植物（wù）源農（nóng）藥研（yán）究進展

    在中國，由於化學農藥的濫用（yòng）導致40種以上的主要農作物的病原微生（shēng）物和害蟲產生抗藥性、生態環境（jìng）惡化、生物多樣性水平降低等一係列問題，而且傳統化學農藥往往含有對人畜有害的成（chéng）分，以植物體（tǐ）內對（duì）病原菌具有拮抗性的化（huà）學物質為主要成分的植物源農藥，因其具有低毒（dú）、低殘留、對非靶標生物及環境安全的特點而越來越受到重視。據研究，常用植物源農藥有生物（wù）堿（jiǎn）類化（huà）合物、黃酮類化合物、萜（tiē）類化合物、揮發油等，不同類型的化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（bú）同方式（shì）進行提取，不同的化合物也具有不同的抑菌及提高植物抗氧（yǎng）化力等生理特性。本文綜述了植物源農藥中常見活性成分的結構表征、提取方式（shì）及其抑菌研究（jiū）進展，旨為植物源農藥的開發提供技術支撐。
一、植物（wù）源農藥常用的活性提取物（wù）

1.生物堿（jiǎn）類化合物
 
    目前已發現的21,000多種生物堿類化合（hé）物，多分布在茄科（kē）植物的種、果、花、莖（jīng）等植物部位。生物堿類化合物大多為環狀結構，氮素被包含在碳環內。在抑菌時C1、C2、C9和C10中的羥（qiǎng）基作為取代基會出現結構取代的情況。生物堿常見（jiàn）類型有異喹啉類生物堿、喹啉類生物堿、吲哚類生物堿、呱啶類生物堿等，其中N-甲基四氫原小檗堿、原小檗堿和苯胺類生物堿的C2和C3的4階碳和亞甲二氧基在（zài）提高N-甲基四氫原小檗（bò）堿的抗病毒、抗菌和抗（kàng）真菌活性方麵起著（zhe）重要作用。當進（jìn）行生物堿類化合物的結構優化時，可重（chóng）點優化生物堿的C2和C3的（de）4階（jiē）碳（tàn）和亞甲二氧基，從而（ér）提高該類型化（huà）合物的抑菌效果。
 
2.黃酮類化合物
 
    黃酮類化（huà）合物目前已發現（xiàn）800餘種，屬於植物的次生代謝物質。黃酮類的（de）化學結構類型較多，一般以C6-C3-C6的形式（shì）為基礎。黃酮類化合物是苯並-γ-pyrone衍生物，當病（bìng）菌對其進（jìn）行侵染時，它會根據其側（cè）組位置和換位進行分類；其藥理作用主要是（shì）根據它的結構類別、羥基化程度、其他取代（dài）和共軛以及聚合程度（dù）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傳遞氫或電子自由基的能力；而芳香環（huán）上特殊位置的羥基能夠提高抑菌作用。在進行黃酮（tóng）類化合物的結構優化時，可先尋找到該物質芳香環的羥基，調（diào）整其位置（zhì），再查看該羥基（jī）在新位置（zhì）上（shàng）與它的結構類別、其他（tā）取代和共軛以及聚合程度互相協作的效（xiào）果，從而達到整體提高黃酮類化（huà）合物的抑（yì）菌效果。

3.萜類化合物
 
    在（zài）天然產（chǎn）物中，萜類化合物是結構 多、結構（gòu） 大的化合物之一，目前已發現（xiàn）50,000多種。萜類化合（hé）物（wù）可根據異戊（wù）二（èr）烯進行分類，即將不同碳（tàn）數量及組成結構進行線性排（pái）列，形成多（duō）個異戊二烯單元組成的頭尾（wěi）相連的異戊二烯聚（jù）合體（tǐ），少部分萜類化合物（wù）也會以（yǐ）各種（zhǒng）含氧衍生（shēng）物的形式存在。萜類化合物（wù）主要由甲羥（qiǎng）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，而缺少吡喃環時，則一般被（bèi）認為沒有活性，不具備抑菌作用。在進行（háng）萜類化合物（wù）的結構優化時，可以（yǐ）吡喃環為切入點進行研究，來提高萜類化合物的抑菌效果。

4.揮（huī）發油
   
    揮發油又稱植物精（jīng）油，主要來自芳香植物，是脂溶性的天然化合物。植物精油成分複雜，按化學結構分為芳香（xiāng）族、脂肪族和萜類，其中以萜類成（chéng）分為主，主要包括單帖、倍半（bàn）萜以及醇類、酚類、醚類、醛、酮、羧酸和酯等含氧衍（yǎn）生（shēng）物。揮發油的活性可能是（shì）由某些小化合物如香芹酮的存在所（suǒ）致（zhì）。揮發油所含成分太多，可推測出（chū）抑菌作用主要源於它的組成成分的（de）協同作（zuò）用，並非一種物質的（de）作用（yòng）。進行結構（gòu）優化太過複雜。
 
二、活性物質提取方式
 
    植物（wù）會通過自身的代（dài）謝功能合成不同（tóng）的化學物質以及衍生物，這些物（wù）質具（jù）有（yǒu）抑菌、抗病（bìng）、抗氧化等作用。因（yīn）此可以根據不同成分（fèn）的特性選（xuǎn）擇合適提取方（fāng）式進行成分提取。
 
1.生物堿類化合物
 
    在提取生物堿時，生物（wù）堿的溶解性能是提取方式選擇依據，因此根（gēn）據不同生物堿在（zài）不同溶劑中的溶解度進行溶劑選擇，在進行親（qīn）水性生物堿的提取時要注意溶劑（jì）酸堿度的調（diào）節（jiē）。Wei等將白屈菜粉（fěn）碎後超聲波提取，固液比為1∶8，提取（qǔ）液為（wéi）75%乙醇，85%超聲頻率提（tí）取35 min得到白屈菜紅堿（jiǎn）；白屈菜紅堿濃度為1.7×10^-6mg/mL時，抑菌活性 高，對番茄枯（kū）萎病（bìng）菌（jun1）Z0413、黃瓜枯萎病菌Z0418等具（jù）有使用量少、抑菌性（xìng）強的（de）特點。Han等將延胡索粉碎後用正乙烷、乙酸乙酯、氯仿浸提分餾，純化（huà）後得到（dào）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（xiǎo）麥葉鏽病菌、花椒炭疽病菌均有一定的抑製作（zuò）用，研究發現（xiàn）C-13和季銨鹽中甲基的缺失氮原子在抗真（zhēn）菌藥物中起著重要作用。陳偉等依次使用乙酸、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，馬鈴薯糖苷生物堿對枸杞致腐病原菌（jun1）鐮孢菌的抑製作用隨之增強，但濃度不能高於0.15 g/mL。周兵等按照醇-酸（suān）水-有機溶（róng）劑提取（95%乙（yǐ）醇回流（liú）提取2 h後，依次用酸性（xìng）水溶（róng）液和濃氨水進行酸堿處理， 後用氯仿萃取）法對（duì）碎米莎草莖進行總生物堿提取；隨著濃度的（de）增加，總生物堿對水稻稻瘟病（bìng）菌、油菜菌（jun1）核病菌、番茄早疫病（bìng）菌和楊樹（shù）潰瘍病菌的抑（yì）製作用隨之增加，但對水稻苗高有嚴重抑製作用。
因此，在提取生物堿時，不光要根據溶劑極性來提取對應的生物堿類化合物（wù），還要在（zài）提取過（guò）程中不斷調節溶劑的酸堿度。不同類型的生物堿對不同的植物病害有一（yī）定的抑製作（zuò）用（yòng），總生物堿類（lèi）化合（hé）物不能用於水稻田，會（huì）影響水稻幼苗的生長。

2.黃酮類化合物
 
    黃酮類化（huà）合物提取的關鍵在於所提取的黃酮類（lèi）物質是（shì）遊離苷元還（hái）是苷類化（huà）合物，不同的化合（hé）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含量會越多，不同極性（xìng）的溶劑混合提（tí）取會出現協同作用。Bartmańska等使用不同極（jí）性的溶劑分別從（cóng）廢除的啤酒（jiǔ）花殘渣中浸提得到7種黃酮類化合物，其中2種為天然黃酮（α,β-二（èr）羥基胡蘿卜素和8-丙（bǐng）基柚皮素），提（tí）取黃（huáng）腐醇（chún）含量 多的（de）溶劑是甲醇＋二氯甲（jiǎ）烷；丙酮、乙酸乙酯、甲醇的粗提物對鐮刀菌的抑製所差無幾，而亞甲基氯化物（wù）則對灰黴病菌有較強的抑製作用。EL-Hefny等使用乙酸乙酯和甲醇分別對大（dà）黃的根部進行萃取，分（fèn）餾分離（lí）後物質（zhì）用蒸餾水配製成含有黃酮-3-醇和（hé）二苯（běn）乙烯的（de）藥液，並對田間感染稻瘟菌的小麥進行（háng）抑菌試（shì）驗；結果顯示，其能顯著（zhe）抑製病菌孢子的萌發。

3.萜類化合物
 
    萜類化合物常用的提取方式為壓榨法、水蒸氣蒸餾法、脂浸潤法、超靈界流體萃取（qǔ）法（fǎ）和溶劑（jì）提取法（fǎ）。前4種方法可用於提取精油，一般萜類提（tí）取都是根據提取物質的苷元形式選擇不（bú）同極性、不（bú）同沸點的溶劑。Oludemi等將靈芝 行乙醇回流提（tí）取，幹燥後按照提取時間78.9 min、提取溫度90℃、溶劑62.5%乙醇進行熱萃取，得（dé）到提取（qǔ）率為（4.9±0.6）%，含量為（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%乙醇提取的白樺醇純度高，並且可以在（zài）乙酸乙酯提取（qǔ）完白樺醇（chún）之後，使用水（shuǐ）蒸餾法將提取殘渣中的乙酸乙酯（zhǐ）回收，形成綠色萃取（qǔ）。Qun等通過使用蒸餾水，保證1∶55 （g/mL）的固液比，在超聲（shēng）波-微波輻照功率90Ｗ，提取周期75 s的條件下對角果進行三萜類化合物提取，得到16.789 mg/g，與預期相符。

4.揮發油
 
    揮發油 常見的成分就是單帖及倍半萜，因此提取精油時常用水蒸氣法和超臨界流體萃取法。Bammou等通過水精蒸餾（liú）裝（zhuāng）置對蚤草屬進行（háng）水蒸氣蒸餾，提（tí）取精油對尖孢鐮刀菌有一定的抗性。Shukla等（děng）使用超臨界CO₂對幹（gàn）薑進行多分離（lí）器在線分餾，CO₂回收率為96.15%。工業生產中的工藝優（yōu）化（huà）及其驗（yàn）證標度（dù）單位表明，超臨界CO₂萃取和同（tóng）步（bù）萃取分餾可用於一（yī）係列天然生物活性化合（hé）物，如維生（shēng）素、必需脂肪酸。Agha等采用二維氣相色譜法和簡易（yì）氣相色譜法對天竺（zhú）葵提取揮（huī）發（fā）油的化學成分進行（háng）檢測，揮（huī）發油的主要成分（fèn）是（shì）香茅醇、香葉醇和芳樟醇。揮（huī）發油也多用於果蔬保（bǎo）鮮及美妝行業中，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。在提取各類化合物時，除了根據不同提取物質選擇不同極性的溶劑（jì）外，可以采（cǎi）用微波輔助提（tí）取或超聲波輔助（zhù）提（tí）取方式。對比（bǐ）傳統的溶劑提取法，通過超（chāo）聲（shēng）或（huò）微波產生（shēng）切向力，使（shǐ）溶劑滲入，加速有效成分（fèn）進（jìn）入提取（qǔ）溶劑中，從而提高提（tí）取率，且不降低（dī）提取（qǔ）物的活性。郭（guō）孝武分別使（shǐ）用超聲波輔（fǔ）助提取法、回流提取法、浸提法對益母（mǔ）草的總生物堿進行提取，發現超聲波輔助提取法的（de）提取率較其他2種方法要高，且（qiě）未改變提（tí）取物的化學結構。
 
三（sān）、活性物質（zhì）抑菌機製

1.生物（wù）堿類化（huà）合物
 
    生物堿類化合物可以（yǐ）在需要保護的細胞上（shàng）形成一層保護膜（mó），從而減少其他病菌對細胞（bāo）的破壞。Zhao等（děng）使用（yòng）異（yì）喹啉生物堿對稻（dào）瘟病菌進行抑製試驗，結果表明，菌絲體彎曲、崩解，細胞膜完整性受損，同（tóng）時還（hái）抑製菌絲（sī）的活性氧（yǎng）生成，破壞了菌（jun1）絲的膜功能和細胞增殖。
對於病菌抑製，生物堿類化合（hé）物可對病菌細胞基因及酶類進行影響，或者對細胞膜、菌絲生長形態造成影響，從而達到抗（kàng）病的作（zuò）用。

2.黃酮類化合物
 
    黃（huáng）酮類（lèi）化合物的抗病性可能是非特異性的，通過黃酮類化合物的抗氧化性，使致病菌因缺氧（yǎng）而失去活性（xìng），影（yǐng）響生物（wù）膜的（de）形成、膜的通透性等（děng）生理特性，影響某些酶對細胞質的抑製（zhì）。Rachmawaty等（děng）對幹燥的可（kě）可果（guǒ）進行粉（fěn）碎後使用7∶3的丙酮（tóng）水溶液（yè）浸（jìn）提3次，得到黃酮類化（huà）合物，發現其對尖孢菌的孢子有強烈的抑製作用。Chen等研（yán）究發（fā）現黃芩（qín）素在32和64μg/mL時對病菌（jun1）具有下調群體感應係統調節因子及基因細（xì）胞間（jiān）粘附素在生物膜（mó）中（zhōng）的（de）表達生產細胞的能（néng）力。
 
3.萜類化合（hé）物
 
    萜類化合物對真菌的抑製作用主要表現在對真菌菌絲的（de）生長抑製（zhì），使其尖端膨脹、分支形成孢子（zǐ）梗或（huò）使菌（jun1）絲斷裂，對（duì）細胞造成破壞以及對真菌細胞蛋白的下（xià）調。楊婷等對13種萜類化合物進行抑菌篩選，其中（zhōng），香芹酚、丁（dīng）香酚、異丁香酚、枯（kū）茗（míng）醛、百裏香酚對孢炭疽菌的 佳抑製（zhì）濃度為50μg/mL。Alexa等對丹參和百（bǎi）裏香分別進（jìn）行萃取，得到γ-鬆油烯和ｐ-百裏香（xiāng）酚（fēn），兩者混合對禾穀鐮刀菌有一定的抑製協同作用。丁蘭等從香茶菜屬中分離出4種萜（tiē）類物質（leukamein E、weisiensin B、熊（xióng）果酸和（hé）2-α-羥基熊果酸），並考察（chá）幾種物（wù）質（zhì）對蝴蝶蘭莖腐病中分離出的鐮孢屬真菌的抑製活性；發現真菌的菌絲簡短膨大成為（wéi）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（huài），且大大（dà）改變了其通透性。


4.揮（huī）發油
 
    揮發油是通過精油及其組分（fèn）對細胞膜造成（chéng）破（pò）壞，增（zēng）大膜（mó）的通透性（xìng），致使細（xì）胞內的物質（zhì）泄（xiè）漏，或直接（jiē）破壞病菌的酶係統，致其死亡。Moghaddam等發現從山羊草（cǎo）種子（zǐ）中提取的精油對青枯病菌有較強的抑製活（huó）性，能夠顯著抑製（zhì）菌絲的生長。Yu等考（kǎo）察從茶樹中（zhōng）提取的精油對灰黴病菌的抑製（zhì）活性，研究發現精油中的α-鬆油醇、1,8-桉葉素混合（hé）後能穿透病菌細胞，破壞細胞器而不影響細胞膜透性。相比之下，鬆油烯破壞了膜的完整性，增加了膜的通透性，導致（zhì）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一定的（de）研究，但不同類型化合物（wù）的生（shēng）物功能和生態化學功能尚未被充分研究，例如化合物在植物體內代謝過程、所具有的功能，以及在生態（tài）環境中的存在形式與歸宿途徑等（děng）。
 
    在提取工藝中，不僅要考慮優化工藝增（zēng）加物質提取率或提取（qǔ）出其他物質類型，還要考慮提取成本，以及商業生產的（de）經濟（jì）性，是否適用於（yú）工廠批量化生（shēng）產。例如將許多高質量的有價值的化合物被一個單一的步驟（zhòu）回收，從某種低廉的植（zhí）物中得（dé）到（dào）大量（liàng）高質量的化合物等。對於（yú）植物源農藥，所需化合物的活性篩選仍然是新農藥（yào）開發的關鍵（jiàn）步驟，具有較高活性的化合物可（kě）以直接（jiē）開發為新藥。化合物的結構對於抑菌活性有著重要影響，因此（cǐ）可以將“組學”技術與分子（zǐ）網絡藥理學相結合，在原物質結構的基礎上進行（háng）結構修飾，合（hé）成具有高效抑菌能力的新（xīn）物質。
 
來源：《黑龍江農（nóng）業科（kē）學》2021年第7期
作者：淮陰工學（xué）院生命科學與食品工程學院  於忻瀅  張國良  範鬆  黃誌煒  張葉