第二章　植物源农药

第一节　植物源农药概述

植物源农药又称植物性农药，是利用植物资源开发的农药。包括从植物中提取的活性成分、植物本身和按活性结构合成的化合物及衍生物。类别有植物毒素、植物内源激素、植物源昆虫激素、拒食剂、引诱剂、驱避剂、绝育剂、增效剂、植物防卫素、异株克生物质等。按有效成分、化学结构及用途分类：生物碱、萜烯类、黄酮类、精油类、光活化毒素。植物源农药是生物农药的一个重要组成部分。它是指利用植物的某些部位（根、茎、叶、花或果实）所含的稳定的有效成分，按一定的方法对受体植物进行使用后，使其免遭或减轻病、虫、杂草等有害生物为害的植物源制剂。植物源农药所利用的植物资源为有毒植物。所以，植物源农药又通称为“草药农药”。

一、植物源农药的历史与现状

在早期的农业生产以及日常生活中，人类就发现一些植物对农业害虫或蚊蝇等卫生害虫具有杀伤作用。早在公元前7～5世纪，中国就用莽草等植物杀灭害虫，用菊科艾属的艾蒿茎、叶点燃后熏蚊蝇；公元6世纪就有利用藜芦作杀虫剂的记载；10世纪中叶有用百部根煎汁作杀虫剂的记载；到17世纪，烟草、松脂、除虫菊和鱼藤等也已作为农药使用。在印度、巴基斯坦等地，印楝是传统的杀虫植物，当地农民很早以前就将印楝叶子混入谷物以防治贮粮害虫。

在20世纪40年代以前的100余年中，烟草、除虫菊和鱼藤等植物源杀虫剂是工业化国家重要的农药品种。在有机氯、有机磷和氨基甲酸酯等化学农药出现以后，植物源杀虫剂在农药市场所占的比重才迅速下降。1947年，美国从东南亚进口鱼藤根超过6700t，但1963年减少到了1500t。

随着化学农药的大量使用，其弊端越来越引起了人们的重视，如环境污染、对非靶标生物的杀伤、害虫抗药性、农药残留以及害虫的再增猖獗等，同时也由于开发新农药的难度加大，使得植物源农药的发展有了新的契机。由于植物源农药来源于自然，具有对人畜安全、不污染环境、不易引起抗药性、在自然环境中易于降解等优点，因此，植物源农药的研究与开发是当今农药研究与开发的一个重要方面。植物中蕴藏着数量巨大的、具有潜在应用价值的天然产物。事实上，全球有多个实验室已经筛选了数千种高等植物，不仅仅是搜寻医药产品，同时也在发现农药产品。在实验室，乃至大田试验中，许多植物都表现出了潜在的害虫控制特性，但是，要想成功地投入商业化开发，防治效果仅仅是所需要的诸多条件中的一个。最乐观地估计，植物源农药仅占全球农药市场的1％，但其以每年10％～15％的速度增长是完全有可能的。在未来5年内，在家庭卫生用药和园林保护农药市场中，植物源农药很可能占有20％以上的份额。

除了效果和作用谱之外，植物源农药在生物学方面需要具备的条件还包括：较低的毒性，对环境的压力尽可能小（即哺乳动物的选择性，天敌和非靶标生物的选择性，环境中的快速降解）。印楝杀虫剂能够满足这些条件，但是印楝产品的商品化也花费了十多年的时间以及数千万美元。显而易见，一个具有很好的防治效果，而且对使用者和环境都较安全的产品要实现商品化，还有其他条件需要满足，主要包括：丰富的资源；标准化的提取物，有效成分的质量控制；在管理上针对植物源农药的特殊要求。这些条件对传统化学农药来说都不是问题。

除非原材料能够满足市场的需求，即该植物在天然状态下的储量足够丰富，或者能够人工种植，否则不太可能投入数百万美元去开发一个植物源农药产品。例如，除虫菊素和鱼藤酮都是通过种植来提取的，印楝树在印度的保有量已经达到2500万株。

植物源农药一个最好的来源途径是含有效成分的种子正好是果汁工业的副产品。在美国，柑橘业每年要产生数千吨的柚种子，从其中能够得到300t柠檬素。柑橘属植物种子中最重要的柠檬素对马铃薯甲虫具有很好的拒食作用。在东南亚，人们以红毛榴莲（Annona muricata）制备果汁，仅在菲律宾该水果的年产量就达到8500t，在红毛榴莲及其他番荔枝属植物种子中富含具有高杀虫活性的混合物——番荔枝内酯。木材加工业的副产品也是植物源农药的一个重要来源，如楝科的一些植物木质部和树皮中含有大量对昆虫具有拒食作用或抑制生长发育的柠檬素类成分，从木材加工中产生的锯末、树皮等废弃物中可以提取大量的农药活性成分。最后，组织培养是生产天然生物活性成分的一个潜在途径。印楝的愈伤组织培养物可以产生印楝素和其他具有生物活性的柠檬素类化合物。在最初的培养中，印楝素的含量很低，经过工艺优化，细胞悬浮液中印楝素的含量提高了100多倍。

随着化学与生物学的交叉研究，杀虫植物已成为新农药创制的重要资源。化学合成与生物合成相结合开发新农药的方法有两种。一种是以从植物中发现的杀虫活性成分作为先导化合物，创制新的农药。例如以天然除虫菊素为先导化合物，开发出了当今几十种高效拟除虫菊酯类杀虫剂；以毒扁豆碱为先导，开发了甲萘威（西维因）、速灭威、异丙威等氨基甲酸酯类杀虫剂；以烟碱为先导，开发了吡虫啉、啶虫脒等杀虫剂。另一种方法是对现有天然产物杀虫剂的结构进行改造，开发出活性更高、毒性更低的新杀虫剂，这方面最典型的例子是阿维菌素的结构改造，在植物源农药方面虽然也有不少研究，但未有真正成功的报道。

二、植物源农药的特点

和传统的化学合成农药相比，植物源农药具有下述特点。

①大多数植物源农药对哺乳动物的毒性较低，使用中对人畜比较安全。如除虫菊素大鼠急性经口LD₅₀为2370mg/kg，急性经皮LD₅₀为5000mg/kg，属于低毒；而辣椒碱、大蒜素本身就来源于食品；苦参碱则在医药上广泛使用。这些产品作为农药使用，都是十分安全的。当然，也有个别植物源农药的毒性很高，如烟碱，其大鼠急性经口LD₅₀为50～60mg/kg，兔急性经皮LD₅₀为50mg/kg。鉴于此，一些曾经在北美和西欧广泛使用的植物源农药品种已经不再允许登记，其中包括烟碱、苦木素以及鱼尼丁。

②防治谱较窄，甚至有明显的选择性。当前的化学合成杀虫剂，绝大多数都是广谱性的杀虫剂，如拟除虫菊酯类、有机氯类、有机磷类杀虫剂对常见的农林害虫大多有良好的防治效果，而绝大多数植物杀虫剂则正好与此相反，杀虫谱较窄，甚至有明显的选择杀虫作用，即对一些害虫的毒力很高，而对另一些害虫的毒力很低，甚至根本无作用。以印楝素为例，直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不敏感，要达到100％的拒食效果，需要100～600μg/g的浓度。对于不同的直翅目昆虫，其活性也有明显的差异，对沙漠蝗（Schistocerca gregaria）具有强烈的拒食作用（EC₅₀=0.05μg/g），对亚洲飞蝗（Locusta migratoria）的拒食活性就低得多（EC₅₀=100μg/g），对有些蝗虫则根本不具有拒食作用。苦皮藤素仅对鳞翅目中的菜青虫、小菜蛾以及槐尺蠖等少数几种昆虫有很好的防治效果，对甘蓝夜蛾、银纹夜蛾则基本不表现活性。烟碱对棉蚜的LC₅₀为0.003mg/L，对墨西哥豆瓢虫的LC₅₀为0.145mg/L，二者相差48倍，而烟蓟马对烟碱也很敏感，其LC₅₀仅为0.0075mg/L，因此，烟碱很适合防治蚜虫、蓟马等害虫。

③对环境的压力小，对非靶标生物安全。

④大多数植物源农药作用缓慢，在遇到有害生物大量发生迅速蔓延时往往不能及时控制为害。一些植物杀虫剂，其主要作用机制是对害虫的拒食作用、忌避作用、抑制产卵作用或干扰昆虫的生长发育等特异性作用，在施药后的短时间内，害虫往往不会死亡，种群数量不会有大的变化。但也有一些例外，如烟碱就属于速效性的杀虫剂，碱性的烟草水稀释液在施药后3h可发挥其最高的熏蒸和触杀作用，许多体型小的害虫（如蚜虫、蓟马）大多在短时间内死亡。

⑤多种成分协同发挥作用。植物源杀虫剂所使用的原料都是从植物中提取的多种成分的混合物，有实验结果表明，尽管活性成分含量相同，但提取物往往比其纯品的活性更高，如含量为60％～75％的楝素提取物比楝素纯品对昆虫的生长发育抑制作用更为强烈，可能提取物中的其他成分对楝素具有增效作用。

⑥延缓抗性。作为多组分体系，植物源杀虫剂对延缓害虫的抗药性也具有明显的作用。实验结果表明，以绿色桃蚜（Myzus persicae）为试虫，用LC₅₀剂量的印楝素纯品处理植株，然后接虫，在35代以后，试虫对印楝素的抗性仅增长了9倍，而用印楝素含量相同的印楝种子提取物为供试药剂的平行处理，试虫并未表现出对印楝素的抗药性。

三、植物源农药研究与开发

植物源农药的研究与开发可分为三个层次：第一个层次是对生物资源的直接开发利用；第二个层次是对生物资源有效成分结构的改造；第三个层次是发现先导化合物，发现新靶标，合成筛选新农药。

1.植物源农药的直接开发利用

所谓直接开发利用，即提取植物中的农药活性成分，加工成农药制剂。主要研究下面一些问题。

①可行性研究。即对植物资源及其中所含的农药活性成分进行调查研究，评判是否具有直接开发利用的价值。具体来说包括3个方面的内容：活性成分对主要靶标的生物活性是否足够高，在田间是否具有实际的防治效果；所利用的植株部位是否有再生性，资源的利用是否会导致植被的破坏；是否容易人工种植，从而进行大量繁殖，满足工业化生产对原料的需求。

②有效成分的化学研究。以生物活性追踪为依据，采用萃取、重结晶以及柱色谱等各种分离手段，从植物提取物中分离出活性成分，并对其进行结构鉴定；研究有效成分在植物根、茎（韧皮部、木质部）、叶、花、果实（种子）等部位的分布及含量，以及在不同季节、不同地域的情况下，有效成分的含量变化；研究有效成分对光、热稳定性及其在不同溶剂介质中的稳定性。

③标准化和质量控制。与传统的化学合成农药一样，植物源农药也必须保证其有效成分达到特定的含量，才能在田间达到预期的防治效果。但植物源农药的原始提取物中往往含有不止一种活性成分，如除虫菊花提取物中含有6种活性成分，鱼藤根提取物中含有6种以上的异黄酮类杀虫成分，印楝种核提取物中含有10多种印楝素的类似物。对所有的有效成分都进行定量测定是十分困难的，因此，人们在实践中引入了“主成分”的概念，如除虫菊素制剂中标明的含量是除虫菊素Ⅰ和Ⅱ，印楝素制剂中标明的含量是印楝素A和B。

④制剂加工。植物源农药在加工成制剂之前，首先要采用合适的方法把有效成分从植物材料中提取出来，再根据有效成分的理化性质以及提取溶剂的种类来选择适合的剂型。选择提取溶剂的原则是：对有效成分有较大的溶解度，对无效成分应不溶或少溶；对人低毒乃至无毒；价廉易得。常用的溶剂主要有：水、甲醇、乙醇、苯、乙酸乙酯、石油醚等。根据有效成分的溶解性不同，水溶性的成分可以加工成水剂，脂溶性成分可以加工成乳油、水乳剂和微乳剂等。

⑤有效成分的毒理学研究。在植物源农药投入批量生产、进行大规模田间示范阶段之前，对其进行作用方式和作用机理方面的研究是十分必要的。首先需要进行作用谱和作用方式方面的研究，即该有效成分对何种有害生物有防治效果，毒力如何，其作用方式是触杀、胃毒还是熏蒸等等。进一步需要研究的是有效成分的作用机理，即药剂在有害生物体内如何发挥作用，其作用部位和作用靶标分别是什么。在此基础上，研究如何扩大作用谱或提高防治效果。

⑥应用技术方面的研究。包括防治对象的确定，施药方式及剂量，防治适期，施药后的持效期，抗性的风险性评价以及延缓抗性的措施等。

⑦环境毒理学研究。对有害生物具有防治效果仅仅是植物源农药是否具有开发价值的一个重要方面，能否实现商业化，则还需要对其进行环境毒理学方面的评价。其中包括：对哺乳动物的急性以及慢性毒性，对鱼类、鸟类、蜜蜂、家蚕、天敌、蚯蚓以及土壤微生物等非靶标生物的影响，在土壤中的淋溶及降解等。

2.有效成分的结构改造

对有效成分的结构改造，主要是针对结构比较复杂，目前尚难以人工合成的天然产物分子进行改造，即以现有天然产物进行一系列同系物合成、筛选。其目的在于提高活性，降低毒性，或者改善其他性能，如扩大作用谱、改变作用方式或增加稳定性等。在这方面最成功的例子是对微生物源杀虫杀螨剂阿维菌素的结构改造。阿维菌素是迄今为止药效最高、用量最低的杀虫剂之一，但由于其对人畜的急性毒性较高及对鳞翅目害虫的活性较低，限制了它在家畜寄生虫病及农业防治上的应用。为此，各国科学家对其进行了结构改造修饰，衍生合成了上千个化合物，从中筛选开发出依维菌素、甲氨基阿维菌素等优秀的杀虫剂品种。植物源农药在这方面尚缺乏成功的例子，近年来，西北农林科技大学等单位对苦皮藤素进行了这方面的研究。以苦皮藤素V为原料，对其C6位羟基进行修饰，制备了苦皮藤素V的酯类、醚类和酮类等简单衍生物，生测结果表明，与苦皮藤素Ⅴ的杀虫活性相比，其乙酯衍生物的杀虫活性提高20.9％，烯丙基醚衍生物的杀虫活性提高11倍，而其酮的衍生物则完全丧失杀虫活性。

3.发现先导化合物

天植物源农药研究与开发的重点应是第三个层次的研究，即从天然存在的化学品中获得具有农药生物活性的先导化合物。所谓先导化合物，是指通过生物测定，从众多候选化合物中发现和选定具有某种农药活性的新化合物，一般具有新颖的化学结构，并有衍生化和改变结构的发展潜力，可以用作起始研究模型，经过结构优化，开发出受专利保护的新农药品种。从新农药创制的角度看，活性先导化合物应符合下述条件：高活性，新的分子结构类型，结构相对简单、可塑性强。植物源农药在这方面成功的例子甚多，较早的有以毒扁豆碱为先导，开发了西维因、速灭威、异丙威等氨基甲酸酯类杀虫剂；以天然除虫菊素为先导化合物，开发出了当今几十个高效拟除虫菊酯类杀虫剂。近年来这方面的例子是以烟碱这一古老的植物杀虫剂为先导，拜耳公司成功地开发出了吡虫啉，日本曹达株式会社则开发了啶虫脒，日本武田制药开发了nitenpyran，从而开创了一类全新的烟酰亚胺类杀虫剂（图2-1）。