19 世紀以來, 在近代科學技術和工業發展的基礎上, 對植物源農藥的開發逐漸從經驗階段上升到科學實驗階段, 如除蟲菊(Chry san themum cineri2af olium )、菸草(N icotiana spp. )、魚藤(D erris ellip 2tica) 發展為商品化加工製劑並廣泛使用。自20 世紀40 年代以後, 有機合成農藥佔據了市場, 植物源農藥逐漸被人類所忽略。到60 年代後期, 有機合成農藥的種種弊端使天然產物農藥重新受到重視, 特別是對印楝(A z ad irach ta ind ica A. Ju ss) 的研究帶動了植物源農藥的發展。到目前為止, 研究的植物種類達數千種, 開發成功的產品也很多, 並已在生產實踐中被廣泛應用。
1．植物源農藥的特點
與有機合成農藥相比, 植物源農藥具有選擇性高、低毒、易降解、害物不易產生抗性等優點。目前,對植物源殺蟲劑的研究較廣泛和深入, 縱觀各類植物源殺蟲劑的特點, 可以總結為以下幾個方面。
1. 1 殺蟲作用方式特異
植物源殺蟲劑除具有與有機合成殺蟲劑相同的作用方式(觸殺、胃毒、燻蒸) 外, 還具有拒食、抑制生長發育、忌避、忌產卵、麻醉、抑制種群形成等特異的作用方式。如川楝素對菜青蟲(P ieris rap ae) 具有拒食、胃毒、抑制生長發育作用[ 1 ] , 對桔二叉蚜(T ox 2op tera au ran tii ) 具有較好的忌避作用[ 2 ]; 萬壽菊(T ag etes erecta ) 根甲醇提取物對小菜蛾(P lu tellaxy lostella L. ) 成蟲產卵有強烈的忌避作用[ 3 ]; 苦皮藤(Celastrus ang u la tus M ax im ) 根皮粉對粘蟲(M y th im na sep a ra teaW alker) 等多種害蟲具有麻醉活性[ 4 ]; 八角茴香( I llicium verum Hook. f. ) 精油可完全抑制赤擬谷盜(T rholium custaneum ) 和黃粉蟲( T en ibrio m olitor L inne) 的繁殖, 從而抑制種群形成[ 5 ]。上述特殊的作用方式並不直接殺死害蟲, 而是通過阻止害蟲直接為害或抑制種群形成而達到對害蟲的可持續控制。
1. 2 對環境安全
植物源農藥的主要成分是天然存在的化合物,這些活性物質主要由C、H、O 等元素組成, 來源於自然, 在長期的進化過程中已形成了其固定的能量和物質循環代謝途徑, 所以在施用時, 不易產生殘留,不會引起生物富集現象。另外, 田間試驗也證明[ 6 ] ,
植物源油劑具有不影響環境的優越性。
1. 3 對非靶標生物相對安全
從作用方式來看, 植物源農藥一般是通過胃毒作用或特異性作用來驅殺害蟲的, 觸殺作用較少, 因此對天敵等非靶標生物應是相對安全的。研究表明[ 7 ] , 印楝素對菲島長體繭蜂(Macrocen trus philip2p inensis A shmead )、智力小植綏蟎(Phytoseiu lusp ersim ilis ) 等多種天敵安全; 對蜜蜂(A p is cerana)、蚯蚓(Lum bricus T errestris) 等有益生物安全; 對大白鼠、虹鱒等低毒, 無致畸作用。成衛寧等[ 8 ]在小麥吸漿蟲(Sitodip losis m osellana (Géh in) ) 的防治試驗中發現, 川楝素、菸鹼對小麥吸漿蟲寄生蜂的保護效果較好。楊崇珍等[ 9 ]研究表明, 0. 5% 楝素殺蟲乳油對蚜繭蜂、瓢蟲及食蚜蠅等昆蟲天敵無顯著影響。祁志軍等[10]研究表明, 0. 2% 苦皮藤素乳油對鵪鶉、魚類、蝌蚪、家蠶、蜜蜂、瓢蟲、蚯蚓、麥田和稻田土壤微生物等非靶標生物均表現低毒。然而, 許多植物源次生物質也是高毒物質, 如菸鹼對人畜高毒, 魚藤酮為中等毒性, 苦參鹼也為高毒[ 11212 ]。可見, 植物源農藥對非靶標生物的安全性是相對的。因此, 在植物源農藥開發中應具有一定的選擇性, 應儘量選擇低毒種類, 而且在應用中也應注意科學施用。
1. 4 殺蟲作用機理不同於常規農藥
傳統的有機合成殺蟲劑大多是神經毒劑, 而植物源農藥的作用機理較複雜。如印楝素主要是擾亂昆蟲內分泌系統, 影響促前胸腺激素(PTTH ) 的合成與釋放, 減低前胸腺對PTTH 的感應而造成202羥基蛻皮酮的合成、分泌不足, 致使昆蟲變態、發育受
阻[13]; 川楝素對昆蟲下顎瘤狀栓錐感受器具有抑制作用, 從而表現為拒食作用[14]。苦皮藤素ì 的麻醉作用機理有2 種可能: 一是作用於中樞神經系統, 包括軸突和突觸; 二是作用於神經- 肌肉接點, 導致神經2肌肉傳遞阻斷[15]。但是, 需要指出的是, 在現有農業生產技術水平
下, 上述植物源農藥的特點也使得其在生產應用中受到一定的限制, 如速效性差, 一般是調節有害生物種群的形成和發展, 並不直接殺死害物, 不能起到「立竿見影」的效果, 所以不易被農民所接受; 易降解, 持效期短, 需多次施藥, 增加了生產成本。
2 .植物源殺蟲劑的化學生態學基礎
植物作為第一性生產力,其受害不完全是被動的,它可以利用其本身某些成分的變異性,對害蟲產生自然的抵禦作用。這種抵禦作用是一種可以遺傳的特性,能使植物不受蟲害或受害較輕,它具有控制害蟲的專一性、控制效果的持久性和與環境的兼容性〔12〕。植物在漫長的與昆蟲長期相互作用和協同進化過程中,除了形成形態結構上的物理性防禦機制(毛刺、體表蠟質、組織厚度等) 外,還耗費大量的物質、能量來生產對維持生命活動尚無確定作用的次生代謝物質,如生物鹼、糖苷類、酚類、非蛋白胺基酸、萜類和甾醇等。次生性物質的產生、來源和性質與如核酸、蛋白質等營養物質不同,它是複雜分支代謝途徑的產物,不直接參與維持植物的生長發育和生殖有關的基礎生化活動,一般也不作為昆蟲的營養成分,但卻能影響昆蟲對食物的選擇、攝入和利用,從而影響昆蟲的生長、行為以及群體生物學,故又稱其為它感素。大多數它感素為植物利己素,對植物具有保護作用[12]。
植物體中,種類繁多的植物次生代謝產物是潛在的具有防禦作用的化學因素,在構成植物抗蟲性的眾多因素中佔有重要地位。目前已知的植物次生代謝產物約3 萬種,其中生物鹼、萜類和酚類分別達6 500、5 900和5 000種[12],並且已經證實有相當一部分植物次生代謝產物對害蟲有生物活性[13]。如楝科植物中的檸檬素類化合物對害蟲具有拒食作用和生長調節作用[14-15];衛茅科植物中的二氫沉香呋喃類化合物對害蟲具有拒食、麻醉和毒殺作用[16];菊科植物中的三噻吩及茵陳二炔類化合物對害蟲具有明顯的光活殺蟲作用[17 –18], 烏腳車軸草(Lotus corniculatus) 、三葉草( Trifolium repens ) 和歐洲蕨(Pteridium aquilinum) 能合成產生劇毒氫氰酸的生氰糖苷,當植物組織被破壞時,生氰糖苷便在水解酶的作用下產生氫氰酸,對害蟲產生巨大的拒食和威懾作用〔6〕。又如非蛋白胺基酸刀豆胺基酸濃度為5 %時對象鼻蟲幼蟲有致死作用。不少植物中還含有昆蟲脫皮激素、保幼激素的類似物,可以幹擾昆蟲自身的生長發育。由此可見,這些次生代謝物質構成了植物各具特色的化學生態防禦功能,是研究植物殺蟲劑的生態學基礎。
2 植物源農藥的研究現狀
植物源農藥的開發主要是利用植物體內的次生代謝物質。Sw ain[16]研究認為, 植物中的次生代謝物超過了40 萬種, 主要包括木脂素類、黃酮、生物鹼、萜烯類、特異胺基酸等, 其中的多種次生代謝物質具有殺蟲、抑菌或除草活性。國外研究較多的有印楝、番荔枝(A nnona squam osa)、萬壽菊等植物。我國在具生物活性的植物種類的篩選、活性成分的生物測定及毒理學等理論研究領域均取到了顯著的成果,在產品研發和實際應用方面也處於領先水平。
2. 1 具有農藥活性的植物資源的調查和篩選
Grange 等[ 17 ]報導, 具有控制有害生物活性的植物約有2 400 種。美國、菲律賓、印度等國家的有關專家都曾對具農藥活性的植物進行了較為系統的調查和篩選。我國對具農藥活性植物的篩選, 一般是參考《本草綱目》等古籍和《中國土農藥志》、《中國有毒植物》等專著及在生產中人們使用的土農藥。張興等[ 18 ]從西北地區475 種植物樣品中篩選出128 種有農藥活性的植物, 其對玉米象(S itop h ilus z eam a isMo t schu lsky)、赤擬谷盜、粘蟲等試蟲的生物活性大於50% , 並認為砂地柏(S abina vu lg a ris A n t)、牛心樸子(Cy nanchum kom a rov ii A l. Iljin sk i) 等10 餘種植物具有明顯的開發研究價值。王兆龍等[ 19 ]從分布於江蘇省內的植物資源中篩選出了75 種具殺蟲活性的植物種類。賀紅武等[ 20 ]對可作為農藥資源的熱帶植物的種類進行了初步調查。張銳等[ 21 ]、王輝等[ 22 ]分別對甘肅地區和湖北恩施地區的具農藥活性的植物資源進行了初步調查。馮建菊等[ 23 ]對新疆南疆地區的11 種植物進行了棉鈴蟲毒殺活性篩選。Xu 等[ 24 ]用家蠅從62 種中藥材中篩選出具有很好殺蟲作用的千裡光屬掌葉千裡光(S enecio p a lm a tus)。馮俊濤等[ 25 ]測試了採自西北地區的57 科149 屬187種植物樣品的丙酮提取物的抑菌活性, 認為苦豆子(S op hora a lop ecu roid es L. )、石榴(P un ica g rana2tum L. )、大花金挖耳(Ca rp esium m acrocep ha lum )、蒼耳( X an th ium sibiricum )、孜然( Cum inumcym inum L. ) 和瑞香狼毒(S tellera cham aejasm aL. ) 等10 餘種植物具有明顯的研究開發價值。王志學等[ 26 ]、喻大昭等[ 27 ]、晏衛紅等[ 28 ]也先後對多種植物的抑菌作用進行了研究。郝雙紅等[ 29，30 ]對83 種植物的除草活性進行了比較。對具農藥活性的植物資源進行篩選是研究開發植物源農藥的基礎工作。我國地大物博, 植物資源非常豐富, 對具有農藥活性植物資源進行篩選, 為我國植物源農藥的開發奠定了堅實的基礎。
2. 2 植物源殺蟲劑
目前為止, 對殺蟲植物印楝的研究和開發是最成功的。我國學者對植物源殺蟲劑的研究一般集中在楝科(A glaia odo rata)、衛矛科(Celast raceae)、柏科(Cup ressaceae)、豆科(M yroxyion baisam um )、菊科(Compo sitae )、唇形科(L ab iatae )、蓼科(Chenopodiaceae) 等植物及其精油上, 對植物中殺蟲活性成分的分離鑑定、毒力測定、作用機理和作用方式等均進行了較為系統的探討。
值得一提的是, 植物源殺蟲劑與常規有機合成殺蟲劑在作用方式上有顯著的區別, 植物源殺蟲劑對害蟲的作用方式更多、更複雜, 對害蟲常表現出毒殺、拒食、忌避、拒產卵、抑制種群形成、引誘、麻醉、抑制生長發育等特殊的活性, 馬志卿等[ 31 ]對此進行了詳細的探討。對植物源殺蟲劑的研究還極大地促進了農藥學理論的發展。張興等[ 32233 ]在長期對植物源農藥研究的基礎上提出了「無公害農藥」和「農藥無公害化」的概念和理念, 對現代新型的、對環境相對安全的農藥的發展和應用起到了一定的指導作用。吳文君等[ 34 ]在對殺蟲植物苦皮藤系統研究的基礎上提出了「消化毒劑」的概念, 認為許多天然產物殺蟲劑均是以害蟲的消化系統為靶標而起到毒殺作用。這一理論為研究和開發殺蟲劑開創了一條嶄新的途徑。
2. 3 植物源殺菌劑
相對於植物源殺蟲劑來說, 植物源殺菌劑的研究要少得多。N ychas[ 35 ]於1995 年對植物源抗菌劑實際使用的可能性做了詳細的論述。吳新安等[ 36 ]研究表明, 大部分抑菌種子植物種類集中在菊科(Compo sitae)、豆科(L egum ino sae)、傘形科(Um2belliferae)、禾本科(Gram ineae)、唇形科、木蘭科(M agno liaceae)、馬兜鈴科(A risto loch iaceae)、蓼科(Chenopodiaceae)、木犀科(Oleaceae)、百合科(L ili2aceae )、葫蘆科( Cucu rb itaceae )、莎草科(Cypceaceae)、十字花科(Cruciferae) 和樟科(L au2raceae) 等。近年來, 國外已有幾個商品化的植物源殺菌劑品種投入市場, 如捷利康公司的azoxyst rob in和巴斯夫公司的k resox imm ethyl[ 37 ]; 印楝製劑T ril2ogy○R和T riac○R 90% EC 可用於防治果樹和作物的斑點落葉病、炭疽病及早疫病等真菌病害[ 38 ]; 由黃蒿種子精油開發的Talen tTM 在荷蘭上市; BASF公司從蓼科植物中獲得的提取物對白粉病防效良好, 現已工業化生產, 商品名為M ilsanTM [ 39 ]。在我國, 目前已經開始應用於生產防治植物病害的植物活性成分有大蒜素、麻黃油、細辛油、銀泰(銀杏提取物的仿生製劑) 等, 產品有40% 農科1 號乳油(原白頭翁素A仿生合成劑)、0. 6% 苦·小檗鹼殺菌水劑等[ 40241 ]。
2. 4 植物源除草劑
植物源除草劑的開發主要是利用植物間的異株克生物質, 其對植物的生長發育和代謝均有影響。目前, 已在30 多科的植物中發現了上百種具除草活性的化合物, 主要有醌酚類、生物鹼類、肉桂酸類、香豆素類、噻吩類、類黃酮類、萜烯類、胺基酸類等, 其中有些已被開發為除草劑[ 42 ]。Zobel 等[ 43 ]發現檸檬樹中的茛菪亭(Scopo let in)、蒿屬香豆素等香豆素類化合物具有明顯的殺草活性。楊世超等[ 44 ]、李善林等[ 45 ] 先後報導了小麥提取物對白茅( Imp era tacy lind rica Beauv. var. m ajor (N ees) C. E. Hubb. )的殺除作用。目前, 開發成功的植物源除草劑品種並不多。環庚草醚是以存在於許多植物中的1, 82桉葉素為先導合成的新型除草劑, 已在歐洲、美國上市[ 46 ]。
2. 5 其他類植物源農藥
植物源殺線蟲劑的研究也有一定的進展。至1998 年已發現臭草(Rutag raveolens )、孔雀草
(T ag etes p a tu la )、向日葵(H elian thus annuus)、印楝、百日菊(Z inna lia L. ) 等41 屬47 種植物可用於線蟲防治[ 47 ]。翁群芳等[ 48249 ]先後對15 科28 種植物的殺線蟲活性進行了篩選, 結果發現, 駱駝蓬(Peganum harmala L.) 等幾種植物提取物對松材線蟲(B u rsap helenchusxy lop h ilus ) 和南方根結線蟲(Meloid ogy ne incog n ita Chitwood) 具有較好的毒殺活性。目前, 植物源病毒抑制劑的研究才剛剛起步,國內對抗植物病毒植物資源的研究主要集中於虎耳草科(Sax if ragaceae)、藜科(Chenopodiaceae)、紫草科(Bo raginaceae)、商陸科(Phyto laccaceae)、紅豆杉科(Taxaceae)、木犀科(Oleaceae)、蘿摩科(A sclep i2adaceae )、菊科( Compo sitae )、蓼科(Chenopodiaceae) 等
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