植物源農藥研究（jiū）進展

    在中（zhōng）國，由於（yú）化學農藥的濫用導致40種以上的（de）主要農作物的病原微生物和害蟲產生抗藥性、生態環境惡化、生物多樣性水平降低等一係列（liè）問題，而且傳統化（huà）學農藥往往含有對人畜有害的（de）成分，以植物體內對病原菌具有拮抗性的化學物質為主要成（chéng）分的植物源農藥，因其具有低毒、低殘留、對非靶標生物（wù）及環境安全的特點而越來（lái）越受到重視。據研究（jiū），常用（yòng）植物源農藥有生物堿類化合物、黃酮類化合物、萜類化合物、揮發油等，不同類型的化合物具有不同的骨架結構（gòu），根據化合物特性的（de）的不同，選擇不同方式（shì）進行提取，不同的（de）化合物也具有不同的抑菌及提高植物抗氧化力（lì）等生理特性（xìng）。本文綜述（shù）了植（zhí）物源（yuán）農藥中常見（jiàn）活（huó）性成分的結構（gòu）表征、提（tí）取方式及其抑菌研究進展，旨為植物源（yuán）農藥的開發提供技術支撐。
一、植物源農藥常用的活性提取（qǔ）物（wù）

1.生物堿類化合物
 
    目前（qián）已發現的21,000多種（zhǒng）生物堿類化合物，多（duō）分布在茄科植物的種（zhǒng）、果、花、莖等植物部位。生物堿類化合（hé）物大多為（wéi）環（huán）狀結（jié）構，氮素被包含在碳環內。在抑菌時C1、C2、C9和C10中的羥基作為取代基會出（chū）現結構取代的情況。生物堿常見類型有異喹啉類生物堿（jiǎn）、喹啉類生物堿、吲（yǐn）哚（duǒ）類生物堿、呱啶類生物堿等（děng），其中N-甲基四（sì）氫原小（xiǎo）檗堿、原小檗堿和苯胺類生物堿的C2和C3的4階碳和亞甲二氧基（jī）在提高N-甲基四氫原小檗堿的抗病（bìng）毒、抗菌和抗真菌活性方麵起著重要作用。當進行生物堿類化合物的結構優化時，可重點優化生物堿的C2和C3的4階碳和亞甲（jiǎ）二氧基，從而提高該類型化合物的（de）抑菌效果（guǒ）。
 
2.黃酮類（lèi）化合物
 
    黃（huáng）酮類化合物目前已發現800餘種（zhǒng），屬於植物的次生代謝（xiè）物質。黃酮類的化學結構類型較多，一般以C6-C3-C6的形式為基礎。黃酮類化合物是苯並-γ-pyrone衍生物，當病菌對其進行侵染時，它會根據其側（cè）組（zǔ）位置和換位進行分類；其藥理作（zuò）用主（zhǔ）要是根（gēn）據它（tā）的（de）結構類別、羥基化（huà）程度、其他取代和（hé）共軛以及聚合程度相互協同合作，其中類黃酮在生物係統中保護作用歸因（yīn）於它們傳遞氫或電（diàn）子自由基的能（néng）力；而芳香（xiāng）環上特殊位置（zhì）的羥基能夠（gòu）提（tí）高抑菌作（zuò）用。在進行黃酮類化合物的結構優化時，可先尋找到（dào）該物質芳香環（huán）的羥（qiǎng）基，調整其位置，再查看該羥基在新位置上與它的結構類別、其他取代和（hé）共軛以及聚（jù）合程度互相協作的效果，從而達到整體提（tí）高黃酮類化合物的抑菌效果。

3.萜類化合物（wù）
 
    在天然產物中，萜類（lèi）化合物（wù）是結構 多、結構 大的化合物之一，目前已發現50,000多種。萜類化合物可根據異戊二烯進行分類，即將不同碳數量及組成結構進行線性排列，形成多個（gè）異戊二烯單元組成的頭尾相連的異戊（wù）二烯聚合體，少部分萜類化合（hé）物（wù）也會以各種含氧衍生物的形式（shì）存在。萜類化合物主要（yào）由（yóu）甲羥戊酸途徑生成，但也可能來源於2-C-甲（jiǎ）基-D-赤蘚糖醇4-磷酸，而缺少吡喃環時，則一（yī）般被認為沒有（yǒu）活性，不具（jù）備抑菌（jun1）作（zuò）用。在進行萜類化合物的結構優化時，可以（yǐ）吡喃環為切入點進行研究，來提高萜類化合物的抑菌效果。

4.揮發油
   
    揮發（fā）油又稱植物精油，主要來自芳（fāng）香（xiāng）植物，是脂溶性的天然（rán）化合物。植物（wù）精油成分複雜，按化學結構分為（wéi）芳香族、脂肪族和（hé）萜類，其中以萜類成分為主，主要（yào）包括單帖、倍半萜（tiē）以及醇類、酚（fēn）類、醚類、醛、酮、羧酸和酯等含（hán）氧（yǎng）衍生物。揮（huī）發油的活性可能是由某些小化（huà）合物如香芹酮的存（cún）在所致。揮發油所含成分太多，可（kě）推測出抑菌作（zuò）用主要源（yuán）於它（tā）的組（zǔ）成成分的協（xié）同作用，並非（fēi）一種物質的作用。進行結構優化太（tài）過複（fù）雜。
 
二、活性物質提取方式
 
    植物會通過自身的代謝功能合成不同的（de）化學物質以及衍生物（wù），這些物質具有抑菌、抗病、抗氧化等作用。因此可以根據不同成分的特性選擇合適提取方式進行成分（fèn）提取。
 
1.生物堿類化（huà）合物
 
    在提取生物堿時，生物堿的溶解性能是提取方式選擇依據，因此根（gēn）據不同生物堿在不同溶劑中的溶解度進行溶劑選擇，在進（jìn）行（háng）親水性生物堿的提取時要注（zhù）意（yì）溶劑酸堿度的調節。Wei等將白屈（qū）菜粉碎後超聲波提取，固液比為1∶8，提取液為75%乙醇，85%超（chāo）聲頻率提取35 min得到白屈菜（cài）紅堿；白屈菜紅堿濃（nóng）度為1.7×10^-6mg/mL時，抑菌活性 高（gāo），對番茄枯萎病菌Z0413、黃瓜枯萎病菌Z0418等具有使用量少、抑菌性強的特點。Han等將延胡索粉碎後用正乙（yǐ）烷、乙酸乙酯、氯仿浸提分餾，純化後得到3種異喹啉生物堿脫氫木犀草堿、針刺堿和蟲草堿，3種堿對小麥葉鏽病菌（jun1）、花椒炭疽病菌均有一定的抑製作用，研究發現C-13和季銨鹽中甲基的缺失氮原子在（zài）抗真菌藥物中起著重要作用。陳偉等依次（cì）使用乙酸、氨水、正丁醇和甲（jiǎ）醇對馬鈴薯薯芽（yá）與薯皮進行粉碎萃取，不斷（duàn）調（diào）節溶劑酸堿度（dù）， 後得到馬（mǎ）鈴薯糖苷生物堿；隨著濃度增大，馬鈴薯糖苷生物堿對枸杞（qǐ）致腐病原菌鐮孢菌的抑製作用隨之增強，但濃（nóng）度不能（néng）高於（yú）0.15 g/mL。周兵等按照醇-酸（suān）水-有機溶劑提取（95%乙醇（chún）回流提取2 h後，依（yī）次（cì）用酸性水溶液（yè）和濃氨水進行酸堿處理， 後（hòu）用氯仿萃（cuì）取（qǔ））法對碎米莎草莖進行總生（shēng）物堿提取；隨著濃度的增加，總生物堿（jiǎn）對水稻稻瘟病菌、油菜菌核病菌、番茄早疫病菌和楊樹潰瘍病菌的抑製作用隨之增加，但對水稻苗高有（yǒu）嚴重（chóng）抑製作用。
因（yīn）此，在提取生物（wù）堿時，不光要（yào）根據溶劑極性來提取對應的生物堿類（lèi）化合物，還要（yào）在提取過程中不斷調（diào）節（jiē）溶劑的酸堿度。不同類型的生物堿對不同（tóng）的植物病害（hài）有一定的抑製作用，總生物堿類化合物（wù）不能用於水稻田，會影響水稻幼苗的生長。

2.黃酮類化合物
 
    黃酮（tóng）類化合物提取的關鍵在於所提取的黃酮類物質是遊離苷元（yuán）還是苷類化合物，不同的化合物使用極性不同的溶（róng）劑，極性越大的溶劑所提取的極性（xìng）化合（hé）物含量會（huì）越多，不同極性的溶劑混（hún）合提取會出（chū）現協同作用。Bartmańska等使用不同極性（xìng）的溶劑分別從（cóng）廢除的啤（pí）酒花殘渣（zhā）中浸提得到7種黃酮類化（huà）合（hé）物，其中2種為天然黃酮（α,β-二羥基（jī）胡蘿卜素和（hé）8-丙基柚皮素），提取黃腐醇含量 多的溶劑是甲醇＋二氯甲烷；丙酮、乙（yǐ）酸乙酯、甲醇的粗（cū）提物對鐮刀菌（jun1）的抑製所差（chà）無幾，而亞甲（jiǎ）基氯化物則對灰黴病菌（jun1）有較強的抑製作用。EL-Hefny等使用乙酸乙酯和（hé）甲醇分別對大黃的根部進行（háng）萃取，分餾分離後物質用蒸餾水配製成含有黃酮-3-醇和（hé）二苯乙烯的（de）藥液，並對田間感染稻瘟菌（jun1）的小麥進行抑菌試驗；結果顯示（shì），其能顯（xiǎn）著抑製（zhì）病菌孢子（zǐ）的萌發。

3.萜（tiē）類化合物
 
    萜類化合（hé）物常用的提取方式為壓榨法、水蒸氣蒸餾法、脂浸潤法、超靈界流體萃（cuì）取法（fǎ）和溶劑（jì）提取法。前4種方法可用於提取精（jīng）油，一（yī）般萜類提取都是根據提（tí）取物質的苷元形式（shì）選擇不同極性、不同沸（fèi）點的溶劑。Oludemi等將（jiāng）靈芝 行乙醇（chún）回流提取，幹燥後（hòu）按照提取時間78.9 min、提取溫度90℃、溶劑62.5%乙醇進行（háng）熱萃取，得到提取率為（wéi）（4.9±0.6）%，含量為（435.6±21.1）mg/g的三萜。Popov等研究發現，乙（yǐ）酸（suān）乙酯提取白樺醇的純度比95%乙醇提取的白樺（huà）醇純度高，並且可以在乙酸乙酯（zhǐ）提取完白樺醇之後，使（shǐ）用水蒸餾（liú）法將提取殘渣中的乙酸乙酯（zhǐ）回收（shōu），形成綠色萃取。Qun等通過使用蒸餾水，保證1∶55 （g/mL）的固液比，在超聲波-微波輻（fú）照功率90Ｗ，提取周期75 s的條（tiáo）件下對角（jiǎo）果進行三萜類化合物提取，得到16.789 mg/g，與預期相符。

4.揮發油
 
    揮發油 常見的成分就是單帖及倍（bèi）半萜，因此提取精油（yóu）時常（cháng）用水蒸氣（qì）法和超臨界流體萃取法。Bammou等通過水精蒸餾裝置對蚤草屬進行水蒸（zhēng）氣蒸餾，提取精油對尖孢鐮刀菌有一定（dìng）的抗性。Shukla等使用超臨（lín）界CO₂對幹薑進行多分離器在線分餾，CO₂回（huí）收率為96.15%。工業生產中的工藝優化（huà）及其驗證標度單位表明，超臨界CO₂萃取和同步萃取分餾可用於一係（xì）列天然生物（wù）活性化合物，如維生素、必需脂肪（fáng）酸。Agha等采用二維氣相色譜法（fǎ）和簡易（yì）氣（qì）相色譜法對天竺葵提取揮發油的化學成分進行檢測，揮發油的主要成分是香茅（máo）醇、香葉醇和（hé）芳樟醇。揮發油也多用於果蔬保鮮及美妝行業（yè）中，所以（yǐ）使用超臨（lín）界CO₂作為萃取劑，既價（jià）格低廉（lián），又無殘留，且不破壞化合物結構。在提取各類化合物時，除了根據不同提取物質選擇不同極性的溶劑外（wài），可以采用微波輔助提取或超聲波輔（fǔ）助提取方式。對比傳統的溶劑提（tí）取法，通過（guò）超聲或微波產生切向力，使溶（róng）劑滲入，加速有效成分進入提（tí）取溶劑中，從而提（tí）高提取率，且不降（jiàng）低提取物的活性。郭孝武分別使用超聲波輔助提取法、回流提取法、浸提法對益母草的總生物堿進行提取，發現超聲波輔（fǔ）助（zhù）提取法的提取率較其他2種方法（fǎ）要（yào）高，且未改變提取物的化學結構。
 
三、活性物質（zhì）抑（yì）菌機製

1.生（shēng）物堿類化合物
 
    生物堿類化合物可以在需要保護的細胞上形（xíng）成（chéng）一層保護膜（mó），從而減少其（qí）他病菌對（duì）細胞的破壞。Zhao等使用異喹啉生物（wù）堿對稻瘟病菌進行抑製試驗，結果表明，菌絲體彎曲、崩解，細胞膜完整性受損，同時還抑製菌絲的活性氧生成（chéng），破壞了（le）菌絲的膜功能和細胞增殖（zhí）。
對（duì）於病菌抑製，生物堿類化合物可（kě）對病菌細胞基因及（jí）酶類進行影響，或者對細胞膜、菌絲生（shēng）長形態造成影響，從（cóng）而達到抗病的（de）作（zuò）用（yòng）。

2.黃酮（tóng）類化（huà）合（hé）物
 
    黃酮類化合物的（de）抗病性可能是非特異性（xìng）的，通過黃（huáng）酮類（lèi）化合物的抗氧化性，使致病菌（jun1）因缺氧而失去活性，影響生物膜的形成、膜的通透性等生理特性，影（yǐng）響某些酶對細胞（bāo）質（zhì）的抑製。Rachmawaty等對幹燥的可可果進行粉碎後使用7∶3的丙酮水溶液浸提3次，得到黃酮類化合物，發現其對尖孢菌的孢子有強烈的（de）抑製作用。Chen等研究發現黃芩素在32和64μg/mL時對病菌具有下調群體感應係（xì）統調節因子及（jí）基因細胞間粘附素在生物膜中的表達生產細胞的能力。
 
3.萜類化合物
 
    萜類化合物（wù）對真菌（jun1）的抑製作用主要表現在對真菌菌絲的生長抑製，使其（qí）尖端膨脹（zhàng）、分支形成孢子梗或使菌（jun1）絲斷裂，對細胞（bāo）造成破壞以及對真菌細胞蛋白的下調。楊婷（tíng）等對13種萜類（lèi）化合物進行抑菌篩選，其中，香芹（qín）酚、丁香酚、異丁香酚、枯茗醛、百裏香酚對孢炭（tàn）疽（jū）菌的 佳抑製濃度為50μg/mL。Alexa等對丹（dān）參和百裏香分別進行萃取（qǔ），得到γ-鬆油烯和（hé）ｐ-百裏香（xiāng）酚，兩者（zhě）混合對禾穀鐮刀菌有一定的抑製協同作用。丁蘭等從香茶菜屬（shǔ）中分（fèn）離出4種萜類物質（leukamein E、weisiensin B、熊果酸和2-α-羥基熊果酸），並考察幾（jǐ）種物質對蝴蝶蘭莖腐（fǔ）病中分離出的鐮孢屬真（zhēn）菌的抑製活性；發現（xiàn）真菌的（de）菌絲簡短膨大成為囊泡，出現斷裂，逐漸變為空泡；菌絲體細胞膜結構被嚴重（chóng）破壞，且大大（dà）改變了其通透性。


4.揮發油
 
    揮發油是通過（guò）精油及其組分對細（xì）胞膜造成破壞，增大膜的通透（tòu）性，致使細胞內的（de）物質泄（xiè）漏，或直接破壞病菌（jun1）的酶係（xì）統，致其死（sǐ）亡。Moghaddam等發現（xiàn）從山羊草種子（zǐ）中提取的精（jīng）油對青枯病菌有（yǒu）較強的抑製活性，能夠顯著抑製菌絲的生長。Yu等考察從茶樹中提取的精油對灰黴（méi）病菌的抑製（zhì）活性，研究發現精油中的α-鬆油醇、1,8-桉葉素混合後（hòu）能穿透病菌細（xì）胞，破壞細胞器而不影響細胞（bāo）膜透性。相（xiàng）比之下，鬆油烯破壞了（le）膜的完整（zhěng）性，增加了膜的通（tōng）透性（xìng），導致離子滲漏和膜功能障礙。
 
四、展（zhǎn）望
 
    目前研究人員對各類植物源化合物已有一定的（de）研究，但不同類型化合物的生物功能和生態化學功能尚（shàng）未被充分研（yán）究（jiū），例如化合物在植物體內（nèi）代謝過程、所具有的功（gōng）能，以及在生態環（huán）境中的存在形式（shì）與歸（guī）宿途徑等。
 
    在提取工藝中，不僅要考慮優化工藝增加物質提（tí）取率或提取出其他物質類（lèi）型，還要考慮提取成本（běn），以及商業生產的經濟（jì）性，是否適用於工廠批量化生產。例如將許多高（gāo）質量的有價值的化合物被一個單一（yī）的步驟回收，從某種低廉的植物中得到大量高質量的化（huà）合物（wù）等。對於植物源農藥，所需化合物的活性篩選仍然是新農藥開發的關鍵（jiàn）步驟，具有較高活性的化合物可以直接開發為新藥。化合物的結構對於抑菌活性有著（zhe）重（chóng）要影響，因此（cǐ）可以將“組（zǔ）學”技術與分子網絡藥理學相結合，在原物質結構的基礎（chǔ）上進行結構修飾，合成具有高效（xiào）抑菌能力的新物（wù）質。
 
來源（yuán）：《黑龍江農業科學》2021年第7期
作者：淮陰工學院生命科學與（yǔ）食品工程學院  於忻瀅  張國良  範鬆  黃誌煒（wěi）  張葉