植物源農藥研究進展

    在中國，由於化學農藥的濫用導致40種（zhǒng）以上的主要農作物的病原微生物（wù）和害（hài）蟲產生抗藥性（xìng）、生態（tài）環境惡化、生（shēng）物（wù）多樣性（xìng）水平降（jiàng）低等一（yī）係列問題，而且（qiě）傳（chuán）統化學農藥往往含（hán）有對人畜有害的成分，以植物體內對病原（yuán）菌具有拮抗性的化學物質為主要成分的（de）植（zhí）物源農藥，因其具有（yǒu）低毒、低殘留、對非靶標生物及環境安全的特點而越來（lái）越受到重（chóng）視。據研究，常用植（zhí）物源農藥有生物堿類化合物、黃酮類化合物、萜（tiē）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（jié）構，根據化合物特性的的不同，選擇不同方式進行提取，不（bú）同（tóng）的化合物也具（jù）有不同的（de）抑菌及提高植物（wù）抗氧化力等生理特性。本文綜述了植物源農藥中常見活性成分的結構表征、提（tí）取（qǔ）方（fāng）式及其抑菌研究進展，旨為植物（wù）源農（nóng）藥的開發提供技術支（zhī）撐。
一、植物源農藥常用的活性提取物

1.生物堿類化合物
 
    目前已發現的21,000多種生物堿類化合物，多分布在茄科植物的（de）種（zhǒng）、果、花、莖等植物部位（wèi）。生物堿類化合物大多為環狀結構，氮素被包（bāo）含在碳環內（nèi）。在抑菌時C1、C2、C9和C10中的羥基作為取代基會出現結構取代的（de）情況。生物堿常見類型有（yǒu）異喹啉類生物堿（jiǎn）、喹啉（lín）類生物堿、吲哚類生物堿、呱啶類生物堿等，其中N-甲基四氫原小檗堿、原小檗堿和（hé）苯胺類生物堿（jiǎn）的C2和C3的4階碳和亞甲二氧（yǎng）基在提高N-甲基（jī）四氫原（yuán）小檗堿的抗病毒、抗菌和抗真菌活（huó）性方麵起（qǐ）著重要作用。當進行生物堿類化合物的結（jié）構優化時，可（kě）重點優化生物堿的C2和C3的4階碳和（hé）亞甲二氧基，從而（ér）提高該類型化（huà）合物的抑菌效果。
 
2.黃酮類化合物
 
    黃酮類化合物目前（qián）已發現800餘種，屬於植物的次生代謝物質。黃酮類的化學結構類（lèi）型較多，一般以C6-C3-C6的形式為基礎。黃酮類（lèi）化合物（wù）是苯並-γ-pyrone衍生物，當病菌對其進行（háng）侵染（rǎn）時，它會根（gēn）據其側組位置和換位進行分類；其（qí）藥理作用主要是根據它的結構（gòu）類別、羥基化程度、其他取代和（hé）共軛以（yǐ）及聚合程度相互協同合（hé）作，其中類黃酮（tóng）在生物係統中保護作用歸因於它們傳遞氫或電子自（zì）由基的能力；而芳香環上特殊位置的羥基（jī）能夠提高抑菌作用。在進（jìn）行黃酮類化合物的結構（gòu）優化（huà）時，可先尋（xún）找到該物質芳香環的羥基，調整其位置，再查（chá）看該羥基在新位置上與它（tā）的結構類別（bié）、其他取代和共軛以及聚合程度互相協作的（de）效果（guǒ），從而（ér）達到整體（tǐ）提高黃酮類化合物的（de）抑菌效（xiào）果。

3.萜類化合物
 
    在天然產物中，萜類化合物是結構 多、結構 大的化合物之一，目前已發現50,000多種（zhǒng）。萜類化合物可根據異戊二（èr）烯進行分類，即（jí）將不同碳數量及組成結構進行線（xiàn）性排列，形成多個異（yì）戊二烯單元組成的頭尾相連的異戊二烯聚合體，少部分萜類（lèi）化合物（wù）也會以（yǐ）各種含氧衍生物的形式（shì）存在。萜（tiē）類化（huà）合物（wù）主要由甲羥戊酸途徑生成，但也可能來源（yuán）於2-C-甲基-D-赤蘚糖（táng）醇4-磷酸，而缺少吡喃環時，則一般被認為沒有活性（xìng），不具備抑（yì）菌作用。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（lái）提高萜類化合物的抑菌效果。

4.揮發油
   
    揮發油又稱植物精油，主要來自芳香植物，是脂溶性的（de）天然化合物。植物精油成分複雜，按化學結構分為芳（fāng）香族、脂肪族和萜類，其中（zhōng）以萜類成分為主，主要包括單帖、倍半萜（tiē）以及醇類、酚類、醚類、醛、酮（tóng）、羧酸和酯（zhǐ）等含（hán）氧衍生物。揮發油的活性可能是由某些小化合物（wù）如香芹酮的存在所致。揮發油所（suǒ）含成分太多，可（kě）推測出抑菌作用主要源於它的組成成分的協同作用，並非（fēi）一種物質的作用。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（shēn）的代謝功能合成不同的化學（xué）物質以及衍（yǎn）生物，這些（xiē）物質（zhì）具有抑菌、抗病、抗氧（yǎng）化等作（zuò）用。因此可以根據不同（tóng）成分的特性選擇合（hé）適提取方式進行成（chéng）分提取。
 
1.生物堿類化合物
 
    在提取生物（wù）堿時，生（shēng）物（wù）堿的溶解性能是提取方式選擇依據，因此（cǐ）根據不同生物堿在不（bú）同溶劑中的溶解度進行溶劑選擇（zé），在進行（háng）親水性生物堿的提取時要注（zhù）意溶劑酸堿度的調節。Wei等將白屈菜粉碎後超聲波提取，固液比為1∶8，提取液為75%乙醇，85%超聲頻率提取35 min得（dé）到白屈菜紅堿；白屈菜紅堿濃度為1.7×10^-6mg/mL時，抑菌活性（xìng） 高，對番茄枯萎（wěi）病菌（jun1）Z0413、黃瓜枯萎病菌Z0418等（děng）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烷、乙酸乙酯、氯（lǜ）仿浸提分餾，純化後得到3種異喹啉（lín）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（jiāo）炭疽病（bìng）菌均有一定的（de）抑製作用，研究發現C-13和季銨（ǎn）鹽中甲基的缺失氮原子在抗真菌藥（yào）物中起著重要作用。陳偉（wěi）等依次使用乙酸、氨水、正（zhèng）丁醇和甲醇對馬鈴薯（shǔ）薯芽與薯皮（pí）進行粉碎萃取，不斷調節溶劑酸堿（jiǎn）度， 後得到馬鈴薯糖苷生物堿；隨（suí）著濃度增大，馬鈴薯糖苷生物堿對枸杞致腐病原菌鐮孢菌的抑製作用隨之增強，但濃度不能高於0.15 g/mL。周兵等按照（zhào）醇-酸水-有機溶劑提取（95%乙醇回流提取2 h後，依（yī）次用酸性水溶液和濃氨水進行酸堿處理， 後用氯仿（fǎng）萃取）法對碎米（mǐ）莎草莖進行（háng）總生物堿提取；隨著濃度的增加，總生物堿對水稻稻瘟病（bìng）菌、油菜菌核（hé）病菌、番茄（qié）早疫病菌和楊樹（shù）潰（kuì）瘍（yáng）病菌的抑製作用隨之增加，但（dàn）對水稻苗高有嚴重抑製作用。
因（yīn）此，在提取生物堿時，不光要（yào）根據溶劑極性來提取對應的生物堿類化合物，還要在（zài）提取過程中不斷調（diào）節（jiē）溶劑的酸（suān）堿（jiǎn）度。不同（tóng）類型的生物堿對不同的植物病害（hài）有一定的抑製作用（yòng），總生物堿類（lèi）化合物不（bú）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（tóng）類化合物（wù）提取的關鍵在於所提取的（de）黃酮類物質（zhì）是遊離苷元還是苷類化合物，不同的化（huà）合（hé）物使（shǐ）用極性不同的溶（róng）劑，極性越大的溶劑所提取的極（jí）性化合物含量會越多（duō），不同（tóng）極性的溶劑混合提取會出現協同作用。Bartmańska等使用不（bú）同（tóng）極（jí）性的溶劑分（fèn）別從（cóng）廢除的啤酒（jiǔ）花殘渣中浸（jìn）提得到7種黃（huáng）酮類化合物，其中2種為天然黃酮（α,β-二羥基胡蘿（luó）卜素和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、乙酸乙（yǐ）酯、甲醇的粗提物對鐮刀菌的抑製所差（chà）無幾，而亞甲基氯化物則（zé）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，分餾分離後（hòu）物質（zhì）用蒸餾（liú）水配製成含有黃酮-3-醇和二苯乙烯的藥液，並（bìng）對田間感染稻瘟菌的小麥進行抑菌試驗；結果顯示，其能顯（xiǎn）著抑製病菌孢子的萌發。

3.萜類化合物
 
    萜類化合物常用的提取方式為壓榨（zhà）法、水蒸氣蒸餾法、脂浸潤法、超靈界流體萃取法和溶劑提取法。前4種方法可用於提（tí）取精油，一般萜類提取都是根據提取物質（zhì）的苷元（yuán）形式選擇不同極性、不同沸點的溶劑。Oludemi等將靈（líng）芝 行乙醇回流（liú）提取，幹燥後按（àn）照提取時間78.9 min、提（tí）取溫度90℃、溶劑62.5%乙醇進（jìn）行熱萃取，得到提（tí）取（qǔ）率為（4.9±0.6）%，含（hán）量為（435.6±21.1）mg/g的（de）三萜。Popov等研究發現，乙酸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（yǐ）酯提取完白樺（huà）醇之後，使用水蒸（zhēng）餾法將提取殘渣中的（de）乙酸乙酯回收（shōu），形成綠色萃取。Qun等通（tōng）過使（shǐ）用（yòng）蒸餾水（shuǐ），保（bǎo）證1∶55 （g/mL）的固液比，在超聲波-微波輻照功率90Ｗ，提取周期75 s的條件下對角果進行三萜類化合（hé）物提取（qǔ），得到（dào）16.789 mg/g，與預（yù）期相符（fú）。

4.揮發油
 
    揮發油 常見的成分就是單帖及倍半萜，因此提取精油時常（cháng）用水蒸氣法和超臨界流體萃取法。Bammou等（děng）通過水精蒸（zhēng）餾裝置對蚤草屬進行水蒸氣蒸餾，提取精油對尖孢鐮刀菌有一定的抗性。Shukla等使用超臨界CO₂對幹薑進（jìn）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及其驗證（zhèng）標度單位表明，超臨界CO₂萃取和同步萃取分餾可（kě）用於一係列（liè）天然生物活性化合物，如維（wéi）生素、必（bì）需脂肪酸。Agha等（děng）采用（yòng）二維氣相色譜法和簡（jiǎn）易氣（qì）相色譜法對天竺葵提取揮發油（yóu）的化學成分進行檢測，揮發油（yóu）的主要成分是香茅醇、香葉醇和芳樟醇。揮發油也多用於果蔬（shū）保鮮及美妝行業中，所以使用（yòng）超臨界CO₂作為（wéi）萃取劑，既價格低廉，又無殘留，且（qiě）不破壞（huài）化合物結構。在提取各類化合物時，除了根據不同提取物質（zhì）選擇不同（tóng）極性（xìng）的溶劑外，可以采用微波輔助提取或超聲波輔助提取方式。對比傳統的溶劑提取法，通過超聲或微波產生切（qiē）向力（lì），使溶劑滲入（rù），加速有效成分進入提取溶劑（jì）中，從而提高提取率，且不降低提取（qǔ）物的活性。郭孝武分別使用（yòng）超聲波輔助提取法、回流提取法（fǎ）、浸提法對益母（mǔ）草的總生物堿進行（háng）提取，發現超聲波輔助提取法的提取率較其他（tā）2種（zhǒng）方法要高，且未改變提取物的化學（xué）結（jié）構。
 
三、活（huó）性物質抑菌機（jī）製

1.生物堿類化合物
 
    生物（wù）堿類化合物可（kě）以在需要保護的（de）細胞（bāo）上形成一層保護膜，從而減少其他病菌對細胞（bāo）的破壞。Zhao等使用異喹啉生物堿（jiǎn）對稻瘟病菌進行抑製試驗，結果表明，菌絲體彎曲、崩（bēng）解，細胞膜完整性受損，同時還抑製菌絲的活性氧生（shēng）成（chéng），破壞了菌絲的（de）膜功能和細（xì）胞增殖。
對於病菌（jun1）抑製，生物堿類化合物可對病菌細胞基（jī）因及酶類進（jìn）行影響，或者對（duì）細胞膜、菌絲（sī）生長形態造成影響（xiǎng），從而達（dá）到抗病的作（zuò）用。

2.黃酮類化合物
 
    黃酮類化合物的抗（kàng）病性可能（néng）是非特異（yì）性的，通過黃酮類化合物的（de）抗氧化性，使致病菌因缺氧而失去活性，影響生物膜的形成、膜的通透性等生理特性，影（yǐng）響某些酶對細胞質的抑製。Rachmawaty等對幹燥的可可果進行粉碎（suì）後使用7∶3的丙酮水溶液浸提3次，得到（dào）黃酮類化合物，發現其（qí）對尖孢菌的孢子有強烈的抑製作用（yòng）。Chen等研究（jiū）發現黃芩（qín）素在32和64μg/mL時對病菌具有下調群體感應（yīng）係統調節因子及基因細胞間粘附（fù）素在生物膜中的表達生產細胞（bāo）的能力（lì）。
 
3.萜類化合物
 
    萜類化（huà）合物對真菌的抑製作用主（zhǔ）要表現在對真菌菌絲的生長抑（yì）製，使其尖端膨脹、分支形成孢子梗或使（shǐ）菌絲斷裂，對細胞造成破壞（huài）以及（jí）對（duì）真菌細胞蛋白的下調。楊婷等對13種萜類化合物進行抑菌（jun1）篩選，其中，香芹酚、丁香酚、異丁香酚、枯茗醛、百裏香酚對孢炭疽菌的 佳（jiā）抑製濃度為50μg/mL。Alexa等對丹參和百裏香（xiāng）分別進行萃取，得到γ-鬆油烯和ｐ-百裏香酚，兩者混合對禾穀鐮（lián）刀（dāo）菌有一定的抑製協同作用。丁蘭等從香茶菜屬（shǔ）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），並考察幾種物質對蝴蝶蘭莖腐病中（zhōng）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（péng）大成為囊泡，出現斷裂，逐漸變為（wéi）空泡；菌絲（sī）體細胞膜結構被（bèi）嚴重破壞，且大大改變了其（qí）通透性。


4.揮發油
 
    揮發油是通過精油及其組分對細胞膜造成破壞，增大膜的通透性，致使細胞內的物質泄漏（lòu），或直接破壞病菌的酶係統，致其死亡。Moghaddam等發現從（cóng）山羊草種子中提取的精油對青枯病菌有較強（qiáng）的抑製活性，能夠顯著抑製菌絲的（de）生長。Yu等考察從茶樹（shù）中提取的（de）精油對灰黴病菌的抑製活性，研究發現精油中的α-鬆油醇、1,8-桉葉素（sù）混合後能穿透病菌細（xì）胞，破壞細胞器而不（bú）影響細胞膜透性。相比之下，鬆油烯（xī）破壞了膜的（de）完整性，增加了膜的通透性，導致離子滲漏（lòu）和膜功（gōng）能障（zhàng）礙。
 
四（sì）、展望
 
    目前研究人員對各類植物（wù）源化合物已有一定的研究，但不同類（lèi）型化合物的生（shēng）物功能和（hé）生態化學功能尚未被（bèi）充分研究，例如化合物在植物體內代謝過程、所具有的功能，以（yǐ）及在（zài）生態（tài）環境中的存在形式（shì）與歸宿途徑等。
 
    在提取工藝中（zhōng），不僅（jǐn）要考慮（lǜ）優化工（gōng）藝增加物質提取率（lǜ）或提（tí）取出其他物質類型，還要（yào）考慮提取成本，以及商業生產的經（jīng）濟性，是否適用於（yú）工廠批量化生產。例如將許多高質量（liàng）的有價值的化合物被一個單一的步驟回收，從某種低（dī）廉的植物中得到大量高質量的化合物等。對於植物源農藥，所需化合物（wù）的活（huó）性篩選仍然是新農藥開發的關鍵步驟，具有較高（gāo）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重要影響，因此可以將“組學”技術與分子網絡藥理學相結合，在原物質結構（gòu）的基（jī）礎上進行結構修飾，合成具有高效（xiào）抑菌能力的新物質。
 
來源：《黑（hēi）龍江農業科學》2021年（nián）第7期
作者：淮陰工學院生命科學與食品工程學院  於忻瀅  張國良（liáng）  範鬆  黃誌煒（wěi）  張葉