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植物源生物堿類殺蟲劑及其登記應用進展
責任編輯:左彬彬 來源:《世界農藥》 日期:2023-04-18
 

來源《世界農藥》2023年第3期

作者:章杰,羅巧,劉科,任丹,陳庭倬


″十四五″農藥產業發展規劃提出推進化學農藥使用減量化,加快生物農藥研發力度。在國家政策支持下,生物農藥逐步發展成現代農藥生力軍。盡管生物農藥分類在全球有著不同定義,但根據我國農業部第2569號公告,農藥分為化學農藥、生物化學農藥、植物源農藥、微生物農藥以及衛生用農藥5類。2020年,全球生物農藥市場規模達43億美元, 預計2025年將達85億美元,年復合增長率14.7%。截至2022年12月31日,我國有效期內登記農藥45169個,其中生物農藥產品1434個,占比3.2%,我國生物農藥發展仍任重道遠。


作為生物農藥的重要組成部分,植物源殺蟲劑泛指從植物體中提取的全部或部分有效成分及其次生代謝產物加工形成的、在農業生產上對害蟲害螨有防治效果的天然產物的制劑產品。植物源殺蟲劑大多具有低毒、低殘留、易降解、對環境友好等優點。據統計,植物源殺蟲劑在全球農藥市場的份額逐年增長至7%以上。


植物源殺蟲劑有效成分主要包括精油類、萜烯類、生物堿類、黃酮類、酚類、香豆素類、蒽醌類等。而生物堿是植物中最大的一類含氮堿性化合物,大部分生物堿類含有復雜的含氮雜環,且結構多樣性,對不同靶標作用機制不同。植物源生物堿來源豐富,已經發現的生物堿約有12000種,有500種以上植物中含殺蟲活性生物堿。這些生物堿分布于豆科、茄科、毛茛科、百合科、衛矛科等100多科植物中,有些生物堿已廣泛應用于農業、醫藥、食品等行業,尤其是殺蟲劑開發的重點。本文綜述了生物堿類殺蟲劑及其農用研究進展,探討了植物源殺蟲劑存在的問題及其應用前景。


1 植物源生物堿類殺蟲劑概述


植物源生物堿類殺蟲劑是植物源農藥的重要組成部分,其中藜蘆堿、小檗堿、苦參堿等已廣泛應用于農業生產。研究發現,大多生物堿類化合物對昆蟲有觸殺、胃毒及拒食作用。表1列出了來源于百合科、豆科和毛茛科等21科植物的具有殺蟲活性的生物堿類化合物。


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在具有殺蟲活性的39種生物堿中,產業化登記產品最多的當屬以觸殺作用為主的豆科苦參、苦豆子提取物,有128個產品登記,有效成分為苦參堿。其次是兼具觸殺和胃毒作用的百合科藜蘆根莖提取物,有11個產品登記,主要成分為藜蘆胺與藜蘆托素。茄科煙草生物堿煙堿有7個產品登記,罌粟科博落回有2個產品登記,其余生物堿類尚未見相關殺蟲劑產品產業化報道。盡管大多生物農藥具有毒性低的優點,但部分生物農藥仍具有高毒性或刺激性,如金雀花堿和辣椒堿對呼吸道具有很強的刺激作用,馬錢子堿具有吞咽毒性,常被用來制作嚙齒類動物毒餌。


2 已登記的生物堿類殺蟲劑


2.1 藜蘆堿


藜蘆堿主要來源于藜蘆根莖,是一大類生物堿的統稱。研究發現藜蘆堿成分超過20種,主要包括藜蘆胺、藜蘆托素、西藜蘆堿類等有效成分(圖1)。藜蘆堿一般以總生物堿形式共同作用于靶標害蟲,具有觸殺和胃毒作用。藜蘆堿活性成分被害蟲吸食或經靶標害蟲表皮滲透進入消化系統,引起害蟲的局部刺激從而抑制其感覺神經末梢,影響中樞神經的正常傳導使靶標死亡。


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有研究表明,藜蘆堿對玉米黃呆薊馬和酢漿草如葉螨在處理24h內均有良好的活性,使用濃度5g/L時對薊馬的室內防治藥效可達86.67%,對葉螨的防效達89.27%。目前以藜蘆堿為有效成分的相關制劑已廣泛應用于柑橘、蔬菜、茶葉等數10種經濟作物,在農業生產上具有很好的市場發展潛力。


市面上流通的藜蘆堿產品并非單一成分,隨著登記制度的完善,目前市售藜蘆堿產品已于2021年統一更名為藜蘆根莖提取物。


國內市場上現有11個登記證,主要覆蓋蚜蟲、薊馬、紅蜘蛛、葉蟬等刺吸式口器害蟲,如表2所示。


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2.2 苦參堿


苦參堿是一類主要存在于苦參、苦豆子等豆科植物中,通過一系列提取工藝而獲得的總堿化合物。目前已知的苦參堿種類超過40種,包括苦參堿、氧化苦參堿、槐定堿、槐果堿、金雀花堿等數種活性成分(圖1)?鄥A具有觸殺作用,主要作用于昆蟲靶標的神經、呼吸、代謝系統,并可能抑制昆蟲 靶標的Na+、K+-ATP酶或Ca2+、Mg2+-ATP酶,進而影響對小菜蛾、豌豆蚜等靶標的生物活性。如表3所示,目前已有數10家農藥企業登記了苦參堿產品,登記證總數達128個,其中111個為殺蟲/殺螨劑。


實驗室研究表明,野靛堿、苦參堿、槐果堿對豌豆蚜的致死中量(LC50)分別為0.0428、0.0699、0.083 5μg/頭,表現出優異的防治作用。同時田間應用發現,1%的苦參堿產品稀釋800倍對美國白蛾3齡以下幼蟲也有較好防效。0.5%苦參堿產品稀釋2000、1500、1000倍對梨木虱的防效均可超過80%?鄥A是我國植物源農藥中登記企業最多的品種,登記靶標主要以各類蚜蟲、薊馬為主,也有部分廠家登記菜青蟲、小菜蛾等鱗翅目害蟲(表3)。


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2.3 煙堿


煙堿是目前在農業上應用較廣的一種生物堿,其主要分布于煙草全株,以葉部煙堿含量最高,其次是根莖部分,另外在茄科植物中也有分布。國內目前共登記了7個煙堿產品,其中單劑2個,復配制劑5個(表4)。煙堿對農業害蟲具有高效、廣譜的殺蟲活性,其作用機理主要為阻斷害蟲中樞神經系統的正常傳導,進而殺死害蟲。


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另外,煙堿對松樹上的馬尾松毛蟲也有一定的防治效果。目前以煙堿為先導化合物合成的新煙堿類殺蟲劑種類豐富,商業化的殺蟲劑已廣泛投入市場,但長期大量使用新煙堿類殺蟲劑使害蟲抗藥性問題凸顯,不利于新煙堿類農藥的持續發展,故繼續開發更高效且不易產生抗藥性的全新煙堿類殺蟲殺螨劑,已成為煙堿類農藥領域的未來發展趨勢。


2.4 博落回生物堿


博落回生物堿是來源于罌粟科植物博落回的一類生物堿,該植物含有血根堿、白屈菜紅堿等逾10種生物堿,F階段僅有1個博落回母藥和1個博落回復配殺蟲劑登記(表5)。


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博回落堿的殺蟲機理目前尚不明確,但研究表明其對小菜蛾、棉鈴蟲等多種鱗翅目害蟲均有拒食、胃毒活性,對黏蟲具較好的卵孵化抑制作用。除此之外,博落回堿對桃蚜、麥二叉蚜及麥長管蚜等多種蚜蟲也有較強的觸殺效果。


3 其他生物堿類殺蟲成分


3.1 小檗堿


小檗堿(圖2)是一種已商品化的異喹啉類生物堿,它廣泛分布于小檗科、毛茛科等植物,多提取自黃連、博落回、黃柏。目前市場上的小檗堿產品主要用于殺菌、除藻,還未有小檗堿用于殺蟲劑的相關登記。但有研究報道,小檗堿對小菜蛾等鱗 翅目害蟲具有較強的拒食作用,可能通過影響害蟲體內的超氧化物歧化酶等和代謝相關的酶活性,進而使害蟲死亡。研究發現,小檗堿類乙醇提取物對小菜蛾、菜青蟲幼蟲有較好的拒食效果,拒食率超過60%。此外,小檗堿對朱砂葉螨具有毒殺作用,藥后3d對朱砂葉螨的防效超過75%,鹽酸小檗堿對甘藍蚜蟲有一定拒食和毒殺活性。這說明小檗堿具有開發殺蟲劑的潛力和價值。


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3.2 雷公藤堿


雷公藤堿是從衛矛科植物雷公藤根皮中提取的雷公藤吉堿、雷公藤次堿等生物堿的總稱(圖2),對桃蚜及多種鱗翅目害蟲均有拒食、胃毒及麻痹作用,但無觸殺和熏蒸作用。雷公藤生物堿制劑對5齡菜青蟲和3齡小菜蛾的室內毒力試驗表明,該制劑對這2種鱗翅目害蟲均有較好的毒殺效果,藥后72h的致死中濃度(LC50) 分別為20.35、44.62mg/L。雷公藤生物堿對5齡菜青蟲的拒食中濃度(AFC)為275.53mg/L,對黏蟲各齡幼蟲均有較強的拒食作用。同時,有研究數據表明,將雷公藤提取分離得到的幾種物質進行室內藥效試驗測定分析發現,部分雷公藤生物堿對小菜蛾沒有毒殺作用。因此開展雷公藤生物堿活性成分研究時還需進一步對生物堿進行純化,明確活性物質組分。


3.3 百部堿


據相關文獻統計發現百部堿種類超過100種,分布于百部科植物中,有原百部堿、對葉百部堿等 (圖2)。目前百部堿已應用于農業中防治多種害蟲,具有拒食和觸殺活性,但具體的作用機理尚未明確。有研究發現利用正己烷從直立百部根中提取的生物堿對玉米象、赤擬谷盜具有較好的觸殺和拒食活性。 


3.4 番茄堿


番茄堿(圖2)是來源于番茄中的一類甾體生物堿糖苷,對棉鈴蟲等農業害蟲有一定的胃毒作用。用番茄堿飼喂棉鈴蟲后,蟲體內的鈣調蛋白含量下降,從而抑制棉鈴蟲的生長發育并降低其存活率。


同時,番茄堿對環核苷酸磷酸二酯酶、乙酰膽堿酯酶的生物活性有一定的影響,從而抑制害蟲的正常生長,使之存活率下降。但番茄堿對其他害蟲是否有相似的作用效果尚未明確,有待于進一步開展相關研究。 


3.5 喜樹堿


喜樹堿(圖2)是存在于藍果樹科植物喜樹中含量最高的一種喹啉類生物堿,另外喜樹中還含有喜樹次堿、羥基喜樹堿、甲基喜樹堿等多種生物堿。喜樹堿粗提物對小菜蛾有明顯的拒食、胃毒作用,可抑制小菜蛾3齡幼蟲的生長發育,且對其成蟲也有明顯的產卵趨避效果。而喜樹葉、果乙醇提取物還具有卵孵化抑制作用,處理濃度超過31.25mg/L時能顯著延長蟲卵的卵期,降低1齡幼蟲的存活率。 


3.6 牛心樸子生物堿


牛心樸子生物堿是從牛心樸子草中提取的一大類生物堿的總稱,以7-脫甲氧基娃兒藤堿等成分為主,但其化學結構式目前還不明確。據文獻報道牛心樸子不同部位提取的總生物堿對小菜蛾和枸杞蚜蟲(Aphis sp.)均有明顯的觸殺作用,而地上部分提取的生物堿對這2種害蟲的藥效更好;從總生物堿分離出的單體生物堿對小菜蛾有較強的拒食活性,但胃毒活性較弱。


3.7 辣椒堿


從辣椒果實中提取的一大類辣椒堿類物質,包 括辣椒堿(圖2)、二氫辣椒堿、降二氫辣椒堿等近10種生物堿。辣椒堿具有拒食和產卵忌避活性,能抑制小菜蛾體內與神經傳導有關的Na+、K+-ATP酶的活性導致其死亡,從而減少小菜蛾的發生。另外, 辣椒堿與煙堿復配使用對低齡菜青蟲和菜蚜有較好的防效,可在田間推廣使用。 


3.8 烏頭生物堿


烏頭生物堿是從毛茛科植物烏頭的子根提取的一大類生物堿,又稱為附子生物堿,包括烏頭堿、次烏頭堿、中烏頭堿等(圖2)。附子生物堿對小菜蛾有較強的產卵忌避活性,也有一定的拒食和抑制生長發育的生物活性,但胃毒作用較弱。北烏頭生物堿處理菜青蟲可使其提前化蛹,形成畸形蛹。 


3.9 其他生物堿


據相關文獻報道,唐古特莨菪堿、蛇根堿、金雞納堿、長春生物堿、天芥菜堿、毒扁豆堿等(圖2) 對農業害蟲或衛生害蟲有一定的拒食、觸殺、抑制生長或殺卵作用,但這些植物源生物堿具體的作用機理或作用途徑還有待深入研究,能否在農業上進行應用還需開展相應試驗,因此生物堿類殺蟲劑的開發研究還任重道遠。


4 植物源殺蟲劑發展現狀及展望


4.1 植物源殺蟲劑產品開發面臨的挑戰


目前,植物源殺蟲劑產品在應用推廣方面仍然面臨一定的問題。在產品研發端,我國目前實現人工種植的藥用植物僅幾十種,且大多藥用植物只能在特定環境及氣候下生長。如用于提取長春生物堿抗癌成分的長春花目前僅用于醫藥及科研。這類藥用植物種植面積小且種植難度較大,高額的原材料生產成本嚴重限制了其在農業領域的運用。而目前已實現產業化的部分高活性母藥提取原材料在國內屬于冷備藥材,尚未形成規;娜斯しN植及產業化種植標準。同時,各主產地因自然環境、細分品種差異導致其活性物質含量不同,容易造成產品生產成本的波動。因此,對于優異的野生藥用植物品種,企業可在主產區逐步形成穩定的供銷關系, 鼓勵當地對野生藥材進行人工干預生長提高產量或 嘗試進行集中種植管理。


其次,部分植物生物堿穩定性相對較差、毒性低,這就給產品制劑開發提出了更高的要求。所以, 在產品劑型選擇和制劑結構設計中必須更多從主成分穩定性、作物安全性、提高活性分子生物利用度、耐雨水沖刷性及緩釋效果等多角度出發,增強植物源殺蟲劑的產品競爭力。


而在產品應用端,植物源殺蟲劑施用成本相較化學農藥不具有優勢,殺蟲譜相對較窄,現階段還無法完全替代化學農藥。在防控藥劑選擇上,可以選用植物源農藥搭配化學藥劑的方式,在達到良好綜合防治效果的同時減少化學藥劑的用量。


現階段,我國的殺蟲劑市場份額廣闊且呈上升趨勢。截至2022年5月,我國有效期內登記的農藥產品共41614種,其中殺蟲劑產品17604種,而登記在案的植物源殺蟲劑產品僅14種。目前經文獻報道有效的植物源生物堿類、萜類或黃酮類等殺蟲成分,多因有效成分含量低、提取成本過高、企業提取設備和技術落后及工業廢水處理困難等問題難以實現產業化。


已產業化的植物源殺蟲劑多為水劑或可溶液劑,主要針對蚜蟲、小菜蛾、紅蜘蛛等靶標,有效成分在自然環境中降解快,不易產生藥劑殘留。同時,絕大部分已登記植物源殺蟲劑品種屬于低毒,對作物及天敵生物安全,環境危害小。部分神經毒素類生物堿對靶標具有良好的擊倒作用,通常能夠表現出比化學藥劑更好的速效性和更短的起效時間。植物提取物未經過分離純化,包含多種活性成分以及氨基酸、多糖類有益物質,害蟲抗藥性形成周期長,還對作物生長有一定的促進作用。植物源 殺蟲劑的這些優勢特征符合國家大力推廣高效低毒低殘留農藥,逐漸替代高毒高殘留農藥,利用生物技術逐步替代傳統化學技術的發展戰略。 


4.2 展望


我國植物資源品種豐富,有文獻記載的藥用植物達12000余種,其中具有殺蟲活性和開發潛力的超過2000種,目前仍有大量存在于植物中的生物堿類、萜類、黃酮類、精油類等有效成分具有開發成植物源殺蟲劑的潛力。篩選出全新、高效、安全的有效殺蟲成分擁有廣闊的應用價值。在此基礎上,企業也應當持續優化植物原材料的分離純化工藝,積極對生產設備進行智能化改造,盡量減少有機溶劑的使用,提高目標產物收率,降低生產成本,減少環境污染。


同時,生物合成技術的高速創新也將推動植物源殺蟲劑的發展。日本三井化學公司已使用生物合成技術生產黃連素并成功實現產業化。紫杉醇、紫草素、人參皂苷等也利用該技術實現了產業化并應用于醫藥行業。生物合成技術的實施能夠有效解決原材料資源短缺的問題,避免珍稀野生藥用植物資源過度采伐的風險。

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