Spinosad_天然产物研究开发的成功范例

第４７卷第８期２００８年８月

农　药

AGROCHEMICALS

Vol. 47, No. 8

Aug. 2008Ｓｐｉｎｏｓａｄ　：天然产物研究开发的成功范例

刁　杰１，徐尚成２

（１．辽东学院　装备与材料学院，　辽宁　丹东　１１８００３；　２．江苏省农药研究所，南京　５５００２５）

摘要：多杀菌素是一类新型杀虫剂。　在美国环保署（ＥＰＡ）登记，能够控制多种害虫。　这一独特有机物的发现和后续的研发给世界带来了一类全新的产品。　多杀菌素具有独特的作用方式，对目标害虫有很高的活性，对非靶标有机体低毒。　多杀菌素对于害虫的控制有较好的效果。

关键词：多杀菌素；天然产物；杀虫剂

中图分类号：ＴＱ４５０ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６－０４１３（２００８）０８－０５５８－０３

Spinosad, A Successful Example of Researching

and Developmenting from Natural Products

DIAO Jie1, XU Shang-cheng2

(1.The Equipments and Materials College, Eastern Liaoning University, Dandong 118003, Liaoning, China;

2.Jiangsu Pesticide Research Institute, Nanjing 550025, China)

Abstract: Spinosad is a new chemical class of insecticides which is registered by the EPA to control a variety of insects. The discovery and subsequent development of this unique organism has provided the world with an entirely new class of products. A unique mode of action coupled with a high degree of activity on targeted pests and low toxicity to non-target organisms make spinosad an excellent new tool for management of insect pests.

Key words: spinosad; natural products; insecticides

我们要继续开发并保留尽可能多的作物保护手段，这一点十分重要，因为高产农业可以减少粮棉生产对土地的需求，保持我们的环境质量。　天然产物，如用于蚜虫防治的烟草粉和石灰及除虫菊花均是人类最早使用的作物保护剂，随着对高效安全农药产品要求的提高，这些天然产物又被重新考虑作为新的先导源。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ的发现，定性研究及初期开发所花费的时间超过了１２年之久，但安全高效并基于天然产物的害虫防治产物的研究，历经３０￣４０年，涉及到两家公司。　当Ｄｏｗ化学公司和Ｅｌｉ　Ｌｉｌｌｙ公司于１９８９年合并他们的植物科学分部，成立合资企业ＤｏｗＥｌａｎｃｏ时，该项研究达到了顶峰。　当Ｄｏｗ化学全资拥有ＤｏｗＥｌａｎｃｏ公司时，ＤｏｗＥｌａｎｃｏ便发展成Ｄｏｗ　ＡｇｒｏＳｃｉｅｎｃｅ。　Ｄｏｗ和Ｌｉｌｌｙ两家公司在其筛选计划中均包括了天然产物，并具有类似的目标和理念。　土壤放线菌Ｓ．　ｓｐｉｎｏｓａ　Ｍｅｒｔｓ　＆　Ｙａｏ及其代谢物Ｓｐｉｎｏｓａｄ是合并前的Ｅｌｉ　Ｌｉｌｌｙ公司发现的。　至于如何及为何进行这些研究计划的战略考虑稍后再作介绍。

Ｓｐｉｎｏｓａｄ的发现源于不懈的筛选计划，该计划具有清晰的产品概念，不同寻常的是，产生Ｓ．　ｓｐｉｎｏｓａ的土样是由一位在Ｃａｒｉｂｂｅａｎ度假的科学家采集的，而不是来自纳入正常筛选计划的专业采集样品。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ的发现是一个神奇的故事，但其开发并不亚于其发现，需要非常的努力和献身精神，需要克服接连不断且难以想象的困难。

１２年的时间内，成百上千人和若干个研究组为之奋斗。　在发现研究部，昆虫学家发现并初步鉴定其活性，化学家则帮助鉴定分子结构并改进活性。　天然产物研究部提供了成千上万个的筛选样品，并进行分离和鉴定。同样重要的是，生产之初要进行的大量工作，因为刚开始时的发酵浓度是很低的。　技术开发部研究其田间性能和应用方式，并将这些资料转到商品化部。　他们也是产品开发的主要决策者，并负责提出后续投资方案。　制剂科技部开发了水基制剂，在保持原有的环境相容性的同时，优化性能。　过程研究部不必开发生产反应过程，因为反应过程是由微生物来进行的。　但他们要围绕生产放大和萃取过程进行大量的工作。　全球运作部是由很多小部门组成的综合部门，围绕生产、包装、供应及上市产品的质量保证等，将重要任务细化分解，全球健康部、环境安全部负责协调毒理、环境归趋、风险评价及规章制定。　最后，商品化部用这些知识对用户进行宣传，并树立对“绿色”产品的理解，体现其价值。　当然，他们的初期工作也涉及到产品目标的定位。　作物保护产品的开发是协调工作最多、最复杂的产品开发工作之一。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ的开发更具挑战性，因为其制造化学和复杂性是前所未有的，如果没有真正意义上的团队精神，是不可能成功的。

１ 天然产物发现过程

１．１ 发现过程

Ｄｏｗ　ＡｇｒｏＳｃｉｅｎｃｅ继续了从前的工作方式，这些方式是由以前的Ｄｏｗ化学公司农业产品分部、Ｅｌｉ　Ｌｉｌｌｙ、Ｅｌａｎｃｏ

收稿日期：２００８－０３－１０

作者简介：刁杰（１９６１—），女，辽宁丹东人，副教授，主要从事化工、纺织、染料的教学与科研工作。 综述－

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产品公司及其他几家主要的作物保护公司延续下来的，即通过多种途径为发展其业务寻找新产品。　这些途径包括：与其他农业或非农业公司合作开发有兴趣的化合物；为产品选择生物技术路线；合成化学的生物合理设计，意在把生物化学家和化学家的工作结合在一起；筛选非农业来源的化合物库及筛选新的非常规来源的天然产物。　年复一年，选择的天然产物筛选包括：土壤生物发酵液、活体微生物、植物萃取物、海洋生物萃取物及昆虫毒素。其间，经常要探讨所有权技术问题，这对一项计划能否成功的影响很大。　对于一个成功的害虫防治剂来说，要求越来越高，如更高的安全性、选择性和用药效果。　上述杀虫剂研究的所有途径均已获得新的分子和产品。　不过，天然产物筛选仍然是最有用的方法之一。　一是发现新型化合物直接作为害虫防治产品，其二，　也同样重要的是作为开发新型化学农药的先导。

１．２ 天然产物与合成产物

天然产物蕴藏着机遇。　其诱人之处在于其新颖复杂的化学极有可能经由发酵或生物技术来实现，并且理论上是易消失、可生物降解的。　出于进攻或防卫需要，大自然已经优化了最好的作物保护产物。　然而，天然产物样品往往难以获得，难以制备和鉴定，因为它们以混合物的形式存在且浓度很低，虽然在筛选、分离及结构鉴定技术上的持续改进可帮助克服这一困难。　天然产物的化学结构作为化学合成的先导，通常是很难完全靠合成手段来实现的，虽然有一些例外。　许多天然产物与现行标准及市场准入相比，毒性也很高，选择性也很差。　尽管如此，天然产物仍然是新化学最有效的来源之一。

１．３ Ｓｐｉｎｏｓｙｎｓ的发现

很难说该项研究计划究竟始于何处。　二次世界大战之后，Ｄｏｗ化学公司和印第安那的标准石油等公司开始进行植物保护产品的开发。　Ｅｌｉ　Ｌｉｌｌｙ公司原先致力于人类保健产品，后来拓宽到生命科学，包括动物和植物科学，并于２０世纪５０年代后期取得了印第安那标准石油公司的生物部。　天然产物，包括发酵液的研究在两家公司进行了多年。　土壤微生物发酵付产物的发现与分离，一度成为Ｅｌｉ　Ｌｉｌｌｙ公司的中心工作，并发现了大量抗生素和动物生长产品，建立了土壤样品库和新品库，以供应筛选过程，其来源多种多样，包括熟悉计划的员工的偶然捐献。

２ 物理化学与生物活性

２．１ 物理化学与命名

Ｓｐｉｎｏｓｙｎｓ属于Ｓ．　ｓｐｉｎｏｓａ在营养介质上好氧发酵的次生代谢物。　选择的放线菌品系以产生Ｓｐｉｎｏｓａｄ为主。Ｓｐｉｎｏｓａｄ是由Ｓ．　ｓｐｉｎｏｓａ产生的２个活性最高的天然代谢物（Ｓｐｉｎｏｓｙｎｓ　Ａ和Ｄ）的混合体。　从结构上讲，这些化合物属大环内酯，含有一个独特的四环体系，外接２个不同的糖分子。　发酵后，Ｓｐｉｎｏｓａｄ被萃取出来，经处理制成高浓度常规水悬浮剂，方便使用和运输。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ外观为淡灰至白色结晶固体，稍带泥土味，类似于不太新鲜的水的味道。　其在水中的ｐＨ值为７．７４，对金属和金属离子稳定期达２８　ｄ，其加工品存贮期为３年。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ属非挥发性物质，蒸气压约１．３×１０－１０　Ｐａ。

２．２ 环境归趋

Ｓｐｉｎｏｓａｄ在环境中，经由光降解和微生物降解等主要途径降解成其天然组分的碳、氢、氮和氧。Ｓｐｉｎｏｓａｄ的降解半衰期，经由土壤光降为９￣１０　ｄ，水溶液光降小于１　ｄ，叶面光解为１．６￣１６　ｄ。　在避光条件下，Ｓｐｉｎｏｓａｄ经空气土壤代谢降解的半衰期为９￣１７　ｄ。　水解不会导致明显的降解，因为Ｓｐｉｎｏｓａｄ在ｐＨ值５￣７时，在水中是相对稳定的，在ｐＨ值为９时，半衰期至少在２００　ｄ以上。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ具有中等土壤Ｋｄ值（５￣３２３），在水中溶介度较小，在环境中的持效期较短，故淋溶的可能性极低。　因此正常使用时，对地下水不致造成危害。　据美国ＥＰＡ要求，不能在碱性地区使用。

２．３ 非靶标毒理学

Ｓｐｉｎｏｓａｄ对哺乳动物和鸟类毒性较低，对水生生物具有中低毒性。　此外，对哺乳动物的慢性毒性试验表明：Ｓｐｉｎｏｓａｄ无致癌、致畸及致突变作用，也没有神经毒性。Ｓｐｉｎｏｓａｄ对许多益虫和相关生物的安全性较高，对瓢虫、吸浆虫、草蛉及螨虫活性较低。　研究表明，Ｓｐｉｎｏｓａｄ对某些重要益虫的毒性低于氯氰菊酯原药，而对鳞翅目害虫的活性与氯氰菊酯相当。　这样的活性水平，加上对在ＩＰＭ计划中起重要作用的天敌昆虫的安全性，是相当令人满意的。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ对蜜蜂的点滴急性毒性小于１　ｍｇ／头，按ＥＰＡ分类，属“对蜜蜂高毒”。　但是田间试验表明残余物一旦完全变干，对采花蜂的毒性几乎可忽略。　由于Ｓｐｉｎｏｓａｄ的低危险性，对于农业工人，收获前及施药后进入田间的间隔期等安全注意事项，均是最低限度的。

２．４ 生理性质与抗性治理

Ｓｐｉｎｏｓａｄ对昆虫具有快速触杀和胃毒活性，这对于一个生物产品来说，是不多见的。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ独特的作用方式是使昆虫神经系统兴奋，导致无意识的肌肉收缩，伴随颤抖、麻痹而衰竭。　这些作用与烟碱乙酰胆碱受体的活化作用是一致的，这种机理在已知的害虫防治产物中显然是新颖而独特的。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ也作用于ＧＡＢＡ受体功能，进而导致对昆虫的活性。　这种作用方式是独特的。　吡虫啉及其他基于烟碱受体的杀虫剂作用部位不同于Ｓｐｉｎｏｓａｄ。　迄今尚未发现其他类型的产品以相同的作用方式作用于昆虫神经系统，也未见到有关Ｓｐｉｎｏｓａｄ交互抗性的报道。

独特的作用方式，无交互抗性，对天敌昆虫的选择性及中等残留活性，大大降低抗性发展的可能性。　如果害虫

刁　杰，等：　Ｓｐｉｎｏｓａｄ　：天然产物研究开发的成功范例

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防治剂Ｓｐｉｎｏｓａｄ与目前的或其他新的杀虫剂产品交替使用，是相当可靠的。　但昆虫的适应性总是存在，且被反复证实，杀虫剂抗性发展仍呈继续上升趋势，也说明了这一点。　因此，Ｄｏｗ　ＡｇｒｏＳｃｉｅｎｃｅ正通过其杀虫剂抗性治理小组推进Ｓｐｉｎｏｓａｄ的抗性治理工作。　包括应用对象、教育及市场工作，全力支持规范管理和ＩＰＭ实践。　Ｄｏｗ　ＡｇｒｏＳｃｉｅｎｃｅ对Ｓｐｉｎｏｓａｄ进行抗性治理的兴趣，并非出于Ｓｐｉｎｏｓａｄ的任何特殊性，而是考虑到抗性治理是推进ＩＰＭ良好实践的一种手段，从而有利于保证一个产品具有较长的生命力。

在田间，Ｓｐｉｎｏｓａｄ很快致使昆虫停止进食并麻痹，但是受药昆虫也许会在植物上再生存２　ｄ。　因此，在进行任何田间药效评价之前，致少要等上２￣３　ｄ，这一点很重要。

Ｓｐｉｎｏｓａｄ叶面施用时，在植物中的内吸性并不高，尽管在叶面组织中有一些横断叶片移动（ｔｒａｎｓ－ｌａｍｉｎａｒｍｏｖｅｍｅｎｔ），添加合适的表面活性剂可增加这种移动，并提高对叶面钻蛀害虫的活性。　该产品无药害。

２．５ 活性谱与防治对象

１９９０年以来，Ｓｐｉｎｏｓａｄ已在全球范围内进行了广泛试验。　多种害虫均可列为Ｓｐｉｎｏｓａｄ的防治对象。　总的来说，Ｓｐｉｎｏｓａｄ防治害虫的活性顺序为：鳞翅目、双翅目和缨翅目，其对鞘翅目的某些害虫也有效。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ对防治刺吸式口器害虫和螨类基本无效，但目前正进行某些应用方面的调查。　对于杀虫剂来说，衡量其选择性的一个尺度是节肢动物选择性比（ＶＳＲ），即哺乳动物ＬＤ

５０

值与昆虫ＬＤ

５０

值的比值。　采用点滴法处理烟草夜蛾和大鼠口服毒性数据计算得到的Ｓｐｉｎｏｓａｄ的ＶＳＲ值表明对鳞翅目害虫而言，Ｓｐｉｎｏｓａｄ是迄今发现的选择性最好的化合物之一。

目前在美国列为Ｓｐｉｎｏｓａｄ应用对象的作物在１００种以上。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ也已在其他２４个国家登记，并正在更多国家申请登记。　其对哺乳动物和环境的安全性，昆虫选择性及ＩＰＭ适用性，独特的作用方式及抗性治理性能，加上其杰出的防效，使其登记速度加快，并为世界范围内的种植者所接受。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ将证实其对农业生产的作用。

３ 总结

作为这类产物之一的Ｓｐｉｎｏｓａｄ，被证实是１９８０—２０００年期间，直接来自天然产物研究计划的害虫防治剂的典范之一。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ的特征包括：独特的化学和作用方式，对重要经济害虫的高活性，半衰期短，易降解，对哺乳动物、鸟类、鱼及大部分益虫安全性好。　Ｓｐｉｎｏｓａｄ的研发成功说明对天然产物的不懈探索，有利于为作物保护提供其他手段，有利于生命科学研究。 Ｓｐｉｎｏｓａｄ的发现与开发是具有对产品远见卓识的两家公司开发部门和研究队伍长期努力的结果。

责任编辑：赵平

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责任编辑：夏彩云

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