植物源杀虫剂开发利用现状及其前景展望

 

        现在越来越重视有关合理利用生态的新方法来有效控制害虫的研究，开发对有害生物高效、对非靶标生物安全、易分解且分解产物对环境无损害的生物农药是目前的热点，从生物中提取、分离新的天然活性化合物是开发新农药的重要途径。

 

      “植物源农药”实际上就是利用天然中草药经过筛选配方而研制成的一种“生物农药”，与环境和谐度高。其主要特点为：

 

(1)植物源农药对人畜安全；

 

(2)在自然环境下易分解，残留量低；

 

(3)是天然的混配复剂，对害虫有拒食、忌避、抑制生长发育、控制种群等作用，害虫不易产生抗性。它的优势在于既能调节农作物的生长发育，防治病虫害，又没有化学农药的诸多副作用。本文就植物源杀虫剂的研究概况作简要综述，通过分析其优、缺点来展望其发展前景。　

 

 

　一、研究现状　

 

　1.杀虫植物资源研究 　

 

　地球上植物农药十分丰富。《中国有毒植物》一书列入有毒植物1300多种，其中许多种类具有杀虫(菌)作用或已被作为植物源农药利用。据1958年中国南方各省统计，被利用的植物农药达411种。《中国土农药志》一书共记述植物性农药220种，并定出了学名。据调查统计，中国作为农药的植物主要集中于楝科、菊科、豆科、卫矛科和大戟科等30多科以上。　

 

　(1)楝科植物 楝科植物约52属1400种，中国约有15属64种。楝科植物杀虫剂应用较早，其中印楝(Azadirachtaindica)、川楝(Meliatoosendan)和苦楝(Meliaazedacach)是该科中主要的杀虫植物。印楝是世界上公认的理想杀虫植物，其活性成分主要分布在种核和叶中。从其种子中已分离、鉴定出数十种柠檬素类化合物，其中最主要的活性成分是一种四环三萜类化合物——印楝素。其作用机制主要是扰乱昆虫内分泌系统，影响促前胸腺激素(PTTH)的合成与释放，减低前胸腺对PTTH的感应而造成20-羟基蜕皮酮合成、分泌的不足，致使昆虫变态、发育受阻。自美国Vikwood公司最早开发出以印楝种核为原料的杀虫剂马格乐后，至今全世界已有近20个国家建立了印楝农药生产厂，并已有十几个产品投放市场，用于防治8目400余种害虫。在对药剂的速效性进行了深入研究后，发现印楝素乳油在环境保护和降低农药残留方面，具有化学合成农药无法代替的作用。　

 

　(2)除虫菊 除虫菊是一种多年生草本菊科植物，是目前世界上唯一大规模集约化种植的杀虫植物，是一种不污染环境、对人畜安全无害、能迅速杀灭害虫而不易产生抗药性、无残留的高效天然杀虫剂。用其提取的天然菊酯油是生产高效低毒无公害生物农药和卫生杀虫剂的主要原料。　

 

　(3)鱼藤 鱼藤主要杀虫成分是鱼藤酮(Rotenone)，对昆虫高毒而对人畜安全，它通过抑制昆虫体内还原型辅酶Ⅰ、脱氢酶(NAD+辅酶Ⅰ)与辅酶Q之间的生化过程来杀灭害虫，故害虫不易产生抗性。黄瑞论等(1956)试验得出“鱼藤酮对蚜虫的防治效能，比任何已知药剂大”的结论。鱼藤酮对烟蚜、小地老虎、烟盲蝽、烟蓟马等多种害虫有强力触杀作用，美中不足的是鱼藤酮易光解氧化，在作物上残留时间短。此外，还有一些研究报道，鱼藤根有效成分对植物的生长有刺激作用。

 

　(4)卫矛科植物 卫矛科植物约有30属450种，中国有12属200种以上。该科植物的杀虫有效成分为二氢沉香呋喃类化合物。雷公藤和苦皮藤是该科中重要的杀虫植物。雷公藤(Tripteryiumwilfordii)的杀虫有效成分主要为wilfordine、wilforgine、wilfortrine、wiforzine及雷公藤碱，多存在于根皮之中。雷公藤对多种害虫具有胃毒、拒食、抑制生长发育和忌避产卵等杀虫活性，且药效快，为其它一般植物性杀虫剂所不及。苦皮藤(Celastrusangulatus)的杀虫活性物质主要分布于根皮中，其次分布于叶中。苦皮藤对小菜蛾、粘虫、黄守瓜等多种害虫具有较好的防效。

 

　(5)杜鹃花科植物 杜鹃花科植物约50属1300余种，中国有14属700种。该科植物黄杜鹃(Rhodendron molle)在中国作为杀虫植物使用的历史较早。黄杜鹃(又称闹羊花)中有3种活性较高的物质：闹羊花素-Ⅲ(简称R-Ⅲ)、Kalmanol和Grayanotoxin-Ⅲ，其中以R-Ⅲ为主要杀虫有效成分。R-Ⅲ属于四环三萜类化合物，在黄杜鹃的花、嫩叶、根、茎不同部位含量各异，以花中含量最高(0.20%)。闹羊花毒素对昆虫有触杀、胃毒和熏蒸作用。用黄杜鹃可加工制作黄杜鹃粉剂和黄杜鹃水剂两种植物农药，可用于防治叶蝉、稻飞虱、蓟马、蚜虫、黄守瓜、盲蝽象、地老虎等害虫。　

 

　除上述植物外，近10多年来国内工作者还对瑞香科植物、柏科植物、黄花蒿、竹、夹竹桃、豆薯(地瓜、凉薯)、百部、毒藜、大黄、藜芦、苦参、银杏、番茄、苦木、白头翁、黄芩、辣椒等植物的杀虫活性进行了相关的研究和报道。　

 

　2.活性成分 　

 

　植物源农药的活性成分多种多样，从成分的化学分类角度看，几乎涵盖所有成分类别，主要包括：

 

(1)生物碱：生物碱作为植物源农药的有效成分最为重要，如烟碱、苦参碱、藜芦碱、雷公藤碱等。

(2)氨基酸、蛋白质类：如甘氨酸、天门冬氨酸、碱性蛋白、蛋白质类似物等。

(3)萜类与挥发油(精油)：除虫菊酯，雷公藤素甲、乙，雷公藤酮，香茅醛，柠檬醛，樟脑等。

(4)三萜类与甾体类化合物：如川楝素、海葱糖苷等。(5)其它：糖甙类有异硫氰酸酯甙、硫甙芥子甙；黄酮类，如鱼藤酮等。　

 

　3.作用机理 　

 

　(1)影响昆虫激素的代谢：如印楝素抗昆虫蜕皮激素，干扰昆虫蜕皮，导致昆虫产生形态上的缺陷；另外印楝素还可影响昆虫的交配及卵子的发育。

 

   (2)影响昆虫的神经系统：如烟碱作用于昆虫神经细胞上的乙酰胆碱烟碱型受体，使神经体持续激活，虫体持续痉挛，麻痹死亡；植物香油通过抑制乙酰胆碱酯酶，也可产生同样的效果。

 

    (3)影响昆虫的呼吸系统：鱼藤酮是呼吸作用电子传递链中的Ⅰ位点抑制剂，从而影响昆虫的呼吸系统；奈醌类物质作用于线粒体复合体，抑制呼吸作用。

 

    (4)影响昆虫的消化系统：植物蛋白酶抑制剂与昆虫肠道内的蛋白酶结合并抑制其活力，影响昆虫的消化功能；川楝素通过破坏菜青虫的中肠组织而起作用。

 

    (5)影响离子通道：除虫菊酯与细胞膜上的钠离子通道结合，延长其开放时间，引起昆虫休克死亡，相同机理的尚有西藜芦生物碱、胡椒素、阿素宁、墙草碱等；鱼尼丁能与肌质网上的钙离子通道结合，使钙离子进入肌细胞，很快引起细胞死亡，对特定种类昆虫的防治确实有效。

 

    (6)其它：油菜素内酯可以增强植物的抗性；苦豆子中的金雀花碱和苦豆碱对昆虫的同工酶有显著的抑制作用等。　

 

  　4.作用方式 　

 

   　(1)胃毒作用 具有胃毒作用的植物源杀虫物质较多，但它们的作用机理并不完全相同。如苦皮藤素V主要是破坏中肠肠壁细胞膜及细胞器膜；而川楝素则破坏中肠组织，阻断神经传导而导致害虫麻痹、昏迷、死亡。　　

 

    (2)触杀作用 目前，具有触杀作用的植物源杀虫植物不多，主要有除虫菊、鱼藤、烟草等。研究认为，除虫菊中的除虫菊素作用于昆虫神经系统，但其具体作用机理比较复杂，尚有许多问题不清楚；鱼藤中的有效杀虫成分鱼藤酮主要作用于呼吸链中电子转移复合体Ⅰ；烟碱是烟草中的主要杀虫成分，作用于乙酰胆碱受体。　　

 

    (3)忌避和拒食作用 忌避主要是利用某些药剂(如茼蒿精油、菊蒿精油)散发出的特殊气味，使昆虫感觉器官难以忍受而离去。拒食产生的主要原因是某些药剂(如印楝素、川楝素、R-m、脱氧鬼臼毒素等)抑制了昆虫的味觉功能而表现出拒食效应。　　

 

    (4)麻醉作用 某些植物源杀虫物质对害虫具有特殊的麻醉作用。如雷公藤总碱对5龄菜青虫有很强的麻醉作用(麻醉中量ND50为2.29μg·g-1)。　　

 

    (5)其它作用 除上述几种作用方式外，植物源杀虫剂还有其它生物活性。如砂地柏、黄花蒿等精油对害虫有熏杀作用，从喜树中分离出来的喜树碱具有极强的不育作用，还有一些植物精油对具有引诱作用。

二、开发利用
　　从对植物性杀虫物质的简要概括中可看出，植物源杀虫剂作为一种天然杀虫剂类型具有以下优点：(1)对人畜低毒或无毒；(2)其本身即取之于自然，对植物源杀虫剂的利用，是自然资源的一种循环，不会对环境造成任何附加的压力；(3)植物源杀虫剂中不乏一些作用方式、作用机理特殊的物质，对于目前害虫严重产生抗药性的局面可能有一定的缓解；(4)植物源杀虫剂资源丰富，据估计，当今世界至少有25万种不同的植物，而在化学性质上进行过调查研究的仅占10%，这说明进一步工作的回旋余地非常大；(5)植物质产品一般具有一定的选择性，对害虫天敌比较安全，不会破坏自然生态防御系统。因此，在人类花费大量的人力、物力、财力竭力寻找新型杀虫剂而层层受阻的同时，把希望寄托于对植物性杀虫剂的开发和研究也就成了历史之必然。
　　植物源农药的开发利用可分为两方面：一是直接利用，即对植物中的活性物质进行粗提取后，直接加工成可利用的制剂。这种利用方式的主要优点是能够发挥粗提物中各种成分的协同作用，而且投资少，开发周期短。目前，中国在这方面做的工作较多，已开发出楝素乳油、苦皮藤乳油、鱼藤酮乳油、双素碱水剂、油酸烟碱等多种商品化制剂。二是间接利用，即研究活性物质的结构、作用机制、结构与活性间的关系，进而人工模拟合成筛选，从中开发新型植物源农药制剂。间接利用是当前国外植物源农药研究开发的盲点，也是我国植物源农药研究发展的方向。
　　植物源农药可以制成乳剂、粉剂单独使用或几种植物农药配合使用，也可以与生物农药、化学农药混配使用。到2000年止，中国已登记注册植物源农药品种28种，应用较多的为苦参碱(粉剂2种，水剂10种)、烟碱(含混剂，4种)、鱼藤酮(6种)、茶皂素、木烟碱、楝素乳油等。由于植物源农药对人畜毒性低，在环境中容易降解，基本上无明显的残毒问题。因此，首先应考虑将植物源农药应用于蔬菜、茶叶、中药材、花卉生产以及城市绿化防治病虫害等方面。
　　三、存在的问题及前景展望
　　植物源农药既然有那么多好处，为什么未得到很快发展？这主要是植物源农药固有的缺点限制了它的研发进程。众所周知，植物源农药的活性成分是植物的一类或几类次生代谢物质，易受外界环境条件(如温度、湿度、光照、土壤pH值、土壤营养成分和周围生物群落等)的影响，因此稳定性不高。并且其活性成分含量低，作用效果缓慢，给生产带来了困难。有人提出了一些解决植物源农药易分解失活的办法，有的用抗氧化剂如低浓度邻苯二酚、连苯三酚等避免阳光的作用；也可避光超低温保存。现使用得最多、最成功的是制成乳油。但乳油的加工需要大量的有机溶剂，易污染环境，因此还须加大科研力度，研究开发无毒的剂型。为解决药效慢的问题，如今大量采用复配的办法，制成多种复配剂使用。
　　随着生物技术的发展，侯学文等提出将生物技术与植物性杀虫剂相结合的一些设想。但是植物性杀虫剂大多是结构复杂、在生物体内合成步骤繁多的有机化合物，从现阶段的基因工程技术来看，要想将它们的合成酶系全部转移至目标作物中让它们自己拥有合成植物性杀虫剂的能力，至少目前是不太现实的。现阶段转移少数基因的技术已相当成熟，因此目前应集中研究蛋白质类的植物性杀虫剂，如蓖麻毒素、胰蛋白酶抑制剂、淀粉酶抑制剂及一些对害虫有忌避、毒杀的凝集素等，阐明它们的基因结构，以便人工合成或从杀虫植物中克隆这些基因，然后再将这些基因转入需保护的作物中，这样就可以用自然界自己的方式解决自身的问题。用昆虫细胞培养可以研究植物性杀虫剂的作用机理，探讨其作用于细胞代谢的哪一个位点，利用生物分子相互作用分析(BLA)系统，可以查出植物性杀虫剂的受体，这样对设计混配及仿生合成新农药有极大的帮助。利用昆虫细胞培养尚可预测对植物性杀虫剂的抗性发展及其抗性产生原因，从而在应用前采取相应措施，以延缓害虫抗药性的发生。
　　四、小结
　　近年来，中国植物源农药的研究与开发虽已取得了一定的进展，但还存在以直接利用为主、成本较高、作用缓慢、药物稳定性差等许多问题。为了最大限度地发挥植物源农药的优点，开发出在实践中具有推广价值的植物源农药制剂，尚需在以下几个方面开展研究工作：(1)植物中活性成分结构、作用机制及构效关系的研究；(2)发现先导化合物进而人工合成；(3)植物源农药剂型加工工艺与合理使用技术的研究。总而言之，中国植物资源丰富，发展植物源农药的条件得天独厚。随着生物、信息、分离鉴定和仪器分析等技术的发展，中国植物源农药的研究将会不断取得新的突破。