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隨著社會大眾環保意識、食品安全意識、健康意識的提高，農藥的發展也朝著高效、低毒、高選擇性的方向轉變。植物精油是一類具有多種農藥活性的植物次生代謝物，由於其對天敵昆蟲、人畜無害，在環境中易降解，已成為天然源農藥開發的重要途徑之一。來源於植物精油中的檸檬烯，對人畜低毒、安全性高，加之其具有殺蟲、殺菌、除草多方面的生物活性，近年在農藥領域的研究報導也日趨增多。本文對檸檬烯在農藥領域的研究進展進行梳理和總結，旨在為該物質作為天然源農藥的開發應用提供科學的理論依據。
檸檬烯的化學名稱為1-甲基-4-(1-甲基乙烯基)環己烯，分子量136.23，分子式C10H16，水溶性低，易溶於有機溶劑。因結構中含有不飽和鍵，穩定性不高，尤其是在受熱和有光照的條件下，容易發生氧化反應。
屬於單環單萜的檸檬烯具有3種同分異構體，分別為D-檸檬烯、L-檸檬烯和DL-檸檬烯。在很多文獻報導中，未能明確其具體構型，而不同構型的檸檬烯，其生物活性也會存在差異。為避免混淆，筆者對不同構型檸檬烯的空間結構和理化性質進行了歸納和對比（表1）。
表1 檸檬烯的3種同分異構體比較
檸檬烯以及含有檸檬烯的精油對農作物病害、蟲害、草害均有生物活性。鑑於檸檬烯廣譜的生物活性，早在2010年，右旋檸檬烯（D-limonene）就作為殺蟲劑和除草劑，進入美國EPA登記審批程序。隨後，國內外有多份與檸檬烯有關的專利申請。內容涉及含有檸檬烯的除草劑組成、製劑加工和方法，殺蟲、殺蟎應用等，有些已獲得授權，側面反映了檸檬烯的農藥活性。
作為一種小分子化合物，檸檬烯對害蟲具有引誘、驅避、燻蒸、觸殺等多種作用方式。
Saxene等發現，檸檬烯對印度土壤的根瘤線蟲有很好的殺傷效果。天牛因鑽蛀為害而不易防治，而D-檸檬烯對天牛的寄生天敵花絨寄甲具有引誘作用，可以用於林業中防治天牛，但對鞘翅目害蟲Hylastinus oscurus卻具有驅避作用。
Kianulalnell等發現，胡蘿蔔葉中檸檬烯的含量和胡蘿蔔上的一種木蝨（Trioza apicalis）產卵量成負相關，證明檸檬烯對胡蘿蔔木蝨有趨避作用。另外，研究發現松樹中萜烯類成分含量變化與松小蠹為害之間存在關聯。檸檬烯的產生可減少害蟲為害松樹。
江志利研究山蒼子油的活性時發現，檸檬烯和γ-松油烯是山蒼子油的主要成分，其對粉紋夜蛾3齡幼蟲的LD50為112.4 μg/頭，對白紋伊蚊4～6 h的驅避率在50%以上，效果優於隆力奇花露水，並在此基礎上較系統地開展了植物精油的殺蟲作用及製劑研究，為精油作為農藥的研究奠定了較好的理論基礎。
張仁芳等以橘皮主要成分D-檸檬烯為研究對象，研究其對果蠅的燻蒸、驅避和觸殺作用生物活性。結果表明，D-檸檬烯對果蠅類生物具有燻蒸、趨避作用，在短時間內能導致果蠅死亡，但無明顯觸殺效果。但以檸檬烯和檸檬烯-10-醛為主要成分的大葉青蘭花精油對桃蚜表現出很高的毒力，處理後24、48、72 h的LC50分別為4.40、1.44、0.27 μL/L。
Malacrinò等進一步研究了不同構型檸檬烯在不同溫度、不同劑量下對雜擬谷盜的燻蒸和驅避活性，結果表明，R-(＋)-limonene比S-(-)-limonene的燻蒸活性更高；在沒有麵粉的情況下，空氣中R-(＋)-limonene的濃度在85 mg/L時，可達到100%的燻蒸效果，並且溫度與燻蒸作用呈正相關。此外，驅避活性試驗結果表明R-(＋)-limonene的毒力高於其他異構體。
檸檬烯不僅在室內表現出多樣化的毒力，在田間也具有良好的防效。何翠娟和張頌函通過試驗發現，含有檸檬烯的中試產品「37%感覺樂乳油」對蚜蟲、菜青蟲、小菜蛾、甜菜夜蛾等防效顯著。以D-檸檬烯和食用植物油配製的80%、85%和90% D-檸檬烯混合油劑對紅火蟻有翅繁殖蟻、工蟻、卵和蛹均具有良好的毒殺作用。其中，90% D-檸檬烯混合油劑的效果最理想。以單蟻巢處理的方式施用90% D-檸檬烯混合油劑，每蟻巢投放吸收了10 mL混合油劑的海綿，藥後7 d滅巢率達97.44%，與對照藥劑0.1%氟蟲腈粉劑滅巢率97.22%差異不顯著。另外，研究表明5% D-檸檬烯SL對番茄煙粉蝨具有較好的防治效果。
檸檬烯及其相關精油不僅具有多種殺蟲作用，對葉蟎的活性也比較顯著。
檸檬烯，α-萜烯，和對傘花烴是藜科植物土荊芥精油的主要成分，對二斑葉蟎和蘋果全爪蟎成蟎具有極強的生物活性，效果甚至優於阿維菌素。胡軍華等研究了柑橘提取物中主要殺蟎活性成分，發現柑橘乙醇提取物的殺蟎活性最高，果皮提取物的殺蟎活性高於種子；果皮和種子中乙醇和乙酸乙酯提取物通過GC-MS分析共鑑定出35種成分。其中，檸檬烯含量最高，和檸檬醛、4-松油醇、芳樟醇佔提取物含量的85%以上；檸檬烯殺蟎活性高於檸檬醛、松油醇、芳樟醇、β-蒎烯，說明以這些物質為主要有效成分的柑橘提取物類殺蟎劑的研發具有良好的發展前景。
植物精油的毒力與單一組分的活性之間會存在差異。迷迭香精油對大豆和番茄上飼養的二斑葉蟎雌成蟎24 h的LC50分別為10 mL/L和13 mL/L，引起100%死亡率對應的濃度分別為20 mL/L和40 mL/L，但用20 mL/L精油中對應的D-檸檬烯的濃度（D-檸檬烯在迷迭香精油中的體積百分含量3.7%）處理二斑葉蟎後，其對大豆和番茄二斑葉蟎品系的死亡率分別只有8%和24%。說明精油各組分之間具有協同增效作用。
趙莉藺等總結髮現，植物精油的殺蟎活性多樣，對二斑葉蟎有致死作用，對硃砂葉蟎有殺死和忌避作用，並且使成蟲產卵量減少。本課題組對D-檸檬烯的殺蟎活性進行了較系統的研究，發現D-檸檬烯對柑橘全爪蟎的急性毒殺作用並不明顯，但對葉蟎種群的繁殖具有較好的控制作用，表現出殺卵、抑制產卵等作用方式，並對幾種重要化學殺蟎劑具有較明顯的協同增效作用。
由於檸檬烯的安全性和高選擇性，韓國用檸檬烯進行燻蒸，防治蜜蜂寄生蟎，可節省勞動力，保證蜂蜜的產量。同樣，因檸檬烯對微小牛蜱具有很高的致死作用，並能抑制卵的孵化，用於畜牧業防治動物體外的蟎蟲。
檸檬烯在食品領域的抗菌活性研究較多，而其對農業病原菌也具有抗菌活性。
Rodríguez等研究發現，檸檬烯的存在與柑橘類水果的抗病性存在關聯。用含有D-檸檬烯的單層脂質體包裹藍莓，可防止灰葡萄孢和青黴病，大腸桿菌、李斯特菌等引起的水果腐爛、變壞。
Lee等研究了不同單萜和倍半萜對水稻白葉枯病的抑制作用，先用化合物處理水稻幼苗再接種病原，結果發現感病的水稻植株通過上調檸檬烯合成基因，產生出(S)-limonene，抑制白葉枯病的發生。此外，檸檬烯可以抑制黃麴黴毒素菌株的產生。250 μg/mL的抑制活性高於柚子和甜橙精油（其主要成分為檸檬烯）。
除殺菌活性外，檸檬烯也有除草作用。Jalaei等研究了採集於伊朗的大葉青蘭花精油的化感作用和殺蟲活性，結果發現，檸檬烯和檸檬烯-10-醛為主要成分的精油對反枝莧和藜兩種雜草的種子萌發和幼苗生長具有抑制作用。青檸精油也具有除草活性，其主要成分是檸檬烯（40.92%）和檸檬醛（27.46%）；在0.10～1.50 mg/mL濃度範圍內，青檸精油、檸檬烯、檸檬醛能影響野燕麥、稗草、小子虉草的種子發芽、胚芽鞘生長和根長，但檸檬烯的活性較檸檬醛低。
此外，檸檬烯還是一種良好的溶劑，可以清除農藥殘留，去除率高於自來水。R(＋)-檸檬烯對異尖線蟲具有顯著的生物活性，因其對人畜安全，可用於海產品加工中防病除蟲，表現出廣闊的應用前景。
關於檸檬烯的殺蟲機理，有文獻提到檸檬烯通過破壞昆蟲體壁蠟質層，導致水分喪失，同時體壁破壞使體液排洩，堵塞氣孔，幹擾氧氣交換，從而使昆蟲窒息、失水死亡。也有提及檸檬烯類似礦物油，直接阻塞昆蟲氣孔導致缺氧而死亡。雖然存在一定的合理性，但因缺乏相關系統的研究報導，只能算推測或假說。
檸檬烯的抗菌、除草機理則稍顯深入。Cai等研究了檸檬烯、檸檬醛和丁香酚對魯氏酵母的抗菌活性和機理，結果表明，檸檬烯能影響細胞膜和細胞蛋白。通過掃描電鏡觀察發現檸檬烯破壞了酵母細胞表面，導致核酸洩露，相對導電率提高。電泳分析表明，檸檬烯可以引起酵母可溶性蛋白質損失，同時能破壞蛋白質或抑制蛋白表達。青檸精油（主要含有檸檬烯和檸檬醛）對植物的除草活性和細胞毒理研究結果表明，青檸精油、檸檬烯、檸檬醛能引起洋蔥根尖細胞周期發生改變，降低有絲分裂指數、提高染色體畸變等現象，說明這類成分有可能被開發成為環境友好的除草劑，應用於農業生產。
除此之外，在醫學上有較多關於檸檬烯的細胞毒理研究報導。檸檬烯常用於香水中，是一種弱敏化劑，但其自然氧化後產生的烯丙基氫過氧化物能氧化細胞表面的硫醇基，降低GSH/GSSG的比例，從而間接引起基因和蛋白表達發生變化，導致過敏反應出現。檸檬烯的抗癌作用研究發現，D-檸檬烯處理小鼠腫瘤細胞後，使細胞凋亡和細胞自我吞噬作用有關的基因表達提高，從而抑制小鼠體內肺癌細胞的生長和腫瘤的形成。
由此可以看出，檸檬烯對生物體具有多種不同的作用機制，但其對病蟲草的具體生物學機理，目前還不清楚，值得進行深入研究。而檸檬烯農藥毒理機制的闡明，對其開發應用具有良好的指導意義。
目前，檸檬烯已廣泛用於食品加工、洗滌用品和美容品（香水）領域，其相關應用效果已有大量研究，表明其具有抗炎、抗氧化、鎮痛、抗癌、抗糖尿病、抗過敏、抗病毒、抗輻射等多種與人類健康有關的作用，並且一些與醫學有關的作用機理已有研究報導，其可望發展成為一類應用於人類健康和疾病領域的重要植物性藥物。隨著檸檬烯在醫學領域研究的深入和完善，可為其用作農藥提供更多的科學依據。
毒性問題是新農藥研發中需要密切關注的一個現實問題。無論是D-檸檬烯、L-檸檬烯或DL-檸檬烯，美國FDA都將它們劃分為對人類安全的化合物。FAO/WHO對D-檸檬烯每日允許攝入量也未做限制性規定。在中國，D-檸檬烯是GB 2760—2014中規定允許使用的香料之一，對雄性和雌性小鼠的經口LD50為5.6 g/kg和6.6 g/kg，對大鼠的分別為4.4 g/kg和5.1 g/kg。說明檸檬烯低毒，安全性高，可用於農藥領域，但檸檬烯的環境化學行為還需要關注。
鑑於檸檬烯多種多樣的生物活性，較早國外就將其當作農藥登記和使用，近兩年國內也開始將檸檬烯用於農作物上防治病蟲害。美國奧羅阿格瑞國際有限公司已於2018年在中國首次登記D-檸檬烯原藥和5%可溶液劑，用來防治番茄煙粉蝨。這標誌著檸檬烯在我國正式作為殺蟲活性成分，進入了農業生產應用領域。同時，檸檬烯還具有殺蟎、抗菌、除草等多種活性，以及作為助劑提高農藥防效等作用，由於其來源廣泛、活性多樣，必將受到更多的關注，發展前景廣闊。
來源：劉雅倩1, 劉珍秀1, 高波2, 黃繼光1. 檸檬烯在農藥領域的應用進展. 中國植保導刊, 2019, (8): 24-28; 69
作者單位介紹：1 華南農業大學/天然農藥與化學生物學教育部重點實驗室；2 湖北宜都市農業環境保護站