生物源天然产物农药 第一节生物源天然产物农药的特点及其研究开发途径 、生物源天然产物农药的特点 生物源天然产物农药主要是指以植物、动物、微生物等产生的具有农用生物活性的 次生代谢产物开发的农药,如2.5%鱼藤酮乳油,20μ g dispar lure(舞毒蛾性诱剂), 15%井冈霉素水溶粉剂等。活的生物体,如各种捕食性天敌、寄生性天敌、致病微生物 转基因抗虫作物等不在本章讨论之列。次生代谢物质这个术语是 Czapek在本世纪二十年 代首先提出来的。所谓次生代谢物质,其来源和性质与基础代谢产物如核酸、蛋白质等 有所不同,是复杂的分支代谢途径的最后产物,大多数不直接参与维持产生者的生长发 育和生殖有关的原始生化过程。虽然动物中也含有次生代谢物质,但80%的次生代谢产 物来自植物。植物中次生代谢物质的产生,是生物间,特别是植物和昆虫之间协同进化 的结果。一种生物最终是否得以生存和繁衍,取决于它对付逆境压力的能力。处于逆境 压力下的任何物种都面临3种选择,即适应、迁移或灭绝。由于陆生植物不象其它捕食 者(草食昆虫和其它草食动物)那样容易迁移,因此,植物为了生存,在进化过程中不得 不发展许多新的代谢途径来产生对昆虫及其它草食动物,乃至病原微生物具有防御功能 的化合物,这就是次生代谢物质最原始、最主要的生态功能。次生代谢物质一般具有下 述特点 (1)次生代谢物质对昆虫或病原菌的防御功能具有选择性,一种(或一类)次生代谢 物只能防御某些种类的昆虫或病原菌,而不是所有的昆虫和病原菌 (2)次生代谢物质是植物内源物,它们本身是植物体的一部分,因此易于在自然界 的大循环中降解 (3)植物在进化过程中所经受逆境压力的多样性和复杂性,导致所产生的次生代谢 产物的多样性和复杂性。 因此和传统的化学合成农药相比,生物源天然产物农药具有下述特点 1.大多数生物源天然产物农药对哺乳动物毒性较低,使用中对人畜比较安全。如 鱼藤酮大鼠急性经口LD为132mg/kg,兔急性经皮LD为1500mg/kg:除虫菊素I和II
1 生物源天然产物农药 第一节 生物源天然产物农药的特点及其研究开发途径 一、生物源天然产物农药的特点 生物源天然产物农药主要是指以植物、动物、微生物等产生的具有农用生物活性的 次生代谢产物开发的农药，如 2.5%鱼藤酮乳油，20μg disparlure (舞毒蛾性诱剂)， 15%井冈霉素水溶粉剂等。活的生物体，如各种捕食性天敌、寄生性天敌、致病微生物、 转基因抗虫作物等不在本章讨论之列。次生代谢物质这个术语是 Czapek 在本世纪二十年 代首先提出来的。所谓次生代谢物质，其来源和性质与基础代谢产物如核酸、蛋白质等 有所不同，是复杂的分支代谢途径的最后产物，大多数不直接参与维持产生者的生长发 育和生殖有关的原始生化过程。虽然动物中也含有次生代谢物质，但 80%的次生代谢产 物来自植物。植物中次生代谢物质的产生，是生物间，特别是植物和昆虫之间协同进化 的结果。一种生物最终是否得以生存和繁衍，取决于它对付逆境压力的能力。处于逆境 压力下的任何物种都面临 3 种选择，即适应、迁移或灭绝。由于陆生植物不象其它捕食 者(草食昆虫和其它草食动物)那样容易迁移，因此，植物为了生存，在进化过程中不得 不发展许多新的代谢途径来产生对昆虫及其它草食动物，乃至病原微生物具有防御功能 的化合物，这就是次生代谢物质最原始、最主要的生态功能。次生代谢物质一般具有下 述特点: (1) 次生代谢物质对昆虫或病原菌的防御功能具有选择性，一种(或一类)次生代谢 物只能防御某些种类的昆虫或病原菌，而不是所有的昆虫和病原菌。 (2) 次生代谢物质是植物内源物，它们本身是植物体的一部分，因此易于在自然界 的大循环中降解。 (3) 植物在进化过程中所经受逆境压力的多样性和复杂性，导致所产生的次生代谢 产物的多样性和复杂性。 因此和传统的化学合成农药相比，生物源天然产物农药具有下述特点: 1. 大多数生物源天然产物农药对哺乳动物毒性较低，使用中对人畜比较安全。如 鱼藤酮大鼠急性经口 LD50 为 132mg/kg，兔急性经皮 LD50 为 1500mg/kg；除虫菊素 I 和 II
大鼠急性经口LD为340mg/kg,急性经皮LDa大于600mg/kg。也有些生物源天然产物杀 虫剂的毒性较高,如 Avermectins大鼠经口L仅为10.06mg/kg,急性经皮LDo大于 380mg/kg。然而这些天然产物杀虫剂活性很高,在制剂中的有效成分含量都很低,因而 在使用中对人畜仍然很安全。例如1.8%爱力螨克阿维菌素)乳油含有效成分 avermectin B1仅1.8%,大鼠急性经口LD30为650mg/kg,兔急性经皮LD大于2000mg/k 2.防治谱较窄,甚至有明显的选择性。以印楝素为例,鳞翅目昆虫对印楝素最敏 感,低于1~50μg/g的浓度就有很高的拒食效果,鞘翅目,半翅目,同翅目昆虫对印楝 素相对地不敏感,要达到100%的拒食效果,需要100~600μg/g的浓度。又如井冈霉素, 对水稻纹枯病,小麦纹枯病高效,对稻曲病也很有效,而对其它许多病害则防效很差, 甚至根本无效 3.对环境的压力较小,对非靶标生物比较安全。天然产物农药,绝大多数都是生 物合成的天然物质,一般只含碳、氢、氧、氮4种元素,在环境中易于降解。许多生物 源天然产物农药作用方式是非毒杀性的,包括调节生长发育、引诱、驱避、拒食等,因 而对非靶标生物,特别是对鸟类、兽类、蚯蚓、害虫天敌及有益微生物影响较小。例如 田间喷洒印楝制剂,并不影响果蝇寄生蜂羽化,羽化的寄生蜂能正常交配,寻找新的果 蝇寄主。天然产物农药的这一特点不仅有利于保持生态平衡,而且有利于害物综合治理 (IPM)方案的实施。 4.大多数生物源天然产物农药作用缓慢,在遇到有害生物大量发生迅速蔓延时往 往不能及时控制危害 、研究开发生物源天然产物农药的途径 生物源天然产物农药研究开发的途径,可以概括为下述三个方面:一是充分利用我 国宝贵的生物资源,开发天然产物农药新品种。即在确定药效后,对产生杀虫、杀菌或 除草活性物质的生物进行良种选育、大量繁殖、提取有效成分、制剂加工等直接的工业 化商品开发,形成天然产物农药品种,创造显著的经济效益,环境和生态效益。例如植 物杀虫剂 Margosan0的开发,就是在明确了印楝素的杀虫活性及防治效果后,选育产生 印楝素的优良印楝树种,大面积栽培种植,提取种核中的印楝素等杀虫有效成分,再加 工成含0.3%印楝素和1锷印楝油的商品制剂。又如农用抗菌素井冈霉素,在明确了吸水 链霉菌井冈变种( Streptomyces hygroscopicus)的开发价值后,选育优良菌种,进行工 业发酵,提取井冈霉素,加工成水剂或可溶性粉剂。二是有效成分及其类似化合物的半 合成改造。植物、动物或微生物产生的活性次生代谢物,如活性较低,光稳定性差,或 对哺乳动物毒性大等原因而无法将其直接开发成天然产物农药品种,则可将这些活性化 物作为起始原料,经结构修饰人工半合成,筛选出性能优异,具有商业意义的新农药
2 大鼠急性经口 LD50 为 340mg/kg，急性经皮 LD50 大于 600mg/kg。也有些生物源天然产物杀 虫剂的毒性较高，如 Avermectins 大鼠经口 LD50 仅为 10.06mg/kg，急性经皮 LD50大于 380mg/kg。然而这些天然产物杀虫剂活性很高，在制剂中的有效成分含量都很低，因而 在使用中对人畜仍然很安全。例如 1.8%爱力螨克(阿维菌素)乳油含有效成分 avermectin B1 仅 1.8%，大鼠急性经口 LD50 为 650mg/kg，兔急性经皮 LD50大于 2000mg/kg。 2. 防治谱较窄，甚至有明显的选择性。以印楝素为例，鳞翅目昆虫对印楝素最敏 感，低于 1～50μg/g 的浓度就有很高的拒食效果，鞘翅目，半翅目，同翅目昆虫对印楝 素相对地不敏感，要达到 100%的拒食效果，需要 100～600μg/g 的浓度。又如井冈霉素， 对水稻纹枯病，小麦纹枯病高效，对稻曲病也很有效，而对其它许多病害则防效很差， 甚至根本无效。 3. 对环境的压力较小，对非靶标生物比较安全。天然产物农药，绝大多数都是生 物合成的天然物质，一般只含碳、氢、氧、氮 4 种元素，在环境中易于降解。许多生物 源天然产物农药作用方式是非毒杀性的，包括调节生长发育、引诱、驱避、拒食等，因 而对非靶标生物，特别是对鸟类、兽类、蚯蚓、害虫天敌及有益微生物影响较小。例如 田间喷洒印楝制剂，并不影响果蝇寄生蜂羽化，羽化的寄生蜂能正常交配，寻找新的果 蝇寄主。天然产物农药的这一特点不仅有利于保持生态平衡，而且有利于害物综合治理 (IPM)方案的实施。 4. 大多数生物源天然产物农药作用缓慢，在遇到有害生物大量发生迅速蔓延时往 往不能及时控制危害。 二、研究开发生物源天然产物农药的途径 生物源天然产物农药研究开发的途径，可以概括为下述三个方面:一是充分利用我 国宝贵的生物资源，开发天然产物农药新品种。即在确定药效后，对产生杀虫、杀菌或 除草活性物质的生物进行良种选育、大量繁殖、提取有效成分、制剂加工等直接的工业 化商品开发，形成天然产物农药品种，创造显著的经济效益，环境和生态效益。例如植 物杀虫剂 Margosan-O 的开发，就是在明确了印楝素的杀虫活性及防治效果后，选育产生 印楝素的优良印楝树种，大面积栽培种植，提取种核中的印楝素等杀虫有效成分，再加 工成含 0.3%印楝素和 14%印楝油的商品制剂。又如农用抗菌素井冈霉素，在明确了吸水 链霉菌井冈变种(Streptomyces tygroscopicus)的开发价值后，选育优良菌种，进行工 业发酵，提取井冈霉素，加工成水剂或可溶性粉剂。二是有效成分及其类似化合物的半 合成改造。植物、动物或微生物产生的活性次生代谢物，如活性较低，光稳定性差，或 对哺乳动物毒性大等原因而无法将其直接开发成天然产物农药品种，则可将这些活性化 合物作为起始原料，经结构修饰人工半合成，筛选出性能优异，具有商业意义的新农药
例如,自1976年开发成功阿维菌素( Avermectins)后就围绕其人工合成进行了大量的研 究,并开发成功伊维菌素( Ivermectins)。伊维菌素是阿维菌素B1组分22和23碳位不 饱和双键选择还原的产物,更适合于防治家畜寄生虫。阿维菌素对螨类高效,但对昆虫, 尤其是对粉纹夜蛾、棉铃虫和亚热带粘虫效果很差,而在阿维菌素B基础上人工合成的 4″一表一甲胺基一4′一脱氧阿维菌素Bl对亚热带粘虫的毒力比阿维菌素B提高1500 倍。三是作为创制新农药的先导化合物模型,即在研究天然产物农药过程中,发现新的 具有杀虫杀菌或除草活性的化合物,以其化学结构作为先导化合物模型,用人工合成的 方法进行结构优化研究,筛选出性能比天然活性物质更好的新农药,创造重大的商业价 值。这方面最成功的例子首推对杀虫植物除虫菊的研究。分离出除虫菊素I和II等杀虫 有效成分后,以此为先导化合物,开发出一代高效拟除虫菊酯类杀虫剂。此外还有源于 植物中乙烯的乙烯利,源于沙蚕毒素的巴丹等杀虫剂,源于大蒜素的抗菌素402等。生 物的种类是如此繁多,在漫长的进化过程中,各种生物都发展并完善自己的生命活动体 系,进行着不同的生理生化反应,从而产生形形色色的天然化合物,给农药的研究与开 发提供了无究无尽的宝贵资源。以植物为例,据估计当今世界上有近50万种植物,而对 其化学成分作过研究的仅占10%;植物中的次生代谢物质已超过400,000种,而仅10,000 种鉴定了分子结构。就微生物而言,据估计已被人类研究过的仅占自然界存在的1%,而 在这些研究过的微生物中,只发现了大约1%的生物活性物质。更何况微生物是变异的, 由于基因重组和染色体畸变随时都可能产生新的菌种。因此生物源天然产物农药的研究 与开发具有很大的潜力和广阔的前景。 第二节生物源天然产物农药 一、植物源天然产物农药 植物是天然产物农药的宝库。据 Ahmed1985年的资料,全世界已报道过1600多 具有控制有害生物的高等植物,其中具有杀虫活性的1005种,杀螨活性的39种,杀线 虫活性的108种,杀鼠活性的109种,杀软体动物8种;对昆虫具有拒食活性的384种 忌避活性的27种,引诱活性的28种,引起昆虫不育的4种,调节昆虫生长发育的31 种;抗真菌的94种,抗细菌的11种,抗病毒的17种 (一)植物毒素植物毒素( phytotoxin)指植物产生的对有害生物具有毒杀作的 次生代谢产物。 1.具有杀虫作用的植物毒素除虫菊素、鱼藤酮和烟碱是世界上最早的商品化
3 例如，自 1976 年开发成功阿维菌素(Avermectins)后就围绕其人工合成进行了大量的研 究，并开发成功伊维菌素(lvermectins)。伊维菌素是阿维菌素 B1 组分 22 和 23 碳位不 饱和双键选择还原的产物，更适合于防治家畜寄生虫。阿维菌素对螨类高效，但对昆虫， 尤其是对粉纹夜蛾、棉铃虫和亚热带粘虫效果很差，而在阿维菌素 B1 基础上人工合成的 4″—表—甲胺基—4′—脱氧阿维菌素 B1 对亚热带粘虫的毒力比阿维菌素 B1 提高 1500 倍。三是作为创制新农药的先导化合物模型，即在研究天然产物农药过程中，发现新的 具有杀虫杀菌或除草活性的化合物，以其化学结构作为先导化合物模型，用人工合成的 方法进行结构优化研究，筛选出性能比天然活性物质更好的新农药，创造重大的商业价 值。这方面最成功的例子首推对杀虫植物除虫菊的研究。分离出除虫菊素 I 和 II 等杀虫 有效成分后，以此为先导化合物，开发出一代高效拟除虫菊酯类杀虫剂。此外还有源于 植物中乙烯的乙烯利，源于沙蚕毒素的巴丹等杀虫剂，源于大蒜素的抗菌素 402 等。生 物的种类是如此繁多，在漫长的进化过程中，各种生物都发展并完善自己的生命活动体 系，进行着不同的生理生化反应，从而产生形形色色的天然化合物，给农药的研究与开 发提供了无究无尽的宝贵资源。以植物为例，据估计当今世界上有近 50 万种植物，而对 其化学成分作过研究的仅占 10%；植物中的次生代谢物质已超过 400,000 种,而仅 10,000 种鉴定了分子结构。就微生物而言，据估计已被人类研究过的仅占自然界存在的 1%，而 在这些研究过的微生物中，只发现了大约 1%的生物活性物质。更何况微生物是变异的， 由于基因重组和染色体畸变随时都可能产生新的菌种。因此生物源天然产物农药的研究 与开发具有很大的潜力和广阔的前景。 第二节 生物源天然产物农药 一、 植物源天然产物农药 植物是天然产物农药的宝库。据 Ahmed 1985 年的资料，全世界已报道过 1600 多 具有控制有害生物的高等植物，其中具有杀虫活性的 1005 种，杀螨活性的 39 种，杀线 虫活性的 108 种，杀鼠活性的 109 种，杀软体动物 8 种；对昆虫具有拒食活性的 384 种， 忌避活性的 279 种，引诱活性的 28 种，引起昆虫不育的 4 种，调节昆虫生长发育的 31 种；抗真菌的 94 种，抗细菌的 11 种，抗病毒的 17 种。 （一）植物毒素 植物毒素(phytotoxin) 指植物产生的对有害生物具有毒杀作的 次生代谢产物。 1．具有杀虫作用的植物毒素 除虫菊素、鱼藤酮和烟碱是世界上最早的商品化
农药,是二次世界大战前最主要的植物杀虫剂。直到现在,我国仍在生产和使用鱼藤酮 制剂和烟碱制剂。以除虫菊素为先导化合物,人工合成开发出如溴氰菊酯、氯氰菊酯 氰戊菊酯、甲氰菊酯、三氟氯氰菊酯等几十个高效拟除虫菊酯杀虫剂:以烟碱为先导化 合物,人工合成开发的吡虫啉( imidacloprid)、吡虫清( acetamiprid)等氯代烟碱类杀虫 剂,不仅高效,而且对环境和非靶标生物安全。但鱼藤酮的衍生合成开发,至今未有大 的突破 当代研究比较深入杀虫植物毒素还有胡椒酰胺类化合物、尼鱼丁及其类似物、四氢 呋喃脂肪酸类化合物、谷氨酸类似物、二氢沉香呋喃类化合物、三噻吩及炔类化合物。 胡椒酰胺类化合物,如胡椒碱( piperine)墙草碱( pellitorine、千日菊酰胺( spilanthol) 等,都具有N一(2一甲丙基)一酰胺的结构,存在于菊科、胡椒科和芸香科等几十种植 物中。这些植物毒素对昆虫作用非常迅速,作点滴处理后很快引起试虫震颤,然后麻痹 其作用部位是昆虫神经一肌肉接头,作用机理可能是干扰了钠通道或与突触后膜上的谷 氨酸受体的相互作用。由于胡椒酰胺类化合物结构比较简单,易于人工合成,通过对这 些天然产物的分子结构进行改造可以合成筛选高效杀虫剂。例如近年来开发的BTG502 对抗性家蝇的毒力(LDo为0.04μg/头)是溴氰菊酯(LDs为0.1lμg/头)的27倍(图 10-1)。 piperine BTG 502 人 pipercide pellitorine 10-1几种胡椒跳胺及BTG502的结构 尼鱼丁( ryanodine)、脱氢尼鱼丁( dehydroryanodine)等是从南美杀虫植物尼亚那 ( Ryania speciosa)中分离的。尼鱼丁制剂早在1945年就引入美国,试验证明这些化合 物对鳞翅目害虫,包括欧洲玉米螟、甘蔗螟、苹果小卷蛾、苹果食心虫、舞毒蛾等十分 有效。但由于尼鱼丁对人畜的毒性也很大,引起哺乳动物僵直性麻痹,因而推广应用受
4 农药，是二次世界大战前最主要的植物杀虫剂。直到现在，我国仍在生产和使用鱼藤酮 制剂和烟碱制剂。以除虫菊素为先导化合物，人工合成开发出如溴氰菊酯、氯氰菊酯、 氰戊菊酯、甲氰菊酯、三氟氯氰菊酯等几十个高效拟除虫菊酯杀虫剂；以烟碱为先导化 合物，人工合成开发的吡虫啉（imidacoprid）、吡虫清（acetamiprid）等氯代烟碱类杀虫 剂，不仅高效，而且对环境和非靶标生物安全。但鱼藤酮的衍生合成开发，至今未有大 的突破。 当代研究比较深入杀虫植物毒素还有胡椒酰胺类化合物、尼鱼丁及其类似物、四氢 呋喃脂肪酸类化合物、谷氨酸类似物、二氢沉香呋喃类化合物、三噻吩及炔类化合物。 胡椒酰胺类化合物，如胡椒碱（piperine）、墙草碱（pellitorine）、千日菊酰胺（spilanthol） 等，都具有 N－（2－甲丙基）－酰胺的结构，存在于菊科、胡椒科和芸香科等几十种植 物中。这些植物毒素对昆虫作用非常迅速，作点滴处理后很快引起试虫震颤，然后麻痹， 其作用部位是昆虫神经⎯肌肉接头，作用机理可能是干扰了钠通道或与突触后膜上的谷 氨酸受体的相互作用。由于胡椒酰胺类化合物结构比较简单，易于人工合成，通过对这 些天然产物的分子结构进行改造可以合成筛选高效杀虫剂。例如近年来开发的 BTG502， 对抗性家蝇的毒力（LD50 为 0.04μg/头）是溴氰菊酯（LD50 为 0.11μg/头）的 2.7 倍（图 10-1）。 piperine BTG 502 pipercide pellitorine 图 10-1 几种胡椒酰胺及BTG502 的结构 尼鱼丁（ryanodine）、脱氢尼鱼丁（dehydroryanodine）等是从南美杀虫植物尼亚那 （Ryania speciosa）中分离的。尼鱼丁制剂早在 1945 年就引入美国，试验证明这些化合 物对鳞翅目害虫，包括欧洲玉米螟、甘蔗螟、苹果小卷蛾、苹果食心虫、舞毒蛾等十分 有效。但由于尼鱼丁对人畜的毒性也很大，引起哺乳动物僵直性麻痹，因而推广应用受
到限制。尼鱼丁是一种肌肉毒剂,主要作用于钙离子通道,影响肌肉收缩。目前对尼鱼 丁的研究主要着眼于通过结构修饰,希望发现有选择毒性的化合物,即对昆虫高效而对 哺乳动物低毒的化合物,但至今未有商品化产品(图10-2) 图10-2从 Ryania speciosa中分离出的 ryanodine及其有关化合物 RI=R2=H R2=CH3 3. A new natural ryanord RIOH, R2CH3, R3=H 四氢呋喃脂肪酸内酯,如 asimicin, antonin和 neoannonin(图10-3),是番荔枝科杀 虫植物番荔枝( Annona squamosa)和巴婆( Asimina trioba)的主要有效成分。这些化合 物对果蝇、墨西哥豆瓢虫、棉红蜘蛛、瓜蚜、蚊幼虫都有强烈的致死作用。四氢呋喃脂 肪酸内酯是呼吸毒剂,抑制电子传递链在NADH和辅酶Q之间的电子传递。 10-3 asimicin、 annon和 neoannonin的结构
5 到限制。尼鱼丁是一种肌肉毒剂，主要作用于钙离子通道，影响肌肉收缩。目前对尼鱼 丁的研究主要着眼于通过结构修饰，希望发现有选择毒性的化合物，即对昆虫高效而对 哺乳动物低毒的化合物，但至今未有商品化产品（图 10-2）。 图 10-2 从 Ryania apeciosa 中分离出的ryanodine 及其有关化合物 1. ryanodine R1=R2=H, R2=CH3 2. 9,21-didehydroayanodine R1=H, R2=R3=CH3 3. A new natural ryanord R1=OH, R2=CH3, R3=H 四氢呋喃脂肪酸内酯，如 asimicin, annonin 和 neoannonin（图 10-3），是番荔枝科杀 虫植物番荔枝（Annona sguamosa）和巴婆（Asimina trioba）的主要有效成分。这些化合 物对果蝇、墨西哥豆瓢虫、棉红蜘蛛、瓜蚜、蚊幼虫都有强烈的致死作用。四氢呋喃脂 肪酸内酯是呼吸毒剂，抑制电子传递链在 NADH 和辅酶 Q 之间的电子传递。 图 10-3 asimicin、annonin 和 neoannonin 的结构