生物源天然产物农药的特点及其研究开发途径-1

第一节生物源天然产物农药的特点及其研究开发途径

一、生物源天然产物农药的特点

生物源天然产物农药主要是指以植物、动物、微生物等产生的具有农用生物活性的次生代谢产物开发的农药，如2.5％鱼藤酮乳油、20ug disparlure(舞毒蛾性诱剂)、15%井冈霉素水溶粉剂等。活的生物体，如各种捕食性天敌、寄生性天敌、致病微生物、转基因抗虫作物等不在本章讨论之列。次生代谢物质这个术语是Czapek在20世纪20年代首先提出来的。所谓次生代谢物质，其来源和性质与基础代谢产物如核酸、蛋白质等有所不同，是复杂的分支代谢途径的最后产物，大多数不直接参与维持产生者的生长发育和生殖有关的原始生化过程。虽然动物中也含有次生代谢物质，但80％的次生代谢产物来自植物。植物中次生代谢物质的产生，是生物间，特别是植物和昆虫之间协同进化的结果。一种生物最终是否得以生存和繁衍，取决于它对付逆境压力的能力。处于逆境压力下的任何物种都面临3种选择，即适应、迁移或灭绝。由于陆生植物不像其他捕食者(草食昆虫和其他草食动物)那样容易迁移，因此，植物为了生存，在进化过程中不得不发展许多新的代谢途径来产生对昆虫及其他草食动物，乃至病原微生物具有防御功能的化合物，这就是次生代谢物质最原始、最主要的生态功能。次生代谢物质一般具有下述特点：①次生代谢物质对昆虫或病原菌的防御功能具有选择

性，一种(或一类)次生代谢物只能防御某些种类的昆虫或病原菌，而不是所有的昆虫和病原菌。②次生代谢物质是植物内源物，它们本身是植物体的一部分，因此易于在自然界的大循环中降解。

③植物在进化过程中所经受逆境压力的多样性和复杂性，导致所产生的次生代谢产物的多样性和复杂性。因此和传统的化学合成农药相比，生物源天然产物农药具有下述特点：①大多数生物源天然产物农药对哺乳动物毒性较低，使用中对人畜比较安全。如鱼藤酮大鼠急性经口LD50为132mg/kg，兔急性经皮LD50为1500mg/kg；除虫菊素I和Ⅱ大鼠急性经口LD50为340mg/kg，急性经皮LD50大于600mg/kg。也有些生物源天然产物杀虫剂的毒性较高，如Avermectins大鼠经口LD50仅为10.06mg/kg，急性经皮LD50大于380mg/kg。然而这些天然产物杀虫剂活性很高，在制剂中的有效成分含量都很低，因而在使用中对人畜仍然很安全。例如 1.8％爱力螨克(阿维菌素)乳油含有效成分avermectinBl仅1.8％，大鼠急性经口LD50为650mg/kg，兔急性经皮LD50大于2 000mg/kg。②防治谱较窄，甚至有明显的选择性。以印楝素为例，鳞翅目昆虫对印楝素最敏感，低于1—50ug/g的浓度就有很高的拒食效果，鞘翅目、半翅目、同翅目昆虫对印楝素相对地不敏感，要达到100％的拒食效果，需要100～600ug/g的浓度。又如井冈霉素，对水稻纹枯病、小麦纹枯

病高效，对稻曲病也很有效，而对其他许多病害则防效很差，甚至根本无效。③对环境的压力较小，对非靶标生物比较安全。天然产物农药，绝大多数都是生物合成的天然物质，一般只含碳、氢、氧、氮4种元素，在环境中易于降解。许多生物源天然产物农药作用方式是非毒杀性的，包括调节生长发育、引诱、驱避、拒食等，因而对非靶标生物，特别是对鸟类、兽类、蚯蚓、害虫天敌及有益微生物影响较小。例如田间喷洒印楝制剂，并不影响果蝇寄生蜂羽化，羽化的寄生蜂能正常交配，寻找新的果蝇寄主。天然产物农药的这一特点不仅有利于保持生态平衡，而且有利于害物综合治理(1PM)方案的实施。④大多数生物源天然产物农药作用缓慢，在遇到有害生物大量发生迅速蔓延时往往不能及时控制为害。二、研究开发生物源天然产物农药的途径

生物源天然产物农药研究开发的途径，可以概括为三个方

面：1、是充分利用我国宝贵的生物资源，开发天然产物农药新品种。即在确定药效后，对产生杀虫、杀菌或除草活性物质的生物进行良种选育、大量繁殖、提取有效成分、制剂加工等直接的工业化商品开发，形成天然产物农药品种，创造显著的经济效益，环境和生态效益。例如植物杀虫剂Margosan—0的开发，就是在明确了印楝素的杀虫活性及防治效果后，选育产生印楝素的优良印楝树种，大面积栽培种

植，提取种核中的印楝素等杀虫有效成分，再加工成含0.3％

印楝素和14％印楝油的商品制剂。又如农用抗菌素井冈霉素，在明确了吸水链霉菌井冈变种(Streptomyces tygroscopicus)的开发价值后，选育优良菌种，进行工业发酵，

提取井冈霉素，加工成水剂或可溶性粉剂。2、是有效成分及其类似化合物的半合成改造。植物、动物或微生物产生的活性次生代谢物，如活性较低，光稳定性差，或对哺乳动物毒性大等原因而无法将其直接开发成天然产物农药品种，则可将这些活性化合物作为起始原料，经结构修饰人工半合成，筛选出性能优异，具有商业意义的新农药。例如，自1976年开发成功阿维菌素(Avermectins)后就围绕其人工合成进行了大量的研究，并开发成功伊维菌素(Ivermectins)。伊维菌素是阿维菌素B1组分22和23碳位不饱和双键选择还原的产物，更适合于防治家畜寄生虫。阿维菌素对螨类高效，但对昆虫，尤其是对粉纹夜蛾、棉铃虫和亚热带黏虫效果很差，而在阿维菌素B1基础上人工合成的4”—表—甲胺基—4，—脱氧阿维菌素B1对亚热带黏虫的毒力比阿维菌素B1提高1500倍。3、是作为创制新农药的先导化合物模型，即在研究天然产物农药过程中，发现新的具有杀虫杀菌或除草活性的化合物，以其化学结构作为先导化合物模型，用人工

合成的方法进行结构优化研究，筛选出性能比天然活性物质更好的新农药，创造重大的商业价值。这方面最成功的例子首推对杀虫植物除虫菊的研究。分离出除虫菊素I和Ⅱ等杀虫有效成分后，以此为先导化合物，开发出一代高效拟除虫菊酯类杀虫剂。此外还有源于植物中乙烯的乙烯利，源于沙蚕毒素的巴丹等杀虫剂，源于大蒜素的抗菌素402等。生物的种类是如此繁多，在漫长的进化过程中，各种生物都发展并完善自己的生命活动体系，进行着不同的生理生化反应，从而产生形形色色的天然化合物，给农药的研究与开发提供了无究无尽的宝贵资源。以植物为例，据估计当今世界上有近50万种植物，而对其化学成分作过研究的仅占10％；植物中的次生代谢物质已超过400000种，而仅10000种鉴定了分子结构。就微生物而言，据估计已被人类研究过的仅占自然界存在的1％，而在这些研究过的微生物中，只发现了大约1％的生物活性物质。更何况微生物是变异的，由于基因重组和染色体畸变随时都可能产生新的菌种。因此生物源天然产物农药的研究与开发具有很大的潜力和广阔的前景。

又称植物性农药。利用植物资源开发的农药。包括从植物中提取的活性成分、植物本身和按活性结构合成的化合物及衍生物。类别有植物毒素、植物内源激素、植物源昆虫激素、拒食剂、引诱剂、驱避剂、绝育剂、增效剂、植物防卫素、异株克生物质

世界上有近50万种植物，对其化学组分进行研究的仅占10％，约有2 400种植物具有抑制有害生

物的活性。植物农药几百年前就已被认识，但至

1763年世界上才由法国首次报道烟碱和石灰粉用

于防治蚜虫；1808年，美国人Jimtikoffj将除虫菊加

工成杀虫粉出售；1848年Oxley制造了鱼藤酮根粉，

这是三种最早的植物农药。合成农药出现以后，植

物农药受到冷落，直到20世纪60年代末合成农药

的一些缺点显现后，植物农药才重新受到重视。但

新一轮的植物源农药的开发，其重点已不再是从植

物体中寻找能够对害虫产生触杀或胃毒作用的毒性

物质，而是寻求植物体产生的对害虫具有特异作用

的物质，如拒食作用、阻碍生长发育、抑制蜕皮、抑制

蛹发育和羽化、不育作用等。

楝、川楝、除

虫菊、烟碱、鱼藤酮、苦参、银杏、苦皮藤、百部、青蒿

素、辣椒素、茶皂素、石蒜素、巴豆毒素

近年来，美国和日本着重研究植物源农药的化

学成分如印楝素的分离、提纯、分子结构的鉴定，从

而找到新的杀虫品种。因此，植物源农药有效化学

成分的提纯、结构鉴定和理化性质的研究，将是一个

主要的发展趋势。只有搞清楚结构与杀虫作用的关

系，才能更好地开发和利用植物源农药。植物源农药相互复配是今后发展的另一个趋势。如印楝素与除虫菊酯、苦参素、青蒿素、烟油、藤

黄、蒜精、涩草等复配，比较成功的例子是印楝素与

除虫菊酯或与合成除虫菊酯的复配。除虫菊酯是比

较好的生物农药，有较宽的杀虫谱，二者结合，不仅

可以提高药效，而且对除虫菊酯有抗性的害虫特别

有效；同时，二者的结合不仅可以杀死植物害虫，还

可用来防治动物体外寄生虫。

第三个发展趋势是提高植物源农药的稳定性。

植物源农药的稳定性控制是目前世界上公认的难

题。由于天然物的不稳定，在紫外光、阳光和高温下

极易分解。因此，除了避免强光、高温、强酸碱和酶

外，在配制制剂过程中，可以加入一种或多种环氧化

植物油稳定剂和对氨基苯甲酸抗光剂，来抑制天然

物的热分解与光降解。另外，还可以通过选择适宜乳化剂来实现其乳化稳定性。

提高第四个发展趋势是在植物中寻找具有农药生物

活性的化合物，通过结构上的修饰，获得新型的农

药。最成功的例子当属菊酯类杀虫剂，它来源于菊

科植物中的除虫菊素。其他还有源于植物中乙烯的

乙烯利，源于豆科植物毒扁豆种子中毒扁豆碱的氨

基甲酸苯酯，源于大蒜中大蒜素的抗菌素402，源于水稻恶苗病原的赤霉素等。