内蒙古地区植物源农药资源的研究进展△
2017-09-21那木汗李彩峰汤健张春红杨治国李旻辉
那木汗,李彩峰,汤健,张春红,4,5,杨治国,李旻辉,,4,5*
(1.包头医学院,内蒙古 包头 014060;2.内蒙古自治区中医药研究所,内蒙古 呼和浩特 010110;3.内蒙古联硕生物医药研究所,内蒙古 包头 014060;4.内蒙古自治区特色药用植物培育与保护工程技术研究中心,内蒙古 包头 014060;5.内蒙古自治区特色道地药材资源保护与利用重点实验室,内蒙古 包头 014060))
内蒙古地区植物源农药资源的研究进展△
那木汗1,李彩峰2,汤健1,张春红1,4,5,杨治国3,李旻辉1,2,4,5*
(1.包头医学院,内蒙古 包头 014060;2.内蒙古自治区中医药研究所,内蒙古 呼和浩特 010110;3.内蒙古联硕生物医药研究所,内蒙古 包头 014060;4.内蒙古自治区特色药用植物培育与保护工程技术研究中心,内蒙古 包头 014060;5.内蒙古自治区特色道地药材资源保护与利用重点实验室,内蒙古 包头 014060))
植物源农药是近年来国内外新型安全农药研究开发的热点之一。本文通过文献整理及数据统计对内蒙古地区的植物源农药现状进行了梳理,结果表明目前内蒙古地区已有22科,46种植物作为植物源农药进行开发利用,有10科的50种植物有植物源农药研究价值。进而对该地区植物源农药的资源概况、种类和已报道植物源农药作用机理、有效成分及植物源农药未来展望等方面做了相关介绍,以期为内蒙古地区植物源农药的开发利用提供科学的参考依据。
植物源农药;资源概况;研究进展;开发利用
植物源农药是来源于植物的一类农药,包括植物源杀虫剂、植物源杀菌剂、植物源除草剂等。其有效成分是植物体中的次生代谢产物,如生物碱类、黄酮类、萜类、酚类等。具有不易破坏生态平衡、降解速度快、对非靶标生物安全、活性成分的作用方式特异等特点,在有机农业领域有着广泛的应用[1]。20世纪70年代后,由于大量使用化学农药所带来的土壤、水质污染等环境问题日益严重,农药所导致的社会问题和生态问题也越来越受到人们的关注。因此,发展生物农药成为保障人类健康和农业可持续发展的重要趋势,而植物源农药因具有降解快、低毒、低残留等特点而备受瞩目与青睐,逐渐成为生物农药研究开发的热点之一。内蒙古地区植被丰富,蕴藏着大量可供开发的植物源农药,本文从内蒙古地区植物源农药的种类、资源概况、作用机理及资源发展存在的问题和展望等几个方面进行论述以期为内蒙古植物源农药的高效研究、开发与利用提供参考。
1 内蒙古地区植物源农药资源概况
内蒙古自治区地处我国北部边疆(97°E~126°E,37°N~53°N),幅员辽阔,高原面积大(53.4%),距离海洋较远,边沿有山脉(20.9%)阻隔,总面积118.3万km2,主要以温带大陆性气候为主。据《内蒙古植物志》记载,全区有植物131科、660属、2174种。通过文献整理及数据统计表明内蒙古自治区可做潜在植物源农药资源的有22科61属96种植物,见表1;其中已有研究报道的植物源农药资源有20科35属46种,分属于瑞香科、毛茛科、豆科、柏科、大戟科、菊科、蒺藜科、萝藦科、伞形科、无患子科、杜鹃花科、荨麻科、木兰科、木贼科、百合科、罂粟科、茄科、旋花科、堇菜科,见表2;其余为目前未有研究报道但具有做植物源农药潜力的植物,目前统计的有50种,分别存在于毛茛科、豆科、大戟科等10科33属中[2-3],见表3。
表1 内蒙古地区植物源农药资源统计
表2 内蒙古地区已有研究的植物源农药资源简介
表2(续)
表2(续)
表3 未研究过但有潜力作植物源农药的植物资源
表3(续)
2 内蒙古植物源农药资源分类
2.1 植物源杀虫剂
大量使用化学合成农药导致了农药残留增加、害虫抗药性提高、天敌杀伤和害虫再猖獗等问题,促使研究人员更加重视研究与环境有较高和谐度的植物源杀虫剂[86]。目前,可做植物源杀虫剂的内蒙古植物资源研究较多,现按照作用机理介绍如下。
2.1.1 杀虫作用机理 植物源农药对昆虫具有的生物活性作用,多是影响其消化、运动和感官系统正常功能而达到杀虫效果,例如对害虫常表现出触杀、胃毒、拒食、忌避、抑制生长发育等特殊的活性[87]。如豆科槐属植物苦豆子的总生物碱[17-18],苦参的苦参碱[20]对多种田间害虫都具有的杀虫作用,萝摩科鹅绒藤属牛心朴子[35]的生物碱具有强烈的拒食作用。
2.1.1.1 触杀与胃毒作用 具有触杀作用的植物源农药可干扰或抑制昆虫的神经中枢或呼吸系统,该类药剂的主要杀虫作用机制是药剂经虫体表皮或吸食进入消化系统后,造成局部刺激,引起反射性虫体兴奋,先抑制虫体感觉神经末梢,后抑制中枢神经致害虫死亡[88]。在内蒙古自治区植物资源中如蒺藜科蒺藜属植物蒺藜的水提取物对棉铃虫有很好的触杀作用[33]。
具有胃毒作用的植物源农药通过害虫的口器和消化道进入虫体使害虫中毒死亡。在我区植物资源中,已有研究发现具有胃毒的植物源农药有毛茛科乌头属植物北乌头的乙醚提取物对粘虫的胃毒活性为55%[6];柏科圆柏属植物砂地柏果实提取物对菜青虫具有拒食、胃毒和触杀作用,对粘虫和小菜蛾则表现出不同程度的拒食和胃毒作用[27];茄科曼陀罗属植物曼陀罗叶的乙醇提取物对菜青虫的胃毒活性死亡率为92%[77];大戟科雀舌木属植物雀儿舌头根的不同提取物对小菜蛾幼虫有一定胃毒作用且差异不明显[60];菊科苍耳属植物苍耳的乙醇提取物的胃毒活性达94%[89]。
2.1.1.2 拒食与忌避作用 植物源农药引起害虫拒食与忌避作用的机理是其活性物质干扰了害虫的中枢神经系统或化学感觉器官。已有研究表明,含有萜烯类、生物碱类、醌类和香豆素类化合物的植物对昆虫具有较强的拒食作用,我区植物资源中如大戟科大戟属植物大戟对菜青虫和粘虫有拒食活性,拒食率分别为89.0%和71.5%[54];荨麻科荨麻属植物麻叶荨麻与宽叶荨麻粗提物对菜粉蝶五龄幼虫的拒食活性分别为73.7%与52.8%[64];百合科藜芦属植物藜芦氯仿提取物对3龄粘虫具有很强的拒食作用,48 h的拒食效果仍然在95%以上[71];罂粟科角茴香属植物节裂角茴香丙酮提取物对粘虫的拒食活性比较明显,72 h拒食率为81.33%[75];蒺藜科骆驼蓬属植物骆驼蓬中的生物碱对沙漠蝗虫有很强的拒食作用[30]。
忌避主要是利用植物内特殊物质在使用后散发出的特殊气味使昆虫感觉器官难以忍受致使昆虫离去,在我区植物资源中伞形科茴香属植物茴香挥发油对赤拟谷盗成虫的忌避率大于60%,其忌避作用的持效期能维持8周以上[90];豆科胡卢巴属植物胡卢巴种子的粗提物对杂拟谷盗成虫有很强的驱避作用[25];大戟科蓖麻属植物蓖麻叶与种子中含蓖麻碱对粉虱蚊蝇有驱避作用[91]。
2.1.1.3 抑制生长发育 许多植物源农药资源植物中都含有蜕皮激素或保幼激素,能抑制昆虫表皮的形成,影响昆虫的生长或导致昆虫的不育。已有研究发现,川楝、雷公藤的根皮提取物对一些昆虫的表皮具有破坏作用。我区植物资源中如大戟科大戟属大戟丙酮提取物能影响棉铃虫幼虫的生长发育,导致幼虫发育迟缓,化蛹率下降,供试虫死亡率达35%以上[55];豆科棘豆属植物小花棘豆的毒蛋白对幼虫生长量有一定的抑制作用[14];茄科曼陀罗属植物曼陀罗叶提取液对菜青虫生长发育表现出较强的抑制作用。
2.2 植物源杀菌剂
目前在欧盟进行有机研究中植物源杀菌剂作为替代唯一使用的铜杀真菌剂选择度较高[92],植物源杀菌剂是利用植物体内抗菌物质防治植物病害的药剂。在我区植物资源中大戟科大戟属植物泽漆种子的水提物具抗真菌活性,接种4天后能完全抑制核盘霉菌的生长繁殖,对轮枝菌也有显著的抑制活性[93];蒺藜科蒺藜属植物蒺藜的水提取物在终浓度为20 mg·L-1时,对小麦颖枯菌、小麦赤霉菌有较强抑制作用[33];伞形科当归属植物白芷内提取的Isoimperatorin,Phellopterin,Byakangelicin等苯丙素类化合物对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌、蜡叶枝孢菌有一定抑制作用[94];另外还发现许多植物具有较强的抑菌活性,如豆科槐属植物苦豆子[16]与苦参[19]等,植物源杀菌物质在自然界中广泛存在,是寻找理想杀菌剂的重要来源。
2.3 植物源除草剂
目前世界上已发现30多个科的植物含有近百种具有除草作用的天然化合物[95],很多有毒植物都能产生具有植物毒性的次生代谢产物,以此获得生长优势,其次生代谢产物具有开发为植物源除草剂的潜力。在我区植物资源中如萝摩科鹅绒藤属多年生植物牛心朴子中提取出的生物碱具有很高除草活性,当浓度为1 mg·L-1时,对反枝苋主茎及主根生长抑制率分别达到了84.2%和85.4%[34];如茄科曼陀罗属植物曼陀罗中的曼陀罗碱具有独特植物生长抑制机理[96]。柏科圆柏属植物砂地柏中所含的鬼臼毒素和脱氧鬼臼毒素,鬼臼毒素对反枝苋和野燕麦根的抑制效果最强,其抑制率分别为93.39%和86.28%,脱氧鬼臼毒素对婆婆纳、野燕麦和反枝苋根的抑制效果最强,抑制率分别为95.62%,89.46%,84.48%[97]。
3 内蒙古植物源农药有效成分
植物源农药中的生物活性成分按化学结构可分为:生物碱类(Aokaloids)、萜类(Terpenens)、黄酮类(Flavonoids)、挥发油类(Volatile Oils)等,相对应得植物种类见表2。
3.1 生物碱类
生物碱属于植物的次生代谢物,具有明显的生理活性,内蒙古地区植物源农药所含的生物碱类成分主要有喹诺里西啶类生物碱(Quinolizidine alkaloids)、二萜类生物碱(Diterpenoid alkaloids)、吡啶类生物碱(Pyridine alkaloids)以及其他生物碱。豆科槐属植物苦参与苦豆子中所含的喹诺里西啶类生物碱如苦参碱,目前作为一种广谱植物源杀虫剂,与化学农药“氧化乐果”有着相似的杀灭蚜虫的功效[16],苦豆碱则对线虫有很高的毒杀作用[17],金雀花碱可抑制亚热带粘虫的生长发育[98];豆科棘豆属植物小花棘豆总生物碱对部分革兰氏阳性菌具有较好的抑菌活性,其中对枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌的效果最好[15];豆科胡卢巴属植物胡卢巴中所含杀虫活性吡啶类生物碱主要为胡卢巴碱,对害虫谷象有忌避作用,百合科藜芦属植物藜芦中提取的藜芦碱具有很强的毒性,本身抵御害虫能力较强可防治田间害虫[99],其所含的里安那碱可防治玉米螟、甘蔗螟和苹果蠹蛾,现主要用于防治柑橘害虫[100];从毛茛科乌头属植物中提取物中有较多具有生物活性的生物碱,如牛扁中提取的二萜类生物碱对枯草杆菌有抗菌活性[11];黄花乌头其生物碱部分对蝇类、虱、蚊子与萝卜蚜等害虫有生物活性,对粘虫有触杀和胃毒作用,其所含次乌头碱对甜菜夜蛾有较强的胃毒、拒食和生长抑制作用,此外还对松树毛虫、桃蚜与菜青虫等夜间害虫也有良好的触杀作用[12]。生物碱除了杀虫作用外还有抑菌活性,如白喉乌头的总生物碱药液在20mg·mL-1的浓度下对瓜类腐皮镰孢菌及黄瓜疫病菌有强烈抑制作用,抑制率为100%[13]。大戟科植物狼毒大戟其狼毒乌头碱已有相关专利发明,如李军等[101]人发明了一种狼毒乌头碱生物农药(CN1264541),特别适用于直接入口的瓜、果、蔬菜,一次施用可多项防治,节约资金,节省工时,与现有农药对比试验结果得出亩总药资投入减少30~40%,且不易产生抗药性。
3.2 萜类成分
内蒙古地区含萜类成分植物源农药分别来源于毛茛科白头翁属植物白头翁中提取的三萜皂苷,对落叶松毛虫、舞毒蛾、蚜虫有触杀作用[8-9];菊科苍耳属苍耳中提取的的倍半萜内酯化合物苍耳素具有很强的胃毒活性[73]。
3.3 黄酮类成分
内蒙古地区含黄酮类化合物植物源农药植物植物分别来源于瑞香科狼毒属狼毒中提取的新狼毒素A[4],对昆虫有触杀与胃毒作用;豆科槐属苦参中所含的苦参酮和槐属二氢黄酮G对蚊子及真菌、细菌均有强的杀虫抑菌作用[19]。
3.4 挥发油类
挥发油是植物内提取的挥发性芳香物质,对害虫有较高的活性,并对人畜无毒,具有良好的驱虫、杀虫与抑菌作用。在内蒙古地区含挥发油成分的植物源农药资源植物中,伞形科茴香属植物茴香中的挥发油对产气肠杆菌、肺炎杆菌、绿脓杆菌、粘质沙雷氏菌与产气荚膜梭菌的生长有一定的抑制作用[102];木兰科五味子属植物五味子中的挥发油对南方根结虫与玉米象具有触杀作用,熏蒸剂即可满足杀虫需要[67]。
3.5其他成分
植物的次生代谢物多种多样,除上述几种次生代谢物外,内蒙古地区植物源农药资源还有无患子科文冠果属植物文冠果,该植物中的甾醇具有杀菌作用;苍耳体内含有的β-谷甾醇对菜青虫具有很强的拒食作用[73];罂粟科角茴香属植物节裂角茴香中的有机酸成分对粘虫拒食和生长发育抑制都具有很高的生物活性[75];蓼科大黄属华北大黄中醌类化合物大黄素甲醚对白粉菌、镰刀菌与炭疽菌等10多种病原菌有杀菌活性[85];豆科棘豆属植物小花棘豆中的毒蛋白对棉铃虫与棉蚜有触杀作用[14];苯丙素类化合物是植物内天然存在具有抗菌活性的化合物,在伞形科植物白芷、旱芹、防风、蛇床子等中都含有的苯丙素类成分[103]。
4 内蒙古地区植物源农药资源的利用与问题
我区拥有大量的具有生物活性的植物资源,在这些植物源农药资源中豆科植物苦豆子与苦参、萝藦科植物牛心朴子、百合科植物藜芦、伞形科植物蛇床与柏科圆柏属植物砂地柏等植物已有进行过农药登记,许可销售的成品农药与药肥。例如已有生物公司利用苦豆子和牛心朴子的提取物制备的农药组合申请专利(CN105284914 A),能够很好的杀灭同翅目与半翅目害虫[104];将苦豆子和牛心朴子残渣混配加以改造后研发出兼具防虫抑菌与营养的新一代多功能生态环保型药肥,并获得发明专利授权(ZL200710026023.X)[105];苦参中提取的苦参碱于1993年登记生产后,已有单剂与复方剂型,并有水剂、乳油、可溶性液剂与粉剂4种剂型,主要登记在瓜果、蔬菜上使用;其衍生产物氧化苦参碱目前有0.1%水剂与0.6%氧化苦参碱·补骨内酯水剂,可分别用于防治花卉蚜虫和十字花科蔬菜菜青虫,已有研究人员用含有苦参碱的中药提取液申请杀虫水剂专利(CN104365687 A),对同翅目虫和鳞翅目虫有显著的杀伤性[106];藜芦中提取的藜芦碱制成了0.5%可溶性液剂,可用于防治棉花棉铃虫、棉蚜和十字花科蔬菜菜青虫,目前已有用藜芦为原料的稻米专用植物杀虫剂专利公布(CN105076260 A)[107];蛇床子中的蛇床子素制成0.4%蛇床子素乳油,以触杀作用为主,胃毒作用为辅,对十字花科蔬菜菜青虫和茶树茶尺蠖有较好防效[108],并且已有蛇床子素杀虫剂专利申请(CN103651359 A),此款杀虫剂克服了其他生物农药单一性、见效慢的缺点[109];砂地柏中所含的鬼臼毒素和脱氧鬼臼毒素以及粗提物具有杀虫活性,目前已有可湿性粉剂、乳油制剂和微乳剂等多种制剂产品[110]。
我区其他野生植物大多生长于各种自然生境中,未被有效利用。一些大戟科大戟属植物如泽漆、地锦与大戟,伞形科毒芹属植物毒芹,瑞香科狼毒属植物狼毒等,生于林缘、路边、草地与荒坡,资源储量大具有重要的开发利用价值。内蒙古可做植物源农药的大部分植物均为有毒植物,其中多数植物粗提取物有杀虫与抑菌作用。表3中均为在内蒙古存在的植物,但尚未有报道其杀虫抑菌除草活性,有做植物源农药潜力的有毒植物资源。
调查发现许多植物源农药植物资源未被人们所重视,导致在农药活性植物资源筛选及开发利用上存在一定的盲目性。主要表现为:(1)在内蒙古地区大部分植物源农药资源没有开发利用,仅有苦豆子、苦参、藜芦、蓖麻、蛇床、华北大黄等少数植物源农药资源得到初步利用,已利用的植物源农药资源仅占总数的10%左右。(2)在内蒙古地区很多植物源农药资源的农药价值没有被人们重视,如无患子科文冠果属植物文冠果有很多野生与人工栽培的资源,然而主要用果实来榨取食用油,其叶、种子中的抗菌活性没被利用;蒺藜科骆驼蓬属植物骆驼蓬与蒺藜属植物蒺藜资源丰富,其毒性并没有被利用到农业中;菊科苍耳属苍耳全株有毒,在我区全境都有分布,但被当做杂草处理。(3)随意采挖野生资源,在内蒙古阿拉善地区苦豆子储量丰富,但人工栽培规模小,目前随着需求的增加,人们大量采挖导致野生资源减少,并破坏当地脆弱的荒漠生态环境,违背了植物源农药“无公害”的禀性。
5 内蒙古植物源农药资源的未来展望
农作物的病虫害是限制我区农业生产发展的严重灾害,每年耗费大量的社会资源改善农业灾害。在国际上,2016年全球生物农药的产值已超过20亿美元,据国家统计局数据显示,2016年上半年生物农药及微生物农药同比增长27.4%,其中植物源农药占了相当大的比例,农业部农药检定所调查处于正常生产的植物源农药有14个,我区虽为传统农牧业省区,但目前尚未建立具有规模化的植物源农药生产企业。此外我区植物源农药资源如瑞香狼毒、牛心朴子、小花棘豆和狼毒大戟等植物资源储量丰富,为植物源农药的拓展提供了广阔的市场空间与资源储备。与此同时,随着《食品安全法》、《农产品质量安全法》等法规颁布实施,以及人们对食品安全与生活质量的要求提高,食物的有机生产将受到更多关注。而植物源农药的“无公害”特性符合食品安全生产,利用这些植物资源开发新的植物源农药必将迎来新的发展契机,有广阔的存在和发展空间。
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ResearchProgressofBotanicalPesticideResourcesinInnerMongolia
NA Mmuhan1,LICaifeng2,TANGJian1,ZHANGChunhong1,YANGZhiguo3,LIMinhui1,2,4,5*
(1.BaotouMedicalCollege,Baotou014060,China;2.InnerMongoliaAutonomousRegionAcademyofChineseMedicine,Hohhot010110,China;3InnerMongoliaLianShuoInstituteofBiomedicalResearch,Baotou014060,China;4.InnerMongoliaResearchCenterofCharacteristicMedicinalPlantsCultivationandProtectionEngineeringTechnology,Baotou014060,China;5.InnerMongoliaKeyLaboratoryofCharacteristicTraditionalChineseMedicinalResourcesProtectionandutilize,Baotou014060,China)
[Abstract]Botanical pesticides is one of the hot spots in the research of new safety pesticides all over the world in recent years.This paper analyzed the current situation of Botanical pesticides in Inner Mongolia through literature study and data statistics ,and the results showed that there were 46 species of 21 families which have been studied and 50 species of 10 families which would been studied as botanical pesticides in Inner Mongolia.In the meantime,we introduced the resource situation,types,mechanism,active components and prospects of botanical pesticides to provide scientific references for the development and utilization of botanical pesticides in Inner Mongolia.
Botanical pesticides;resource situation;research progress;development and utilization
名贵中药资源可持续利用能力建设项目(2060302);内蒙古自治区科技计划项目(蒙药资源保护与开发利用科研创新平台)
] 李旻辉,教授,研究方向:中蒙药资源保护与开发利用、分子生药学;Tel:(0471)-6262232,E-mail:li_minhui@aliyun.com
10.13313/j.issn.1673-4890.2017.7.003
2017-05-04)
*[