 概述

植物源農(nóng)藥是指從植物中提取具有殺蟲或抗菌作用的活性物質(zhì)，直接或間接加工合成的新型農(nóng)藥[1]。涵蓋了從植物中提純的活性成分、植物本身和對活性結(jié)構(gòu)修飾后合成的化合物。有植物毒素、植物內(nèi)源激素、植物源昆蟲激素、拒食劑、引誘劑、驅(qū)避劑、絕育劑、增效劑、植物防衛(wèi)素、異株克生物質(zhì)等多種類型[2]。2002年歐盟委員會頒布了相關(guān)禁令，嚴禁了320種含有毒害性化學物質(zhì)的農(nóng)藥銷售。其中也牽涉到了我國正在生產(chǎn)、銷售、使用到的60余種農(nóng)藥。從2007年1 月起，甲胺磷、甲基對硫磷、對硫磷、久效磷、磷胺等5 種高毒害農(nóng)藥在我國境內(nèi)開始全面禁銷禁用[3]。因此，用植物源農(nóng)藥來替代化學農(nóng)藥就形成了一個自然的趨勢。和化學農(nóng)藥一樣，植物源農(nóng)藥也可加工成粉劑、乳劑和水劑等幾種劑型。

地球上植物資源極其豐富，因此植物源農(nóng)藥也多種多樣?！吨袊卸局参铩芬粫惺珍浟? 300 多種有毒植物，其中具有殺蟲或抗菌作用的植物類型眾多。1958 年經(jīng)過我國南方各省的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)被用來研發(fā)農(nóng)藥的植物達411種?！吨袊赁r(nóng)藥志》一書記錄了具有農(nóng)藥作用的86 科植物，共計220 多種。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國可用來研發(fā)農(nóng)藥的植物遍布于楝科、菊科、豆科、衛(wèi)矛科和大戟科等三十多科，其中以楝科、豆科和衛(wèi)矛科三科植物被認為是最具有開發(fā)價值的植物[4]。可以將植物比喻為生物活性化合物的天然寶庫，其產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物超過40 萬種[5]，其中大多數(shù)活性物質(zhì)如菇烯類、生物堿、類黃酮、酚類、獨特的氨基酸和多糖均具有殺蟲或抗菌的作用。

2 特點

與普通的化學農(nóng)藥相比，植物源農(nóng)藥具有如下優(yōu)點：1）環(huán)保。植物源農(nóng)藥活性物質(zhì)主要由C、H、O等元素組成，來源于自然，農(nóng)藥在施用后較易分解，對環(huán)境無污染或污染程度低。2）生物活性多樣。植物源農(nóng)藥不僅具有殺蟲或殺菌的活性，還具有調(diào)節(jié)植物生長、誘導免疫、肥效、保鮮等方面的作用，且作用方式是多種多樣的。3）害蟲不易產(chǎn)生抗藥性。植物源農(nóng)藥往往是多種成分共同發(fā)揮作用，且一般作用機制與化學農(nóng)藥不同，不易使害蟲產(chǎn)生抗藥性。4）對非靶標的生物而言相對安全。

植物源農(nóng)藥的缺點：1）生產(chǎn)成本較高。2）生產(chǎn)工藝較復雜。3）在原料來源、制備工藝等方面有一定特殊要求，故存在生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低等不足[6-7]。

3 種類及開發(fā)利用現(xiàn)狀

植物源農(nóng)藥開發(fā)形式分為直接開發(fā)利用、仿生合成兩種。1）直接開發(fā)利用。是指從天然植物中遴選出具有殺蟲作用的活性物質(zhì)備用，該活性物質(zhì)本身就可以直接進行開發(fā)，但是要得到穩(wěn)定高效的天然植物農(nóng)藥并不容易做到。因此，可以選擇多種具有殺蟲作用的活性物質(zhì)，采用正交試驗等方法，檢測不同因素下對害蟲的毒殺效果，來確定具有最佳殺蟲效果的農(nóng)藥配比，制備出高效、易降解、低殘留的植物源農(nóng)藥。但是，要真正制備成功目前還需要持續(xù)努力，因為植物中的這些天然活性化合物結(jié)構(gòu)十分復雜，或因存在缺陷或因在植物中含量較少，要做到成功分離提取和合成相當困難。2）仿生合成。是指以植物中殺蟲或抗菌化合物的化學構(gòu)型作為基礎(chǔ)，進行仿生合成實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。確定了活性物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)后，選取恰當?shù)墓羌芙Y(jié)構(gòu)物質(zhì)，對其進行一定的化學修飾，提高其選擇性、生物活性[2]。

植物源農(nóng)藥的種類主要包括植物源殺蟲劑、植物源殺菌劑、植物源除草劑。

3.1 植物源殺蟲劑

植物源殺蟲劑又名植物源害蟲控制劑，近年來越來越多的可作為農(nóng)藥來源的植物被發(fā)現(xiàn)，其生物活性也由單純的毒殺作用逐步擴展到產(chǎn)卵忌避、拒食、引誘及生長發(fā)育抑制等多方面作用。至2002年底，我國已有15種植物源殺蟲劑獲正式登記注冊[8]。

植物源殺蟲劑的開發(fā)利用分為兩個方面：直接開發(fā)利用和間接開發(fā)利用。1）國外直接開發(fā)利用。最為常見的例子就是印楝。國內(nèi)有煙堿制劑、茴蒿制劑、川楝素制劑、百部堿制劑等，但生產(chǎn)規(guī)模小、技術(shù)經(jīng)濟效益不理想。2）間接開發(fā)利用。即分離提純植物中的殺蟲活性成分，鑒定其分子結(jié)構(gòu)，探究其作用機理，發(fā)現(xiàn)新的活性先導物，進行結(jié)構(gòu)修飾，從而選定結(jié)構(gòu)比天然化合物更為簡單、殺蟲效果較好的化合物進行農(nóng)藥開發(fā)。在研發(fā)過程中，如果發(fā)現(xiàn)害蟲具有人或某些非靶標生物不具有的特殊代謝過程，則針對該代謝過程中相關(guān)酶類使用抑制劑，從而使開發(fā)出的殺蟲劑對害蟲殺滅作用高效且對人類安全無害[9]。

3.2 植物源殺菌劑

目前，植物源殺菌劑的相關(guān)報道較殺蟲劑來說相對較少，但近年來也在逐步發(fā)展。據(jù)有關(guān)報道，已發(fā)現(xiàn)具有殺菌活性的植物約1 400 種。綜合國內(nèi)外研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)具有抑菌、殺菌活性的植物主要囊括菊科、豆科、傘形科、姜科、松科、樟科、禾本科、百合科、桃金娘科、唇形科等科[10]。

Wlkins 等曾報道有1 389 種植物的有效成分可用于作為制備植物源殺菌劑，植物中的許多化合物如抗毒素、類黃酮等是抑菌或殺菌的活性物質(zhì)[11]。諶馥佳制備了菊芋葉片乙醇粗提物，發(fā)現(xiàn)其可抑制小麥紋枯菌、油菜菌核菌、小麥全燭病菌、番琉灰霉病菌、辣椒疫霉病菌和蘋果炭疽病菌等植物病原真菌[12]。高以宸等的研究表明，紅蓼揮發(fā)油乳油對馬鈴薯環(huán)腐病菌、番茄潰瘍病菌、白菜軟腐病菌這3 種細菌性植物病原菌具有良好的殺菌效果和活體防治效果[13]。曹鵬飛等從樟樹、水杉、銀杏、馬尾松、八角金盤、冬青衛(wèi)矛、龍葵、野艾蒿8種植物中篩選出銀杏、馬尾松、野艾蒿、水杉4 種較農(nóng)用鏈霉素具有明顯抑菌效果的植物，其中馬尾松的抑菌效果最強[14]。整體而言，我國在植物源殺菌劑研發(fā)上雖實現(xiàn)了初步的進步，但相對于殺蟲劑來說殺菌劑的類型還是很單一，需要繼續(xù)努力研發(fā)。

3.3 植物源除草劑

目前在世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了30多個科目中的近百種天然化合物，它們均具除草活性。有些已被研發(fā)為植物源除草劑，申請了專利并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到大力推廣[15]。

Molisch 于1937 年提出：有一些植物在生長過程中會向環(huán)境中釋放某種化學物質(zhì)，這類化學物質(zhì)對同種或異種植物會產(chǎn)生直接或間接的不良影響，該作用叫做異株克生作用（也可稱為他感作用、化感作用）。研究植物之間相克作用，在研發(fā)植物源除草劑方面具有重要意義。經(jīng)過鑒定，這種化學物質(zhì)大多是莽草酸途徑和乙酸途徑的產(chǎn)物，包括下述幾種物質(zhì)：酚、肉桂酸、苯甲酸、單寧、類黃酮、類萜、生物堿、類固醇、甾類化合物和醌[16]。張飲江等通過觀察浮萍生長狀態(tài)及對相關(guān)成分含量的測定，研究了甘草、地棉草、金錢草、澤漆、澤瀉、黃連、魚腥草這7 種植物的提取液對紫背浮萍生長的影響，結(jié)果表明黃連提取液對浮萍葉狀體生長抑制效果最佳，而地棉草提取液對浮萍生物量增長抑制最強，此研究對從植物寶庫中尋找抑制浮萍危機的植物源除草劑具有重要意義[17]。余俐佳制備出長蓮金耳環(huán)、地楓皮、山風、硫磺菊4種植物提取物，測定了其對狼尾草、甜心菜、蘿卜這3種植物的苗高抑制率，結(jié)果表明硫磺菊提取物對3 種植物材料均具有較高的苗高抑制率，硫磺菊的除草活性表現(xiàn)優(yōu)異[18]。付磊磊的研究表明，在10 mg·mL-1的劑量下，外種皮、葉、種子、莖皮四種組織部位對小麥、蘿卜幼苗均有不同程度的抑制作用，對幼根生長的抑制效果高于幼芽，抑制效果最佳的是葉片部位[19]。

4 作用機制

本文以楝科、豆科、衛(wèi)矛科植物為例介紹其所制成的農(nóng)藥的作用機制。

4.1 楝科植物源農(nóng)藥

楝科植物源農(nóng)藥主要來自于楝屬的楝(Melia azedarach)、川楝(Melia toosendan)及印楝屬的印楝(Azadirachta indica)。楝科植物中富含多種多樣的殺蟲活性物質(zhì)，這些活性物質(zhì)與自然環(huán)境具有良好的相容性，因而使得楝科植物源農(nóng)藥具有對靶標生物（如害蟲）高效、對非靶標生物安全，易分解，對環(huán)境污染小和不破壞生態(tài)平衡等許多優(yōu)點，有著很好的發(fā)展前景[20]。印楝是世界上頗負盛名的殺蟲植物。Butterworth（1968）最先從印楝中分離得到其中最主要的活性成分-印楝素，Broughton 等采用X 衍射法確定了印楝素的立體分子結(jié)構(gòu)，認為它是四環(huán)三萜類化合物。印楝素對害蟲具有胃毒、觸殺、拒食等作用。其殺蟲機理是破壞昆蟲的內(nèi)分泌系統(tǒng)，影響促前胸腺激素（PTTH）的合成與釋放，減低前胸腺對促前胸腺激素的感應而造成20-羥基蛻皮激素酮合成、分泌不足，致使昆蟲變態(tài)，發(fā)育受阻甚至死亡[21]。此外，印楝素的化學結(jié)構(gòu)與昆蟲體內(nèi)的類固醇和甾類化合物等激素類物質(zhì)非常相似，因而害蟲難以區(qū)分它們是體內(nèi)固有的還是外界附加的，因此印楝素能夠進入害蟲體內(nèi)干擾害蟲的生命活動，且不易引起抗藥性。另外，這類化合物與脊椎動物激素類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)差異很大，所以對人畜是安全的[22]。綜上所述，印楝素被認為是最適合于商品化開發(fā)的植物源殺蟲劑之一。

4.2 豆科植物源農(nóng)藥

豆科植物作農(nóng)藥的主要活性成分為黃酮類、萜烯類、甾體、酚類、獨特的氨基酸和多糖等，其中研究得較多為黃酮類和生物堿類化合物。此外，植物凝集素作為植物的儲存蛋白，也表現(xiàn)出一些防治植物疾病或害蟲的活性，而豆科植物凝集素的抗蟲抗菌活性是近年來的一個研究熱點。

在殺蟲活性成分黃酮類化合物中，對魚藤酮類化合物的研究較多。魚藤酮存在于亞洲熱帶及亞熱帶區(qū)所產(chǎn)豆科魚藤屬植物根部，在一些中草藥（如地瓜子、苦檀子、昆明雞血藤）根中也含有。魚藤酮對菜粉蝶幼蟲、蚜蟲、小菜蛾具有強烈的觸殺和胃毒作用，其殺蟲機理主要是影響昆蟲的呼吸功能，具體表現(xiàn)為抑制電子呼吸鏈中從NADH 到輔酶Q 的電子傳遞，從而降低昆蟲體內(nèi)ATP 水平，使昆蟲能量供應不足，然后行動緩慢、停滯、麻痹甚至死亡[23]。除此之外，豆科類植物中的某些活性成分也具有抑菌作用，如從苦參、冰川棘豆等植物中提取出的生物堿類即是比較常見的抑菌成分。

4.3 衛(wèi)矛科植物源農(nóng)藥

衛(wèi)矛科植物多為灌木或喬木，少為蔓生。該科全世界約有60 屬850 種，分布于熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)，我國產(chǎn)13 屬201 種，其中引進栽培的有1 屬1 種。該科植物全國各地皆有分布，多分布于長江流域和臺灣地區(qū)。衛(wèi)矛科藥用的有多屬，如美登木屬、衛(wèi)矛屬、Plenkia、南蛇藤屬、雷公藤屬等[24]。

目前，已知衛(wèi)矛科11 種植物具有殺蟲或抗菌作用，主要集中在雷公藤屬、衛(wèi)矛屬、南蛇藤屬。這些植物中起殺蟲或抗菌作用的活性成分主要是生物堿、倍半萜、二萜、三萜、強心苷及黃酮類化合物[25]。從雷公藤屬植物中分離提取出的雷公藤生物堿是一種具有殺蟲作用的化合物，包括雷公藤定堿、雷公藤次堿、雷公藤精堿、雷公藤春堿、雷公藤嗪堿，其中雷公藤定堿和雷公藤次堿屬于倍半萜類結(jié)構(gòu)的化合物，具有衛(wèi)矛甙骨架[26]。這些生物堿的殺蟲作用機理是影響昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)，使昆蟲麻醉，或破壞昆蟲的中腸腸壁細胞，影響昆蟲的取食和代謝等生理活動[27]。

從南蛇藤屬植物苦皮藤中提取出的苦皮藤素有殺蟲活性，具有商品化開發(fā)潛力?？嗥ぬ偎丌魧ハx具有麻醉作用。有研究表明，苦皮藤素Ⅳ對果蠅幼蟲神經(jīng)-肌肉興奮接點電位（EJPs）的影響表現(xiàn)為逐步抑制，終至阻斷；阻斷時間為19.5 min，這表明麻醉的產(chǎn)生不是由于在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的突觸傳導中占領(lǐng)了乙酰膽堿受體，而是直接作用于神經(jīng)-肌肉接頭的突觸[28]?？嗥ぬ偎丌跄軌蚱茐闹心c細胞質(zhì)膜及內(nèi)膜系統(tǒng)，從而對昆蟲產(chǎn)生胃毒作用；其殺蟲機理是和昆蟲中腸細胞膜上相關(guān)受體蛋白結(jié)合，導致其膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，腸壁細胞遭到破壞，血淋巴進入消化道后排出體外，由于血淋巴喪失過多致昆蟲死亡[29]。

5 結(jié)語與展望

植物源農(nóng)藥的興起源于人們對“寂靜的春天”的深刻反思，承載著人們對綠色農(nóng)業(yè)的美好期望。由于植物源農(nóng)藥較之于化學農(nóng)藥有著易降解、低殘留等諸多的優(yōu)點，我們不難預見以后植物源農(nóng)藥蓬勃發(fā)展的局面。在今后的研發(fā)中，當從以下方面進行改善：開展對植物源農(nóng)藥與施用農(nóng)藥的機械設(shè)備配套的研究，提高農(nóng)藥的利用效率；對植物源農(nóng)藥施用的方式進行改變，如航空作業(yè)等，提高噴灑效率；對植物源農(nóng)藥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的殘渣廢料進行二次利用，達到循環(huán)農(nóng)業(yè)的目的[25]?？傊?，在以后的社會發(fā)展中，植物源農(nóng)藥的研發(fā)將成為一項關(guān)于科技進步、食品安全、環(huán)境安全等多方面的系統(tǒng)工程。