植物源農藥研究進展

    在中國，由於化（huà）學農藥的（de）濫用導致40種以上的主要農作物的病原微生物和害蟲產生（shēng）抗（kàng）藥性、生（shēng）態環境惡化、生物多樣性水平（píng）降低等一係列問題，而且傳統（tǒng）化（huà）學農藥往往含有對人（rén）畜有害的成（chéng）分，以植物體內對病原菌具有拮抗性的化學物質（zhì）為主（zhǔ）要成分（fèn）的植物源（yuán）農藥，因其具有低毒、低殘留、對非（fēi）靶標生物及環境安全的特點而越來（lái）越受（shòu）到重視。據研究，常用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（děng），不同類型的化合物具有不同的骨架結構（gòu），根據（jù）化合物特性的（de）的（de）不同，選擇不同方式進行提取，不同的化合物也具有不同的抑（yì）菌（jun1）及（jí）提（tí）高植物抗氧化力（lì）等生理特性。本（běn）文綜述了植物源農藥中常見活性成分的結構表征、提取方式及其抑菌（jun1）研究進（jìn）展，旨為植物源農藥（yào）的開發提供技術支撐。
一、植物源農藥常用的活性提（tí）取物

1.生物堿類化合物
 
    目前（qián）已發（fā）現的21,000多種生（shēng）物堿類化（huà）合物，多分布在（zài）茄科植物的（de）種、果、花（huā）、莖等（děng）植物部位。生物堿類化合物大多為環狀結構，氮素被包含在碳環（huán）內。在抑菌時C1、C2、C9和C10中的羥基作為（wéi）取代基會出現結構取代的情況。生物堿常見（jiàn）類型有異喹啉類生物堿、喹啉類生物堿、吲哚類（lèi）生物堿、呱啶類生物堿等，其（qí）中N-甲基（jī）四氫原小檗（bò）堿（jiǎn）、原小檗（bò）堿和苯胺（àn）類生物堿的C2和C3的4階碳和亞甲（jiǎ）二氧基在提高（gāo）N-甲基（jī）四氫原（yuán）小檗堿的（de）抗病毒、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（yōu）化生物堿的C2和C3的4階碳和亞（yà）甲二氧基，從而提高該類（lèi）型化合物的抑菌效果。
 
2.黃酮類化合物
 
    黃酮類（lèi）化合（hé）物目前已發現800餘（yú）種，屬（shǔ）於植物的次生代（dài）謝物質（zhì）。黃酮類的化學結構類型較多，一（yī）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（wù），當病菌對其進行（háng）侵染時，它會（huì）根據其側組（zǔ）位置和（hé）換（huàn）位進行分類；其藥（yào）理作用主要是根據它的結構類別、羥（qiǎng）基化程（chéng）度、其他取代和（hé）共軛以及聚合程度相互協同合（hé）作，其中類黃（huáng）酮在生物係統中保（bǎo）護作（zuò）用歸因於它們傳遞氫或（huò）電（diàn）子自（zì）由基的能力；而芳香環上特殊位置的羥基能夠提高抑菌（jun1）作（zuò）用。在進行黃酮類化合（hé）物的結構優化時（shí），可先尋找到該物質（zhì）芳香（xiāng）環的羥基，調整其位（wèi）置，再查看該羥基在（zài）新位置上與它的結構類別、其（qí）他取代和共軛以及聚合程度互相協作的效果，從而達到整體提高黃酮類化合物的抑菌效果。

3.萜類化合物
 
    在天然產物（wù）中，萜類化合物（wù）是結構 多、結（jié）構 大的化合物（wù）之一，目前已發現50,000多種（zhǒng）。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，形成多個異戊二烯單元組（zǔ）成的頭尾相連的異戊二烯聚合體，少部分萜類（lèi）化合物也（yě）會以各種含氧衍生物的形式存在（zài）。萜類化合（hé）物主要（yào）由甲羥戊酸途徑生成，但也可能來源於2-C-甲基-D-赤蘚糖（táng）醇4-磷酸，而缺少吡喃（nán）環時，則一般被（bèi）認為沒有活性，不具備抑菌作用。在進行萜類化合物的結構優化時，可（kě）以吡喃環為切入點進行研究，來提高萜類化合物的抑菌效（xiào）果。

4.揮發油
   
    揮發油（yóu）又（yòu）稱植物精油，主要來自芳香植物，是脂溶性的天然化合物（wù）。植物精油成分複（fù）雜，按化學結構分為芳香族、脂肪族和萜類，其中以萜類（lèi）成分為主，主要包括單帖、倍（bèi）半萜以及醇類、酚類（lèi）、醚類、醛、酮、羧（suō）酸（suān）和酯等含氧衍生物。揮發油的（de）活性可能是由某些小化合物如香芹酮的存在所（suǒ）致。揮發（fā）油所含成分太（tài）多，可推測出抑菌作（zuò）用主要源於（yú）它的組成（chéng）成分的協同作用（yòng），並非一（yī）種物質的作用。進行結構優化太過複雜。
 
二、活性物質提取方式
 
    植物會通過自身的代謝功（gōng）能合成不同的化學物質以及衍生物，這些物質具有抑菌、抗病、抗氧（yǎng）化等作用。因此可以根據不同成分的特性選（xuǎn）擇合適提取方式進行成分提取。
 
1.生物堿類化合物
 
    在提取生物堿時（shí），生物堿的（de）溶解性能（néng）是提取方式選擇依據，因此根據不同生物堿在不同溶劑中的溶解度進行（háng）溶劑選擇，在進行親水性生物堿的提取時要注意溶劑酸堿度的調節。Wei等將白屈菜粉碎後超聲（shēng）波（bō）提取，固液比為（wéi）1∶8，提取（qǔ）液為75%乙醇，85%超（chāo）聲頻率（lǜ）提取（qǔ）35 min得到白屈菜紅堿（jiǎn）；白屈菜紅堿（jiǎn）濃度（dù）為1.7×10^-6mg/mL時，抑菌活性 高，對番茄枯萎病菌Z0413、黃瓜枯萎病菌Z0418等具有使用量少、抑菌（jun1）性強的特點。Han等將延胡索粉碎後用正乙烷、乙酸乙酯、氯仿浸提分餾，純化後得到3種異喹（kuí）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、花椒炭疽病菌均有一定的抑製作用，研究發現C-13和（hé）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。陳偉等依次使用乙酸、氨水、正丁醇和甲醇對馬（mǎ）鈴薯薯芽與薯皮進行粉碎萃取，不斷調節溶劑（jì）酸堿度， 後（hòu）得到馬鈴薯糖苷生物堿；隨著濃度增大，馬鈴薯糖苷生物堿對枸杞致腐病原菌（jun1）鐮孢菌的抑製作（zuò）用隨之增強，但濃度不能高於0.15 g/mL。周兵等按照醇（chún）-酸水-有（yǒu）機溶劑提取（95%乙醇回流提取2 h後，依次用酸性水溶液和濃氨水進行酸堿處理， 後用氯（lǜ）仿萃取）法對碎米（mǐ）莎草（cǎo）莖進行總生物堿提取；隨著（zhe）濃度的增加，總生物堿對水稻稻瘟病（bìng）菌、油菜菌核病菌、番茄早疫病（bìng）菌和楊樹（shù）潰瘍（yáng）病菌的抑製作用隨之增加，但對水稻（dào）苗高有（yǒu）嚴重抑製（zhì）作用。
因此，在提取生物堿時，不光要根據溶劑極性來提（tí）取對應（yīng）的生物堿類化合物，還要在提取過程中不斷調節溶劑的酸堿度。不同類型的生（shēng）物堿對不同（tóng）的植物病害有一定（dìng）的（de）抑製作用，總生（shēng）物堿（jiǎn）類化合物不能用於水稻田，會影響水稻幼苗的生長（zhǎng）。

2.黃酮類化合物
 
    黃酮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還是苷類（lèi）化合物，不同的（de）化合物使用極（jí）性不同的溶劑，極（jí）性越大的溶劑所提取的極性化（huà）合物含量會越多（duō），不同極性（xìng）的（de）溶劑混合提取會出現協同作用。Bartmańska等使用不同極性的溶（róng）劑分別從廢除（chú）的啤酒花殘渣中浸（jìn）提得到7種黃酮（tóng）類化（huà）合物，其中2種為天然黃酮（α,β-二羥基胡蘿卜（bo）素和8-丙基柚皮素），提取黃腐醇含量 多的溶劑是甲（jiǎ）醇＋二氯甲烷；丙酮、乙（yǐ）酸乙酯、甲醇（chún）的粗提物對（duì）鐮刀菌的抑（yì）製所差無幾，而亞甲基氯（lǜ）化物（wù）則對灰黴病菌有較強的抑製作用。EL-Hefny等使用乙酸乙酯和甲醇分別對大黃的根部進行萃取，分（fèn）餾分離後物質用蒸餾水配製成含有（yǒu）黃酮-3-醇和二苯（běn）乙烯的藥液，並對田間感染稻瘟菌的小麥進行抑菌試驗；結果顯示，其能顯著抑製病（bìng）菌孢子的（de）萌發。

3.萜類化合物（wù）
 
    萜類化合物常用的提取方式為壓榨法、水蒸氣（qì）蒸餾法、脂浸（jìn）潤（rùn）法（fǎ）、超靈界流（liú）體萃取法和溶劑提取法。前4種方法可用於提取精油，一般萜類提取（qǔ）都（dōu）是根據提取物（wù）質的苷元（yuán）形（xíng）式選擇不同極性、不同沸點的（de）溶劑。Oludemi等將靈芝 行乙醇（chún）回流提取，幹燥（zào）後按照提取（qǔ）時間78.9 min、提取溫度90℃、溶劑62.5%乙醇進行熱（rè）萃取，得到（dào）提取率為（4.9±0.6）%，含量為（435.6±21.1）mg/g的三萜。Popov等研究發現（xiàn），乙酸（suān）乙酯提取白樺醇的純度比95%乙醇提取的白樺醇純度高，並且可以在乙酸乙酯提取完白（bái）樺（huà）醇之（zhī）後，使用水蒸餾法將提取殘渣中的乙酸乙酯回收，形成綠色萃取（qǔ）。Qun等（děng）通過使用蒸餾水，保證1∶55 （g/mL）的固液比，在超聲波-微波輻照（zhào）功（gōng）率90Ｗ，提取周期75 s的（de）條件下對角果進行三萜類化合物提取，得到16.789 mg/g，與預期相符（fú）。

4.揮發（fā）油
 
    揮發油 常見（jiàn）的成分就是單帖及倍半（bàn）萜，因此提取精油時常用水蒸氣法（fǎ）和超臨界流體萃取法（fǎ）。Bammou等通過水精蒸餾裝置對蚤草屬進行水蒸氣蒸餾，提取精油對尖孢鐮（lián）刀菌有一定的（de）抗性。Shukla等使用超臨界CO₂對幹薑進行多分離器在線分餾，CO₂回收率為96.15%。工業生產中的工藝優化及其驗證（zhèng）標度單位表明，超臨界（jiè）CO₂萃取和同（tóng）步萃取分餾可用於一係（xì）列（liè）天然生物（wù）活（huó）性化合物，如維生素、必需脂肪酸（suān）。Agha等采用二（èr）維氣相色譜法和簡易氣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（de）主（zhǔ）要成分是香茅（máo）醇、香葉醇和芳樟醇。揮發油也多用於果蔬保鮮及美妝行業中，所以使用超（chāo）臨界CO₂作為萃取劑，既價格（gé）低廉，又無殘留，且不（bú）破壞化合物結構。在提取各類（lèi）化合物時，除了根據不同提取物質選擇不同極性的溶劑外，可以采用（yòng）微波輔助提取或超聲波輔助提取方式。對比傳統的溶劑（jì）提取法，通過超聲或微波（bō）產生切向力，使溶（róng）劑滲（shèn）入，加速有效成分進入（rù）提取溶劑中（zhōng），從而提（tí）高提（tí）取率，且不（bú）降低提取物的活性。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，發現超聲波輔助提（tí）取法（fǎ）的提取率較其他2種方法要高，且未改變提取物的化學結構。
 
三、活性物質抑菌機製

1.生物堿類化合物
 
    生物堿類化合物可以在需要（yào）保護的細胞上形成一層保護膜，從而減少其他病菌對（duì）細胞的破壞。Zhao等使用異喹啉生物堿對稻瘟病菌進行（háng）抑製試驗，結果（guǒ）表（biǎo）明，菌（jun1）絲體彎曲、崩解，細胞膜完整性受損，同時還抑製菌絲（sī）的活性（xìng）氧生成，破（pò）壞了菌絲（sī）的膜功能和細胞增（zēng）殖。
對（duì）於病菌（jun1）抑製，生（shēng）物堿類化（huà）合（hé）物可對病菌細胞基因及酶類進（jìn）行影響，或者對細胞膜、菌絲生長形態造（zào）成影響，從（cóng）而達到抗病的作用。

2.黃酮類化（huà）合物（wù）
 
    黃酮類化合物的抗病性可（kě）能是非特異性的，通過黃酮類化合物的抗氧（yǎng）化性，使致病（bìng）菌因缺氧而失去活性，影響生物膜的形（xíng）成、膜的（de）通（tōng）透性等生理特性，影響某些酶（méi）對（duì）細胞質的抑製。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（lèi）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（xiàn）黃芩素在32和64μg/mL時對病菌具有下調群體感應係統調節因子及基因細胞間粘附素在生（shēng）物膜（mó）中的（de）表達生產細胞的能力。
 
3.萜類化合物
 
    萜類化合物對真菌的抑製（zhì）作用主要表現在對真菌菌絲的（de）生長抑製，使其尖端膨脹、分支形成孢子梗（gěng）或使菌絲斷裂，對細胞造（zào）成（chéng）破壞以（yǐ）及對真菌細胞蛋白的下調。楊婷等對（duì）13種萜類（lèi）化合物（wù）進行抑菌篩選，其中，香芹酚（fēn）、丁香酚、異丁香酚、枯茗醛、百（bǎi）裏香酚對孢炭疽菌的 佳抑製（zhì）濃度為（wéi）50μg/mL。Alexa等對丹參和百裏香分別進行（háng）萃取，得到γ-鬆油烯（xī）和ｐ-百裏香酚，兩者混（hún）合對禾穀鐮刀菌有一定的抑製協同作用（yòng）。丁蘭等（děng）從香茶菜屬中分離出4種萜類物質（leukamein E、weisiensin B、熊果酸和2-α-羥基熊果酸），並考察（chá）幾種物質（zhì）對蝴蝶（dié）蘭莖腐病中分離出的鐮孢屬真菌的抑製活性；發（fā）現真菌的菌絲簡短膨大成為囊泡，出現斷裂（liè），逐漸變為空泡；菌絲體細胞膜結構被嚴重破壞，且大大改變了其通透性。


4.揮發油（yóu）
 
    揮（huī）發油是（shì）通過精油及其組分對細胞膜造成破壞，增大（dà）膜的通透（tòu）性，致（zhì）使（shǐ）細胞內（nèi）的物質泄漏，或直接破壞病菌的酶（méi）係統，致其死亡。Moghaddam等發現從山羊草種子中提取的精油對青枯病菌有較（jiào）強的抑製活性，能夠顯著抑（yì）製菌絲的生長。Yu等考（kǎo）察從茶樹（shù）中提（tí）取的精（jīng）油對灰黴病菌的抑（yì）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（jun1）細胞，破壞細胞器（qì）而（ér）不影響細胞膜透性。相比之下，鬆油烯破壞了膜的完整性，增加了膜的通透性，導致離子滲漏和膜功能障礙。
 
四、展望
 
    目前研究（jiū）人員對各（gè）類植物源化（huà）合物已有一定的研究（jiū），但不同類型化合物的生物功能和生態化學功能尚未被充分研究，例如化合物在植物體內代謝過程、所具有的功（gōng）能，以及在生（shēng）態環境中的存（cún）在形式與歸宿（xiǔ）途徑等。
 
    在提取（qǔ）工藝（yì）中，不僅要考慮優化工藝增（zēng）加（jiā）物質提取率（lǜ）或提取出其他物質類型，還要考慮提取成本，以及（jí）商業生產的經濟性，是否適用於（yú）工廠批量化（huà）生產。例如將許多高質（zhì）量的有價值的化合物被（bèi）一（yī）個單一的步驟回收，從某種（zhǒng）低廉的植（zhí）物中得（dé）到大（dà）量高質（zhì）量的化合物等。對於（yú）植物源農藥，所需（xū）化合物的活性篩選仍然是新農藥開發的關鍵步驟，具有較高活性的化（huà）合物可以直接開發（fā）為新藥。化合物的結構對於抑菌（jun1）活性（xìng）有著重要影響，因此可以將“組（zǔ）學”技術與（yǔ）分子網絡藥理學相結合，在原物質結構的基礎上進行（háng）結（jié）構修飾，合成具有高效抑菌能力的新物質。
 
來源：《黑龍江農業科學》2021年第7期
作（zuò）者：淮陰工學院生命（mìng）科（kē）學與食品工程學院（yuàn）  於（yú）忻瀅  張國良  範鬆（sōng）  黃誌煒  張葉