植物源農藥研究進展（zhǎn）

    在中國，由於化學農（nóng）藥的濫用導致40種以上的主要（yào）農作物的病原微生（shēng）物和害蟲（chóng）產生抗（kàng）藥性、生態環境惡化（huà）、生物多樣性水平降低等（děng）一係列問題，而且傳統化學農藥往往（wǎng）含有對人畜有害的（de）成分，以植物體（tǐ）內對（duì）病原菌具有拮（jié）抗性的化學物（wù）質為主要成分的植物源（yuán）農藥，因其具有低毒、低殘留、對非靶標（biāo）生物及（jí）環境安全的特點而越來越受到重視。據研究，常用（yòng）植物源農藥有生物堿類化合物、黃酮類化合物、萜類化（huà）合物、揮發油等，不同類型的化（huà）合物具有不同的骨架結構，根據化合物特性的的不同，選擇不同方式進行提取，不同的化合物也具有不同的抑菌及提高（gāo）植物抗（kàng）氧化力等（děng）生理特性（xìng）。本文綜述（shù）了植物源農藥（yào）中常見活性成分的結構表征、提取方式及其抑菌研究進展，旨為植物源農藥的開發提（tí）供技術支撐。
一、植物源農藥常（cháng）用的（de）活性（xìng）提取物

1.生物堿類化合物（wù）
 
    目前已發（fā）現的21,000多種生物堿類化合物，多分布在茄科植（zhí）物的種、果、花、莖等植物部位。生物堿類化合物大多為環狀結構，氮（dàn）素（sù）被包含在碳環內。在抑（yì）菌時C1、C2、C9和C10中的羥（qiǎng）基作（zuò）為取代基會出現結構取代的情況（kuàng）。生物堿常見類型有異喹啉（lín）類生物堿、喹啉類生物堿、吲哚類生物（wù）堿、呱啶類生物堿等（děng），其中N-甲基四氫（qīng）原小（xiǎo）檗堿、原小檗堿和苯胺類生物堿的C2和C3的4階碳（tàn）和亞甲二氧基在提高N-甲基四氫原小檗堿的抗（kàng）病毒、抗菌（jun1）和抗真菌活性方麵起著重要作用。當進行生（shēng）物堿類（lèi）化合物的結構優（yōu）化時，可重點（diǎn）優化（huà）生物堿（jiǎn）的C2和C3的4階（jiē）碳和亞甲二氧基，從而提高該類型化合物的抑菌效果（guǒ）。
 
2.黃酮類化合物
 
    黃酮類化合物目前已發現800餘（yú）種，屬於（yú）植物的（de）次生代謝物質。黃酮類的化學結構類型較（jiào）多，一般以C6-C3-C6的形式為基礎。黃酮類化合物（wù）是苯並-γ-pyrone衍生物，當病菌對其進行侵染時，它會根據其側（cè）組位置和換位進行分類；其藥理作用主（zhǔ）要是根據它的結構類別、羥基化程度、其他取代和共軛以及聚合程度相互協同合作，其中類黃酮在生（shēng）物係統中保護作用（yòng）歸因於它們傳遞氫或電（diàn）子自（zì）由基（jī）的能力；而芳香環上（shàng）特殊位置的羥基能夠提高抑菌（jun1）作用。在進行黃酮類化合物的結構優化時，可先尋找到該物質芳（fāng）香環的羥基，調整（zhěng）其位置，再查看該羥基在新位置上（shàng）與它的結構類別、其他取代和共軛以及聚合程度互相協作的效果（guǒ），從而達到整（zhěng）體提（tí）高（gāo）黃酮類化（huà）合物的抑菌效（xiào）果。

3.萜類化合物
 
    在天然產物中，萜類化（huà）合物是結構 多、結構 大的化（huà）合物之一，目前已發現（xiàn）50,000多種。萜類化合物可根據異戊二烯進行分類，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（èr）烯單元組成（chéng）的頭尾相連的異戊二烯（xī）聚（jù）合體，少部分萜（tiē）類化合物也（yě）會以各種含氧衍生物（wù）的形式存在。萜類化合物主（zhǔ）要由甲（jiǎ）羥戊酸途徑（jìng）生成，但也可能來源於2-C-甲基-D-赤蘚糖醇4-磷酸，而缺少吡喃環時，則一般被認為沒有活性，不具（jù）備（bèi）抑菌作用。在進行萜類化合物的結構優化時，可以吡喃（nán）環為切入點進行研究，來提高萜類化（huà）合物的抑（yì）菌效果。

4.揮發油
   
    揮發油又稱植物精油，主要來自芳（fāng）香植物，是（shì）脂溶性的天然化合物。植物精油成分複雜，按化學結構分（fèn）為（wéi）芳香族、脂肪族（zú）和（hé）萜類，其中以萜類成分為主，主要包括單帖、倍半萜以及醇類、酚類、醚類、醛、酮、羧（suō）酸和酯等含氧（yǎng）衍生（shēng）物。揮發油的活性可能是由某些小化合物如香芹酮（tóng）的存在所致。揮（huī）發油所含成分太多，可推測出抑菌作用主要源於它的組成成分（fèn）的協同作用，並非一種物質（zhì）的作用。進（jìn）行結構優化太過複（fù）雜。
 
二、活性物質提取方式
 
    植物會通過自身的代謝功能合成不同的化學（xué）物（wù）質以及衍生物，這些物質具有抑菌（jun1）、抗（kàng）病（bìng）、抗氧化等作用。因此可以根據不同成分的特性選擇合（hé）適提取方式進行（háng）成分提取。
 
1.生物堿類化合物
 
    在提取生物堿（jiǎn）時，生物堿的溶解性能是提取方式選（xuǎn）擇依據，因此根據不同生（shēng）物堿在不同溶劑中的（de）溶解度進行溶劑（jì）選擇，在進行親（qīn）水（shuǐ）性生物堿的提取時要注意（yì）溶劑酸堿度的調節。Wei等將白屈菜（cài）粉碎後（hòu）超聲波提取，固液比為（wéi）1∶8，提取液為（wéi）75%乙醇，85%超聲頻率提取35 min得到白屈菜紅堿；白屈菜紅堿濃度為1.7×10^-6mg/mL時（shí），抑菌活性 高（gāo），對番茄枯（kū）萎病菌Z0413、黃瓜枯萎病菌（jun1）Z0418等具有使用量少、抑菌性強的特（tè）點。Han等將延胡索粉碎後用正乙烷、乙酸乙酯、氯仿浸提分（fèn）餾，純化後得到3種異喹啉生物堿（jiǎn）脫氫木（mù）犀草堿、針刺堿和蟲草堿，3種堿對（duì）小（xiǎo）麥葉鏽病菌、花椒炭疽病菌均有一定的抑製作用，研究（jiū）發現C-13和季銨鹽中甲基的缺失氮（dàn）原子在抗真菌藥物中起著重要作用。陳偉（wěi）等依次使用乙酸、氨水、正丁醇和甲醇對馬鈴薯薯芽與薯皮進行粉碎萃（cuì）取，不斷調（diào）節（jiē）溶劑酸（suān）堿度， 後得到馬鈴薯糖苷生物堿；隨（suí）著濃度增大，馬鈴（líng）薯糖苷生物堿對枸杞致（zhì）腐病原菌鐮孢菌的抑製作用隨（suí）之增強，但濃度不能高於0.15 g/mL。周兵等按照醇-酸水-有機溶劑提取（95%乙醇回流提取2 h後，依次用（yòng）酸性水溶液和濃氨水進行酸堿處理， 後用氯仿萃取）法對碎米莎草莖進行（háng）總（zǒng）生（shēng）物堿提取；隨（suí）著濃度的（de）增加，總生物堿對（duì）水稻稻瘟病菌、油菜菌核病（bìng）菌、番茄早疫病菌和楊樹潰瘍病菌的抑製作用隨之增加，但對（duì）水稻（dào）苗高有嚴重抑製作用。
因此，在提取（qǔ）生物堿時，不（bú）光要根據溶劑極性來提取對應的生物堿類化合物，還要在提取過程中不斷調節溶劑的酸堿度。不同類型（xíng）的生（shēng）物堿對不同的植物病害有一（yī）定的抑製作（zuò）用，總生物堿類化合物（wù）不能用於水稻田，會影響水稻幼苗的（de）生長。

2.黃酮類化合物
 
    黃（huáng）酮類化（huà）合物（wù）提取的關鍵在於所提取的黃（huáng）酮類物質是遊離苷元還是苷類化合物，不同的化合物使用極（jí）性不同的溶劑，極性越大的溶劑所提取的極性化合物（wù）含量會越（yuè）多，不同極性的溶劑混合提取會出現協同作（zuò）用。Bartmańska等使用不同極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（qí）中2種為天然黃酮（α,β-二羥基（jī）胡蘿卜素和8-丙（bǐng）基（jī）柚皮素），提取黃腐醇含量 多的溶劑是甲醇（chún）＋二氯甲（jiǎ）烷；丙酮、乙酸乙酯、甲醇的粗提（tí）物對鐮刀菌的抑製所差無幾，而亞甲基（jī）氯化物則對灰黴病（bìng）菌有較強的抑製作用（yòng）。EL-Hefny等使用乙酸乙酯和甲（jiǎ）醇分別對大黃的根部進行萃取，分餾分離（lí）後物質用蒸餾水配製成含有黃（huáng）酮-3-醇和二苯乙烯的（de）藥（yào）液，並對田間感染稻瘟菌的小麥進行抑菌（jun1）試驗；結果顯示，其能顯著（zhe）抑製病菌孢子的（de）萌發。

3.萜類化合物（wù）
 
    萜類化合物常用的提取（qǔ）方式為壓（yā）榨法、水蒸氣蒸餾法、脂（zhī）浸潤法、超靈界流體萃取法（fǎ）和溶劑提取法。前4種方法可用於提取精油，一般萜類提取都是（shì）根據提取物質的苷元形式選擇不同極性、不同（tóng）沸點的溶劑。Oludemi等將靈芝 行乙醇回流提取（qǔ），幹燥後按照提取時間78.9 min、提取（qǔ）溫度90℃、溶劑62.5%乙醇進行熱萃取（qǔ），得到提取率（lǜ）為（wéi）（4.9±0.6）%，含量為（wéi）（435.6±21.1）mg/g的三萜。Popov等研究發現，乙酸乙酯提取白樺醇的純度比95%乙醇（chún）提取（qǔ）的白樺醇純度（dù）高，並且可以在乙酸（suān）乙酯（zhǐ）提（tí）取完白（bái）樺醇（chún）之後，使用水蒸餾法將提取殘渣中的乙酸乙酯回收，形成綠色萃取（qǔ）。Qun等通過使用蒸餾水，保證1∶55 （g/mL）的固液（yè）比，在超聲波-微波輻照功率90Ｗ，提取周期75 s的條件下（xià）對角果進行三萜類化合（hé）物提取，得到16.789 mg/g，與預期相符（fú）。

4.揮發（fā）油
 
    揮發油 常見的成分就（jiù）是（shì）單帖及倍半（bàn）萜，因此提取精油時常用水（shuǐ）蒸氣法和超臨界流體萃（cuì）取法。Bammou等通過水精蒸餾裝置對蚤草屬進行水（shuǐ）蒸氣（qì）蒸餾，提取精油對尖孢鐮刀菌（jun1）有一定的（de）抗性。Shukla等使用超臨（lín）界CO₂對幹薑進行多分（fèn）離器在線分餾，CO₂回收率為96.15%。工業生（shēng）產中的工藝優化及其驗證標度單位表明，超臨界CO₂萃（cuì）取（qǔ）和同步萃取分餾可用於一係（xì）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相色譜法對天竺葵提（tí）取（qǔ）揮發油的化學成分進行檢測（cè），揮發油（yóu）的主要（yào）成分是（shì）香（xiāng）茅醇、香葉醇和芳（fāng）樟醇。揮發油也（yě）多用於果蔬保鮮及（jí）美妝行業中（zhōng），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，除了根據不（bú）同提取物質選擇不同極性的（de）溶劑外，可以采用微波輔助提取（qǔ）或超（chāo）聲波輔助提取方式。對比傳統的溶劑提（tí）取法，通過（guò）超聲或微波（bō）產生切向力（lì），使溶劑滲入，加速有效成分進入（rù）提取溶劑中，從而提高提取率，且不降低提取物的（de）活性（xìng）。郭孝武分別使用超聲波輔助（zhù）提取法、回流（liú）提取法、浸提法對益母草的總生物堿進行提取，發（fā）現超（chāo）聲波輔助提取（qǔ）法（fǎ）的提取率較其（qí）他2種方法要高，且未改變提取物的化學結（jié）構。
 
三、活性物（wù）質抑菌機製（zhì）

1.生物堿類化合物
 
    生物堿類化合物可以在需要保護的細胞上形成一層保護膜，從而減少其他（tā）病菌對細胞的（de）破壞。Zhao等使用異喹啉生物堿對稻瘟病菌進行（háng）抑製試驗，結果表明，菌絲體彎曲、崩解，細胞膜完整性（xìng）受損，同時還抑製（zhì）菌（jun1）絲的活性氧生成（chéng），破壞了菌絲的膜功能和細胞（bāo）增殖。
對於病菌抑製，生物堿類化合物可對病菌（jun1）細胞基因及酶類進行影響（xiǎng），或者對細胞膜、菌絲（sī）生長形態造成影響，從而達到抗病的作用。

2.黃酮類化合物
 
    黃酮類化合物的抗病性可能是非特異性的，通過黃酮類（lèi）化合物的抗（kàng）氧化性，使致病菌因缺氧而失去活性，影響生物膜的（de）形成、膜的通透性等生理特性，影響某（mǒu）些酶對細胞質（zhì）的抑製（zhì）。Rachmawaty等（děng）對幹燥的可可果（guǒ）進行（háng）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（fā）現其對尖孢菌的孢子（zǐ）有強烈（liè）的抑製作用。Chen等研究發現黃芩素在32和64μg/mL時對病菌具有下調群（qún）體（tǐ）感應係統調節因子及基因細胞間粘（zhān）附素在生（shēng）物（wù）膜中的表達生產細胞（bāo）的能力。
 
3.萜類化合物
 
    萜類化合物對真（zhēn）菌的抑製（zhì）作用主要表現在對真菌菌絲的（de）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菌細（xì）胞蛋白的下調。楊（yáng）婷等對13種萜類化合物進行抑菌篩選，其（qí）中，香芹酚、丁香酚、異丁香酚、枯（kū）茗醛、百裏香酚對孢炭疽菌的 佳抑製濃度為50μg/mL。Alexa等對丹參和百裏香分別（bié）進行萃（cuì）取，得到γ-鬆油烯（xī）和ｐ-百裏香酚，兩者混（hún）合對禾穀鐮刀菌有一定的抑製協同作用。丁蘭等從（cóng）香茶菜屬中分離出4種萜類物質（leukamein E、weisiensin B、熊果酸和2-α-羥基熊果酸），並考察幾（jǐ）種物質對蝴蝶蘭莖腐病中分離出（chū）的（de）鐮孢屬真菌的抑製活性；發現真（zhēn）菌的（de）菌絲（sī）簡短膨大成為囊泡，出現斷裂，逐漸變為空泡；菌絲體細胞膜結構被嚴重破壞，且大大改變了（le）其通透（tòu）性。


4.揮發油（yóu）
 
    揮發（fā）油是通過（guò）精（jīng）油及其組分對細胞膜造（zào）成破壞，增（zēng）大膜的通透性，致使細胞內的物質泄漏，或直（zhí）接破壞病（bìng）菌的（de）酶係統，致其死亡。Moghaddam等發現從山（shān）羊（yáng）草種子中提取的精油對青枯（kū）病（bìng）菌有較強的抑製活性，能（néng）夠顯著抑製菌絲的（de）生長。Yu等考察從茶樹（shù）中提取的精油對灰黴病菌的（de）抑製活（huó）性，研究發現精油中的α-鬆油（yóu）醇（chún）、1,8-桉葉素混合後（hòu）能穿（chuān）透（tòu）病（bìng）菌細胞（bāo），破壞細胞器而不影響（xiǎng）細胞膜透性。相（xiàng）比之下，鬆油烯（xī）破壞了膜的完整性，增（zēng）加了膜的通（tōng）透性，導致離子滲漏和膜功能障礙。
 
四、展望
 
    目前研究（jiū）人員（yuán）對各類植物源化合物已有一（yī）定的研究（jiū），但不同類型化合物的生物功能和生態化學功（gōng）能尚未被充（chōng）分研究，例如化合物在植物體內代謝過程（chéng）、所具有的功能，以及在生態環境中的存在（zài）形式（shì）與歸宿途徑等。
 
    在提取工藝中，不僅要考慮優化工藝增加（jiā）物質提取率（lǜ）或提取出其他物質類型，還要考慮提取成本，以及商業（yè）生產的經濟性，是否適用於工廠批量化生產。例如將許（xǔ）多高質量的（de）有價值的化合物被一個單一的步驟回收，從某種低廉的植物中得（dé）到大量高質量的化合物等。對於植物源（yuán）農藥，所（suǒ）需（xū）化合物的活性（xìng）篩選仍然是新農藥開發的（de）關鍵步驟，具有較高活性的化（huà）合物可以直接開發為新藥。化合物的結構對於抑菌活性有（yǒu）著重要影（yǐng）響，因（yīn）此可以將“組學”技術與分子網絡藥理學相結合，在原物質結構的基礎（chǔ）上進行結構修飾，合成具有高效抑菌能（néng）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（yǔ）食（shí）品（pǐn）工程學院  於忻瀅  張國良  範鬆  黃誌煒  張（zhāng）葉