来源《世界农药》2023年第3期
作者：章杰,罗巧,刘科,任丹,陈庭倬
″十四五″农药产业发展规划提出推进化学农药使用减量化,加快生物农药研发力度。在国家政策支持下,生物农药逐步发展成现代农药生力军。尽管生物农药分类在全球有着不同定义,但根据我国农业部第2569号公告,农药分为化学农药、生物化学农药、植物源农药、微生物农药以及卫生用农药5类。2020年,全球生物农药市场规模达43亿美元, 预计2025年将达85亿美元,年复合增长率14.7%。截至2022年12月31日,我国有效期内登记农药45169个,其中生物农药产品1434个,占比3.2%,我国生物农药发展仍任重道远。
作为生物农药的重要组成部分,植物源杀虫剂泛指从植物体中提取的全部或部分有效成分及其次生代谢产物加工形成的、在农业生产上对害虫害螨有防治效果的天然产物的制剂产品。植物源杀虫剂大多具有低毒、低残留、易降解、对环境友好等优点。据统计,植物源杀虫剂在全球农药市场的份额逐年增长至7%以上。
植物源杀虫剂有效成分主要包括精油类、萜烯类、生物碱类、黄酮类、酚类、香豆素类、蒽醌类等。而生物碱是植物中最大的一类含氮碱性化合物,大部分生物碱类含有复杂的含氮杂环,且结构多样性,对不同靶标作用机制不同。植物源生物碱来源丰富,已经发现的生物碱约有12000种,有500种以上植物中含杀虫活性生物碱。这些生物碱分布于豆科、茄科、毛茛科、百合科、卫矛科等100多科植物中,有些生物碱已广泛应用于农业、医药、食品等行业,尤其是杀虫剂开发的重点。本文综述了生物碱类杀虫剂及其农用研究进展,探讨了植物源杀虫剂存在的问题及其应用前景。
1 植物源生物碱类杀虫剂概述
植物源生物碱类杀虫剂是植物源农药的重要组成部分,其中藜芦碱、小檗碱、苦参碱等已广泛应用于农业生产。研究发现,大多生物碱类化合物对昆虫有触杀、胃毒及拒食作用。表1列出了来源于百合科、豆科和毛茛科等21科植物的具有杀虫活性的生物碱类化合物。
在具有杀虫活性的39种生物碱中,产业化登记产品最多的当属以触杀作用为主的豆科苦参、苦豆子提取物,有128个产品登记,有效成分为苦参碱。其次是兼具触杀和胃毒作用的百合科藜芦根茎提取物,有11个产品登记,主要成分为藜芦胺与藜芦托素。茄科烟草生物碱烟碱有7个产品登记,罂粟科博落回有2个产品登记,其余生物碱类尚未见相关杀虫剂产品产业化报道。尽管大多生物农药具有毒性低的优点,但部分生物农药仍具有高毒性或刺激性,如金雀花碱和辣椒碱对呼吸道具有很强的刺激作用,马钱子碱具有吞咽毒性,常被用来制作啮齿类动物毒饵。
2 已登记的生物碱类杀虫剂
2.1 藜芦碱
藜芦碱主要来源于藜芦根茎,是一大类生物碱的统称。研究发现藜芦碱成分超过20种,主要包括藜芦胺、藜芦托素、西藜芦碱类等有效成分(图1)。藜芦碱一般以总生物碱形式共同作用于靶标害虫,具有触杀和胃毒作用。藜芦碱活性成分被害虫吸食或经靶标害虫表皮渗透进入消化系统,引起害虫的局部刺激从而抑制其感觉神经末梢,影响中枢神经的正常传导使靶标死亡。
有研究表明,藜芦碱对玉米黄呆蓟马和酢浆草如叶螨在处理24h内均有良好的活性,使用浓度5g/L时对蓟马的室内防治药效可达86.67%,对叶螨的防效达89.27%。目前以藜芦碱为有效成分的相关制剂已广泛应用于柑橘、蔬菜、茶叶等数10种经济作物,在农业生产上具有很好的市场发展潜力。
市面上流通的藜芦碱产品并非单一成分,随着登记制度的完善,目前市售藜芦碱产品已于2021年统一更名为藜芦根茎提取物。
国内市场上现有11个登记证,主要覆盖蚜虫、蓟马、红蜘蛛、叶蝉等刺吸式口器害虫,如表2所示。
2.2 苦参碱
苦参碱是一类主要存在于苦参、苦豆子等豆科植物中,通过一系列提取工艺而获得的总碱化合物。目前已知的苦参碱种类超过40种,包括苦参碱、氧化苦参碱、槐定碱、槐果碱、金雀花碱等数种活性成分(图1)。苦参碱具有触杀作用,主要作用于昆虫靶标的神经、呼吸、代谢系统,并可能抑制昆虫 靶标的Na+、K+-ATP酶或Ca2+、Mg2+-ATP酶,进而影响对小菜蛾、豌豆蚜等靶标的生物活性。如表3所示,目前已有数10家农药企业登记了苦参碱产品,登记证总数达128个,其中111个为杀虫/杀螨剂。
实验室研究表明,野靛碱、苦参碱、槐果碱对豌豆蚜的致死中量(LC50)分别为0.0428、0.0699、0.083 5μg/头,表现出优异的防治作用。同时田间应用发现,1%的苦参碱产品稀释800倍对美国白蛾3龄以下幼虫也有较好防效。0.5%苦参碱产品稀释2000、1500、1000倍对梨木虱的防效均可超过80%。苦参碱是我国植物源农药中登记企业最多的品种,登记靶标主要以各类蚜虫、蓟马为主,也有部分厂家登记菜青虫、小菜蛾等鳞翅目害虫(表3)。
2.3 烟碱
烟碱是目前在农业上应用较广的一种生物碱,其主要分布于烟草全株,以叶部烟碱含量最高,其次是根茎部分,另外在茄科植物中也有分布。国内目前共登记了7个烟碱产品,其中单剂2个,复配制剂5个(表4)。烟碱对农业害虫具有高效、广谱的杀虫活性,其作用机理主要为阻断害虫中枢神经系统的正常传导,进而杀死害虫。
另外,烟碱对松树上的马尾松毛虫也有一定的防治效果。目前以烟碱为先导化合物合成的新烟碱类杀虫剂种类丰富,商业化的杀虫剂已广泛投入市场,但长期大量使用新烟碱类杀虫剂使害虫抗药性问题凸显,不利于新烟碱类农药的持续发展,故继续开发更高效且不易产生抗药性的全新烟碱类杀虫杀螨剂,已成为烟碱类农药领域的未来发展趋势。
2.4 博落回生物碱
博落回生物碱是来源于罂粟科植物博落回的一类生物碱,该植物含有血根碱、白屈菜红碱等逾10种生物碱。现阶段仅有1个博落回母药和1个博落回复配杀虫剂登记(表5)。
博回落碱的杀虫机理目前尚不明确,但研究表明其对小菜蛾、棉铃虫等多种鳞翅目害虫均有拒食、胃毒活性,对黏虫具较好的卵孵化抑制作用。除此之外,博落回碱对桃蚜、麦二叉蚜及麦长管蚜等多种蚜虫也有较强的触杀效果。
3 其他生物碱类杀虫成分
3.1 小檗碱
小檗碱(图2)是一种已商品化的异喹啉类生物碱,它广泛分布于小檗科、毛茛科等植物,多提取自黄连、博落回、黄柏。目前市场上的小檗碱产品主要用于杀菌、除藻,还未有小檗碱用于杀虫剂的相关登记。但有研究报道,小檗碱对小菜蛾等鳞 翅目害虫具有较强的拒食作用,可能通过影响害虫体内的超氧化物歧化酶等和代谢相关的酶活性,进而使害虫死亡。研究发现,小檗碱类乙醇提取物对小菜蛾、菜青虫幼虫有较好的拒食效果,拒食率超过60%。此外,小檗碱对朱砂叶螨具有毒杀作用,药后3d对朱砂叶螨的防效超过75%,盐酸小檗碱对甘蓝蚜虫有一定拒食和毒杀活性。这说明小檗碱具有开发杀虫剂的潜力和价值。
3.2 雷公藤碱
雷公藤碱是从卫矛科植物雷公藤根皮中提取的雷公藤吉碱、雷公藤次碱等生物碱的总称(图2),对桃蚜及多种鳞翅目害虫均有拒食、胃毒及麻痹作用,但无触杀和熏蒸作用。雷公藤生物碱制剂对5龄菜青虫和3龄小菜蛾的室内毒力试验表明,该制剂对这2种鳞翅目害虫均有较好的毒杀效果,药后72h的致死中浓度(LC50) 分别为20.35、44.62mg/L。雷公藤生物碱对5龄菜青虫的拒食中浓度(AFC)为275.53mg/L,对黏虫各龄幼虫均有较强的拒食作用。同时,有研究数据表明,将雷公藤提取分离得到的几种物质进行室内药效试验测定分析发现,部分雷公藤生物碱对小菜蛾没有毒杀作用。因此开展雷公藤生物碱活性成分研究时还需进一步对生物碱进行纯化,明确活性物质组分。
3.3 百部碱
据相关文献统计发现百部碱种类超过100种,分布于百部科植物中,有原百部碱、对叶百部碱等 (图2)。目前百部碱已应用于农业中防治多种害虫,具有拒食和触杀活性,但具体的作用机理尚未明确。有研究发现利用正己烷从直立百部根中提取的生物碱对玉米象、赤拟谷盗具有较好的触杀和拒食活性。
3.4 番茄碱
番茄碱(图2)是来源于番茄中的一类甾体生物碱糖苷,对棉铃虫等农业害虫有一定的胃毒作用。用番茄碱饲喂棉铃虫后,虫体内的钙调蛋白含量下降,从而抑制棉铃虫的生长发育并降低其存活率。
同时,番茄碱对环核苷酸磷酸二酯酶、乙酰胆碱酯酶的生物活性有一定的影响,从而抑制害虫的正常生长,使之存活率下降。但番茄碱对其他害虫是否有相似的作用效果尚未明确,有待于进一步开展相关研究。
3.5 喜树碱
喜树碱(图2)是存在于蓝果树科植物喜树中含量最高的一种喹啉类生物碱,另外喜树中还含有喜树次碱、羟基喜树碱、甲基喜树碱等多种生物碱。喜树碱粗提物对小菜蛾有明显的拒食、胃毒作用,可抑制小菜蛾3龄幼虫的生长发育,且对其成虫也有明显的产卵趋避效果。而喜树叶、果乙醇提取物还具有卵孵化抑制作用,处理浓度超过31.25mg/L时能显著延长虫卵的卵期,降低1龄幼虫的存活率。
3.6 牛心朴子生物碱
牛心朴子生物碱是从牛心朴子草中提取的一大类生物碱的总称,以7-脱甲氧基娃儿藤碱等成分为主,但其化学结构式目前还不明确。据文献报道牛心朴子不同部位提取的总生物碱对小菜蛾和枸杞蚜虫(Aphis sp.)均有明显的触杀作用,而地上部分提取的生物碱对这2种害虫的药效更好；从总生物碱分离出的单体生物碱对小菜蛾有较强的拒食活性,但胃毒活性较弱。
3.7 辣椒碱
从辣椒果实中提取的一大类辣椒碱类物质,包 括辣椒碱(图2)、二氢辣椒碱、降二氢辣椒碱等近10种生物碱。辣椒碱具有拒食和产卵忌避活性,能抑制小菜蛾体内与神经传导有关的Na+、K+-ATP酶的活性导致其死亡,从而减少小菜蛾的发生。另外, 辣椒碱与烟碱复配使用对低龄菜青虫和菜蚜有较好的防效,可在田间推广使用。
3.8 乌头生物碱
乌头生物碱是从毛茛科植物乌头的子根提取的一大类生物碱,又称为附子生物碱,包括乌头碱、次乌头碱、中乌头碱等(图2)。附子生物碱对小菜蛾有较强的产卵忌避活性,也有一定的拒食和抑制生长发育的生物活性,但胃毒作用较弱。北乌头生物碱处理菜青虫可使其提前化蛹,形成畸形蛹。
3.9 其他生物碱
据相关文献报道,唐古特莨菪碱、蛇根碱、金鸡纳碱、长春生物碱、天芥菜碱、毒扁豆碱等(图2) 对农业害虫或卫生害虫有一定的拒食、触杀、抑制生长或杀卵作用,但这些植物源生物碱具体的作用机理或作用途径还有待深入研究,能否在农业上进行应用还需开展相应试验,因此生物碱类杀虫剂的开发研究还任重道远。
4 植物源杀虫剂发展现状及展望
4.1 植物源杀虫剂产品开发面临的挑战
目前,植物源杀虫剂产品在应用推广方面仍然面临一定的问题。在产品研发端,我国目前实现人工种植的药用植物仅几十种,且大多药用植物只能在特定环境及气候下生长。如用于提取长春生物碱抗癌成分的长春花目前仅用于医药及科研。这类药用植物种植面积小且种植难度较大,高额的原材料生产成本严重限制了其在农业领域的运用。而目前已实现产业化的部分高活性母药提取原材料在国内属于冷备药材,尚未形成规模化的人工种植及产业化种植标准。同时,各主产地因自然环境、细分品种差异导致其活性物质含量不同,容易造成产品生产成本的波动。因此,对于优异的野生药用植物品种,企业可在主产区逐步形成稳定的供销关系, 鼓励当地对野生药材进行人工干预生长提高产量或 尝试进行集中种植管理。
其次,部分植物生物碱稳定性相对较差、毒性低,这就给产品制剂开发提出了更高的要求。所以, 在产品剂型选择和制剂结构设计中必须更多从主成分稳定性、作物安全性、提高活性分子生物利用度、耐雨水冲刷性及缓释效果等多角度出发,增强植物源杀虫剂的产品竞争力。
而在产品应用端,植物源杀虫剂施用成本相较化学农药不具有优势,杀虫谱相对较窄,现阶段还无法完全替代化学农药。在防控药剂选择上,可以选用植物源农药搭配化学药剂的方式,在达到良好综合防治效果的同时减少化学药剂的用量。
现阶段,我国的杀虫剂市场份额广阔且呈上升趋势。截至2022年5月,我国有效期内登记的农药产品共41614种,其中杀虫剂产品17604种,而登记在案的植物源杀虫剂产品仅14种。目前经文献报道有效的植物源生物碱类、萜类或黄酮类等杀虫成分,多因有效成分含量低、提取成本过高、企业提取设备和技术落后及工业废水处理困难等问题难以实现产业化。
已产业化的植物源杀虫剂多为水剂或可溶液剂,主要针对蚜虫、小菜蛾、红蜘蛛等靶标,有效成分在自然环境中降解快,不易产生药剂残留。同时,绝大部分已登记植物源杀虫剂品种属于低毒,对作物及天敌生物安全,环境危害小。部分神经毒素类生物碱对靶标具有良好的击倒作用,通常能够表现出比化学药剂更好的速效性和更短的起效时间。植物提取物未经过分离纯化,包含多种活性成分以及氨基酸、多糖类有益物质,害虫抗药性形成周期长,还对作物生长有一定的促进作用。植物源 杀虫剂的这些优势特征符合国家大力推广高效低毒低残留农药,逐渐替代高毒高残留农药,利用生物技术逐步替代传统化学技术的发展战略。
4.2 展望
我国植物资源品种丰富,有文献记载的药用植物达12000余种,其中具有杀虫活性和开发潜力的超过2000种,目前仍有大量存在于植物中的生物碱类、萜类、黄酮类、精油类等有效成分具有开发成植物源杀虫剂的潜力。筛选出全新、高效、安全的有效杀虫成分拥有广阔的应用价值。在此基础上,企业也应当持续优化植物原材料的分离纯化工艺,积极对生产设备进行智能化改造,尽量减少有机溶剂的使用,提高目标产物收率,降低生产成本,减少环境污染。
同时,生物合成技术的高速创新也将推动植物源杀虫剂的发展。日本三井化学公司已使用生物合成技术生产黄连素并成功实现产业化。紫杉醇、紫草素、人参皂苷等也利用该技术实现了产业化并应用于医药行业。生物合成技术的实施能够有效解决原材料资源短缺的问题,避免珍稀野生药用植物资源过度采伐的风险。