植物源農藥研究進展

    在中國，由於化學農藥的濫用導致（zhì）40種以（yǐ）上的主要（yào）農作物的病原微生物和害蟲產生抗（kàng）藥性、生態環境惡化、生物（wù）多樣性水平降低等一係列問題，而且傳統化學農藥往往含（hán）有對人畜有害的成分（fèn），以植物體內對病原菌具有拮（jié）抗性的化學物質（zhì）為（wéi）主要（yào）成分的植物源農（nóng）藥，因其具（jù）有低毒、低殘留、對非靶標（biāo）生物及環境安全（quán）的特點（diǎn）而越來（lái）越（yuè）受到重視。據研究，常用植物源農藥有（yǒu）生物堿類化合物、黃酮（tóng）類化合物、萜類（lèi）化（huà）合物、揮發油等，不同類型的化合物具（jù）有不同的骨架結（jié）構，根據化合物（wù）特性的的不同，選擇不同方式進行提取，不同的（de）化合物也（yě）具有不同的抑菌（jun1）及提高植（zhí）物抗氧化力等生理特（tè）性。本文綜述了植物源農藥中常見活性成（chéng）分（fèn）的結構表征、提取方式及其抑菌研究進展（zhǎn），旨為植物源農藥的開發提供技術支撐。
一、植物（wù）源農藥（yào）常（cháng）用（yòng）的活性提取物

1.生（shēng）物堿類化合物
 
    目前已發現的21,000多（duō）種生物（wù）堿類化（huà）合物，多分布在茄科植物的種、果、花、莖等植（zhí）物部位。生物堿類化（huà）合物大（dà）多為環狀結構，氮素被包含在碳環內。在抑菌時C1、C2、C9和C10中的羥基（jī）作為取代基（jī）會出現結構取代的情況。生物堿常見類型有異（yì）喹啉類生物堿、喹啉類（lèi）生物堿、吲哚類生物堿（jiǎn）、呱啶類生物堿等，其中（zhōng）N-甲基四氫原小檗（bò）堿、原小檗堿和苯胺類生物（wù）堿的C2和C3的4階碳和亞甲二氧基在提高（gāo）N-甲基四氫原小檗堿的抗病毒、抗菌和抗真菌活性方麵（miàn）起著（zhe）重要作用。當進行生物堿類化合物的（de）結（jié）構優化時（shí），可重點優化生（shēng）物堿的C2和C3的4階碳和（hé）亞（yà）甲（jiǎ）二氧基，從（cóng）而（ér）提高該類（lèi）型化合（hé）物的抑菌效果。
 
2.黃酮類化合物
 
    黃酮類化合物（wù）目前已（yǐ）發現800餘種，屬於植物的次生代謝物質。黃酮（tóng）類的化學結構類型較多，一般以C6-C3-C6的形式為基礎。黃酮類化合物是苯並-γ-pyrone衍生物，當病菌對（duì）其進（jìn）行侵染時，它會根據其側組位置和換位進行（háng）分類；其藥理作用（yòng）主（zhǔ）要是根據它的結構類別、羥基化程度、其他（tā）取代（dài）和（hé）共軛以及聚合程度相互協同合作，其中類黃酮在生物係統中保護作用歸因於它們（men）傳遞氫或電子自由（yóu）基的能（néng）力；而（ér）芳香環上特（tè）殊位置（zhì）的羥（qiǎng）基（jī）能夠（gòu）提高抑菌（jun1）作用。在進行黃酮類化（huà）合物的結構優化時（shí），可先尋找到該物質芳（fāng）香環的羥基，調整其位置，再查看該羥基在新位（wèi）置上與它（tā）的結構（gòu）類別、其他取代和共軛以及（jí）聚合程度互相協作的效果，從而達到整體提高黃酮類化（huà）合物的抑菌效果。

3.萜類化合（hé）物
 
    在（zài）天然產物中，萜類化合物是結構（gòu） 多、結構 大的化合物之一，目前已發現50,000多種。萜類化合物可根據異戊二烯進行分類（lèi），即將不同碳數量及組成結構進行線性排列，形成多個異戊二烯單元組成的頭尾相連的異戊二烯聚合體，少（shǎo）部分萜類（lèi）化合物也會（huì）以各種（zhǒng）含氧衍生物的形式存在（zài）。萜類（lèi）化合物主要由甲羥戊酸途徑生成，但也可能來源於2-C-甲基-D-赤蘚糖醇4-磷酸（suān），而缺少（shǎo）吡喃環時，則一般被認為沒有活性，不具備抑（yì）菌（jun1）作用。在進行萜類化合物的結構優化時，可以吡喃環為切入點進（jìn）行研究，來提高萜類化合物的抑菌效果。

4.揮發油
   
    揮發油又稱植物精油，主要來自芳香植物，是脂溶性（xìng）的天然化（huà）合物。植物精（jīng）油成分（fèn）複雜，按化學結構分為芳香族、脂肪族和萜類，其中以萜類成分為主，主要包括（kuò）單帖（tiē）、倍半萜以及醇類、酚類、醚類、醛、酮（tóng）、羧酸和酯等含氧衍生物。揮發油（yóu）的活性可能是由某些小化合物如（rú）香芹酮的存在所致。揮發油所含成分太多（duō），可推測出抑菌作用主要源於它（tā）的組成成分的協同（tóng）作用，並非一種物質的作用。進行結構優化太過複雜。
 
二、活（huó）性物質提取方式
 
    植物會通（tōng）過（guò）自身的代謝功能合成不同的化學物質以及衍生物，這些物質具有抑菌、抗病、抗（kàng）氧化等作用。因此可以根據（jù）不同成分的特性選擇合適提取方式進行成（chéng）分提取（qǔ）。
 
1.生物堿類化合物
 
    在提取生物堿時，生物堿的溶解性能是提取方（fāng）式選擇依據，因此根據不同生物堿在不同溶劑中的溶（róng）解度進行溶劑選擇，在進行親水性生（shēng）物堿的（de）提取時要注（zhù）意溶劑酸堿度的調節。Wei等（děng）將白屈菜粉碎後超聲波提取，固液比為1∶8，提取液為75%乙醇，85%超聲（shēng）頻率提取35 min得到白屈菜紅堿；白屈菜紅（hóng）堿（jiǎn）濃度（dù）為（wéi）1.7×10^-6mg/mL時，抑菌（jun1）活（huó）性（xìng） 高，對番茄枯萎病菌Z0413、黃瓜枯萎病菌Z0418等具有使用量少、抑菌性強的（de）特點。Han等將延（yán）胡索粉（fěn）碎後用正乙烷、乙酸（suān）乙酯、氯仿（fǎng）浸（jìn）提分餾，純化後得到3種異喹啉生物堿脫氫木犀草堿、針刺堿和蟲草堿，3種堿對小麥葉鏽病菌、花椒炭疽病菌均有一定的抑製作用，研究發現C-13和季（jì）銨鹽中（zhōng）甲基的缺失氮原子在抗真菌藥物中起著（zhe）重（chóng）要作用。陳偉等依次使用乙酸、氨（ān）水、正丁醇和（hé）甲醇對馬鈴薯薯芽與薯皮進行粉（fěn）碎（suì）萃取，不斷調節溶劑酸堿度， 後得到馬鈴薯糖苷生物堿；隨著濃度增大，馬鈴薯糖苷（gān）生物堿對枸杞致腐病原菌鐮（lián）孢菌的抑製作用隨之增強，但濃度不能高於0.15 g/mL。周兵等按（àn）照醇-酸水-有機溶劑提取（95%乙醇回流提取2 h後，依次用酸性水溶液和濃氨水進行酸堿處理（lǐ）， 後用氯仿萃取）法對碎米莎（shā）草莖進行總生物堿提取；隨著濃度的（de）增加，總（zǒng）生物堿對水稻稻瘟病菌、油菜菌核病菌（jun1）、番茄早疫病菌（jun1）和楊樹潰瘍病菌的抑製（zhì）作用隨之增加，但對水稻苗（miáo）高有嚴重抑製作用。
因此，在提取生物堿時，不光要根據溶劑極性（xìng）來提取（qǔ）對應的生物堿類化（huà）合物（wù），還要在提取過程中不（bú）斷調節溶劑的酸堿度。不同類型的生物堿（jiǎn）對不同的植物病害有一定（dìng）的（de）抑製作用，總生物堿類化合物不能用（yòng）於水稻田，會影響水稻幼苗（miáo）的生長。

2.黃（huáng）酮類化合物
 
    黃酮類化合物提取的關鍵在（zài）於所提取的黃（huáng）酮類物（wù）質是遊離苷元還是苷類化合物，不同的化合物使用極性不同的溶劑，極性越大的溶劑所提取的極性化合物（wù）含（hán）量會越多，不同極性（xìng）的溶劑（jì）混合提取（qǔ）會出現協同作用。Bartmańska等使用不同極（jí）性的溶劑分別從廢除的啤酒花殘渣中浸提得到7種黃酮類化合物，其中（zhōng）2種為天然黃酮（α,β-二羥基胡蘿卜素和8-丙（bǐng）基柚皮素），提（tí）取黃腐醇含量 多的溶劑是（shì）甲醇＋二氯甲烷；丙酮、乙酸（suān）乙酯、甲醇（chún）的粗提物對鐮刀菌的抑製所差無幾，而亞甲基氯化物則（zé）對灰（huī）黴病菌有較強的抑製作用。EL-Hefny等使用（yòng）乙酸乙酯和（hé）甲醇分別對大黃的根部進行萃（cuì）取（qǔ），分餾（liú）分離後物質用蒸餾水配製成含有黃酮-3-醇和二苯乙烯的藥液，並對田間感染稻瘟菌的小麥進行抑菌試驗；結果顯示，其能顯著抑（yì）製病菌孢（bāo）子的萌發。

3.萜類化合物（wù）
 
    萜類化合物常用的提取方（fāng）式為壓榨（zhà）法、水蒸氣蒸餾法、脂浸潤法（fǎ）、超靈界（jiè）流體萃取法和溶劑提取法。前4種方法可用於提取精油，一般萜類（lèi）提取都（dōu）是根據提（tí）取物質的苷元形式選（xuǎn）擇不同極性、不同沸點的溶（róng）劑。Oludemi等將靈芝 行乙醇回流提取，幹燥後按照提取（qǔ）時間78.9 min、提取溫度90℃、溶劑62.5%乙醇進行熱萃取，得到提取率為（4.9±0.6）%，含量為（435.6±21.1）mg/g的（de）三萜。Popov等研究（jiū）發現，乙酸乙酯（zhǐ）提取白樺醇的純度比（bǐ）95%乙醇提取（qǔ）的白（bái）樺醇純（chún）度高，並且可以在（zài）乙酸乙酯提取完白樺醇之後（hòu），使用水蒸（zhēng）餾法將提取（qǔ）殘渣中的乙酸乙酯回收，形成綠色萃取。Qun等通過使用（yòng）蒸餾（liú）水，保證1∶55 （g/mL）的固液比，在（zài）超聲波-微波輻照功率90Ｗ，提取周期（qī）75 s的條件（jiàn）下對（duì）角果進行三萜類（lèi）化合物提取，得到（dào）16.789 mg/g，與預期相符。

4.揮發油
 
    揮發油 常見的成分（fèn）就是單帖及倍半萜，因此提取精油時（shí）常用水蒸氣法和超臨（lín）界流體萃（cuì）取法。Bammou等通過水精蒸（zhēng）餾裝（zhuāng）置對蚤草屬進行水蒸氣蒸（zhēng）餾，提（tí）取精油對尖孢鐮刀菌有一定的（de）抗性。Shukla等使用超臨界CO₂對幹薑進行多分離器在線（xiàn）分餾，CO₂回收率為96.15%。工業生產中的工藝優化（huà）及其驗證標度單（dān）位表明，超臨（lín）界CO₂萃取和同步萃取分餾可用於一（yī）係列天然生物活性化合物，如維生素、必需脂肪酸。Agha等采用二維氣相色譜法和簡易氣（qì）相色譜法（fǎ）對天竺葵提取揮發（fā）油的化學成分進行檢測，揮發油的主要成分是香（xiāng）茅（máo）醇、香葉醇和芳樟（zhāng）醇。揮發（fā）油也多用於果蔬保鮮及美妝行業（yè）中，所以使用超臨界CO₂作為萃取劑，既價格低廉，又無殘留，且不破壞化合物結構。在（zài）提取各類化合物時（shí），除了根據（jù）不同提（tí）取物質選擇不同極性的溶劑外，可以采用（yòng）微波輔助提取或超（chāo）聲波輔（fǔ）助提取方式。對比（bǐ）傳統的溶劑提取法，通過超聲或微波產生切向力（lì），使溶劑滲入，加速有效（xiào）成分進入提取溶劑中，從而提（tí）高提取率，且不降低（dī）提取物的（de）活性。郭孝武分別使用超聲波輔助提取法、回流提取法（fǎ）、浸提法對益（yì）母（mǔ）草的（de）總生物堿（jiǎn）進行提取（qǔ），發現超聲波（bō）輔助提取法的提取率較其他2種（zhǒng）方法要高，且未改變提取物（wù）的化學結構。
 
三、活性物質抑（yì）菌機製（zhì）

1.生物堿類化合物
 
    生物堿類化合物可以在需要保（bǎo）護的細胞上形成一層保護膜，從而減少其他病菌對細胞的破壞。Zhao等使用異喹啉生物堿對稻瘟病菌進行抑製試驗，結果（guǒ）表明，菌絲體彎曲、崩解，細胞膜完整性受損，同時還（hái）抑製菌絲的活性氧生成，破壞了菌（jun1）絲的膜（mó）功能和細胞（bāo）增殖（zhí）。
對（duì）於病菌抑製，生（shēng）物堿類化合物可對病菌細胞（bāo）基因及酶類進行影響，或者對細胞膜（mó）、菌絲生長形態造成影響，從而達（dá）到抗病的作用（yòng）。

2.黃酮類化合物（wù）
 
    黃酮類化合物的抗病性（xìng）可能是非特異性的，通過（guò）黃酮（tóng）類化合物的抗氧化性，使致病菌因缺氧而失（shī）去活性，影響生物膜的形成、膜的通透（tòu）性等生（shēng）理特性，影響某些酶對細胞（bāo）質的抑製。Rachmawaty等對幹燥的可（kě）可果進行粉碎後使用7∶3的丙酮水溶液浸提3次，得到黃酮類化合物，發現（xiàn）其對尖孢（bāo）菌的孢子有強烈的抑製作用。Chen等研究發現黃芩素（sù）在32和64μg/mL時對病（bìng）菌具有下調群體感應係統調節因子及基因細胞間粘附素在生物膜中的（de）表達生產細胞的能（néng）力。
 
3.萜類化合物
 
    萜類化（huà）合物對真菌的抑製（zhì）作（zuò）用主要表（biǎo）現在對真菌菌絲的生長抑製，使其尖端膨脹、分支形成孢子梗或使菌絲斷裂，對細胞造成破壞以及對真（zhēn）菌細胞蛋白的下調。楊婷（tíng）等（děng）對13種萜類化合物進行抑菌篩選，其中，香芹酚、丁香酚（fēn）、異丁香酚、枯茗醛（quán）、百裏香酚對孢炭疽菌的 佳抑製濃度為50μg/mL。Alexa等對（duì）丹參和百裏香分別進行（háng）萃取，得到γ-鬆油烯和ｐ-百裏香酚，兩者混合對禾穀鐮刀菌有一定的抑製協同（tóng）作用。丁蘭（lán）等（děng）從香（xiāng）茶菜屬中分離出（chū）4種萜類物質（leukamein E、weisiensin B、熊果酸和2-α-羥基熊果酸），並考察（chá）幾種物質對蝴蝶蘭莖腐病中（zhōng）分離（lí）出的鐮孢屬真菌的（de）抑製活性；發現真菌的菌絲簡短膨大成（chéng）為囊泡，出現斷裂，逐（zhú）漸（jiàn）變為（wéi）空泡；菌絲體細胞膜結構被（bèi）嚴重破壞，且大大改變了其通透性。


4.揮發油
 
    揮發油是（shì）通過精油及其組分對細胞膜造成破壞，增大膜的通透性，致使（shǐ）細胞內的物質泄（xiè）漏，或直接破壞病菌的（de）酶係統，致其死（sǐ）亡。Moghaddam等發現（xiàn）從山羊草種子中（zhōng）提取的精油對（duì）青（qīng）枯病菌（jun1）有較強（qiáng）的抑製活性，能夠顯著抑製菌絲的（de）生長。Yu等考察從茶樹中（zhōng）提取的精油對灰黴（méi）病菌的抑製活性，研究發現精油中的α-鬆油醇、1,8-桉葉（yè）素混合後能穿透病菌細胞，破壞細胞器而不影響細胞膜透（tòu）性。相比之下，鬆（sōng）油烯破壞了膜的完整性，增加了膜的通透性，導致離子滲漏和膜功能障礙。
 
四、展望
 
    目前研究人員對各類植物源化合物已有（yǒu）一定的研究，但不同類型化合物的生物功能和生態化學功能尚未被充分研究，例如化合（hé）物在植物體內代謝過程、所具有的功能，以及在生態環境（jìng）中的存在形式與歸宿途徑等。
 
    在提取工藝中，不僅要（yào）考慮優化工藝增加物質提取率（lǜ）或提取（qǔ）出其他物質類型，還要（yào）考慮提取（qǔ）成本，以及商業生產的經（jīng）濟性，是否適用於工廠批（pī）量化生產。例如將許多高質量的（de）有價值的（de）化合物被一個單一的步驟回收，從（cóng）某種低廉的植物中得到大量高質量的化合物等。對於植物源農藥，所需化合物的活性篩選仍然（rán）是新農藥開發（fā）的關鍵步驟（zhòu），具有較高活性（xìng）的化合物可以（yǐ）直接（jiē）開發為新藥。化合物（wù）的結構對於（yú）抑菌活性有著重要影響，因此可（kě）以將（jiāng）“組（zǔ）學”技術與分子網絡（luò）藥理學（xué）相結合，在原物質結構的基礎上進行結構修飾，合成具有（yǒu）高效抑菌能力的新物質。
 
來源：《黑龍江農業科學》2021年第7期
作者：淮陰工學院生命科學與食品工程學（xué）院  於忻瀅  張國良  範鬆  黃誌煒（wěi）  張葉