植物源农药研究进展文献综述

植物源农药研究进展文献综述

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邯郸学院2009级生物科学系生物科学专业

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]

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]。

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:

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]。

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]。

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]。

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]。

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]。

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] 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。

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。

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。

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。

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]

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