生物源除草活性物质开发及应用研究进展

张红梅, 陈玉湘, 徐士超, 王 婧,蒋建新, 赵振东*,

(1. 中国林业科学研究院 林产化学工业研究所，生物质化学利用国家工程实验室，国家林业和草原局林产化学工程重点实验室，江苏省生物质能源与材料重点实验室，南京 210042；2. 北京林业大学 材料科学与技术学院，北京 100083；3. 南京林业大学 林业资源高效加工利用协同创新中心，南京 210037)

施用除草剂是保障农业生产的重要举措之一[1-2]。近年来，因除草剂过度使用而引发的环境污染、生物毒性及杂草抗性等问题频发，使粮食生产受到威胁。为解决这一问题，实现绿色发展目标，急需开发新型环境友好型除草剂，而生物源除草剂为此提供了一种可行的方案[3-5]。生物源除草剂理论上包括植物源除草剂、微生物源除草剂和动物源除草剂。目前，针对植物源除草活性物质和微生物源除草活性物质的研究日益增多，已具有丰富的研究成果，而动物源除草活性物质尚未见报道[6]。在全球超过30 科植物中，已发现具有除草活性的天然化合物有2 000 多种，根据其结构可分为萜烯类、生物碱类、香豆素类等类型，主要来源植物有松科、桃金娘科、菊科等[7-8]。微生物源除草活性物质主要来自于真菌、细菌、放线菌、病毒及其产生的次生代谢产物，其中真菌是第一大来源，有超过40 属的真菌有望开发为生物源除草剂[9]。生物源除草剂具有活性物质来源多、分布广、易降解、污染小、对非靶标杂草安全等优点[10-11]，而以天然资源为基础进行化学或生物改造，发掘结构新颖的化合物，同时探究除草剂作用机制和靶标，是研究开发生物源除草剂产品的重要方法[12-13]。为此，本文拟从生物源除草活性物质的来源、分类、化学改性合成和除草活性等方面的研究进展展开综述，并分析其优缺点，以期为生物源除草剂的开发和应用提供参考。

1 植物源除草活性物质及其衍生物

植物源除草活性物质是指具有除草活性的植物次生代谢产物，在许多植物中均有发现，如松科、桃金娘科、芸香科、唇形科、菊科等。虽然天然产物具有优良的抑制杂草生长的活性，但由于其存在含量低、性质不稳定、纯化困难等问题，难以大范围应用，因此，利用天然产物及其结构类似物进行结构修饰，改变分子结构中的不足之处，引入活性基团后创制新农药，已成为开发新型除草剂的方向之一[13]。目前，针对天然除草活性物质的化学改性研究主要集中在萜烯类，已合成出多种活性衍生物，包括席夫碱类、酰胺类、硫脲类等，此外，关于香豆素类、醌类也有少量研究。

1.1 松科 (Pinaceae) 植物分泌物及其衍生物

松节油是由松脂经蒸馏得到的挥发性成分，主要成分为α-蒎烯 (α-pinene，1，图式1) 和β-蒎烯 (β-pinene，2) 。α-蒎烯在植物化感作用上发挥着重要的作用。Abrahim 等[14]指出，α-蒎烯在浓度为0.1 mmol/L 时即能完全抑制玉米线粒体的呼吸作用而使其死亡。Feo 等[15]发现，α-蒎烯在播种120 h 后仍具有明显的抑制种子萌芽和胚根生长的作用，在光照和黑暗条件下均有效。Martino等[16]对27 种单萜，如α-蒎烯和β-蒎烯对萝卜和独行菜萌芽和胚根生长的研究表明，这两种化合物比其他组分具有更显著的植物毒性。Singh 等[17]研究发现，使用α-蒎烯处理决明子根能够增强其溶质渗漏作用，增加丙二醛、脯氨酸和过氧化氢的含量，并抑制其生长。

α-蒎烯性质活泼，易发生化学反应，其改性产物有席夫碱、仲胺、酰胺、硫脲和肟酯等类型。赵振东课题组[18-22]从松节油或α-蒎烯出发合成的3-对䓝烯-1-胺席夫碱及仲胺类化合物、顺-1,8-对䓝烷二胺席夫碱及仲胺类化合物，表现出了良好的除草活性，其中：化合物N-(4-氯-苯亚甲基)-4-异丙基-1-甲基环己胺-3-烯胺 (N-(4-chlorobenzylidene)-4-isopropyl-1-methylcyclohex-3-enamine，3) 和N-(2,6-二氯-苯亚甲基)-4-异丙基-1-甲基环己胺-3-烯胺 (N-(2,6-dichlorobenzylidene)-4-isopropyl-1-methylcyclohex-3-enamine，4) 对稗草根的抑制作用分别比草甘膦高出78.3%和355.6%[18-19]；顺-N-((5-溴呋喃-2-基) 亚甲基)-4-(2-(((5-溴呋喃2-基)-亚甲基) 氨基)-丙烷-2-基)-1-甲基环己胺 (cis-N-((5-bromofuran-2-yl)methylene)-4-(2-(((5-bromofuran-2-yl)methylene)amino)propan-2-yl)-1-methylcyclohexanamine，5) 对黑麦草芽长的抑制作用比敌草隆高出51.0%[20]；化合物N-(4-氟苄基)-3-对䓝烯-1-胺 (N-(4-fluorobenzyl)-4-isopropyl-1-methylcyclohex-3-enamine，6) 对稗草根生长的IC50值为0.03 mmol/L(相当于7 mg/L) ，且在100 mg/L 时对6 种杂草的抑制率均在90%以上，对6 种农作物几乎无药害作用[21]；化合物N,N′-双 (4-三氟甲基苄基) -顺-1, 8-对䓝烷二胺 (N,N′-(4-trifluoromethyl benzyl)-cis-1,8-pmenthane-diamine，7) 和N,N′-双 (4-甲硫基苄基) -顺-1, 8-对䓝烷二胺 (N,N′-(4-methylthio benzyl)-cis-1,8-pmenthane-diamine，8) 对稗草根生长的IC50值分别为0.08 mmol/L 和0.06 mmol/L，与敌草隆 (对稗草根生长的IC50值为0.07 mmol/L)相当 ，且这些化合物对正常哺乳动物细胞毒性非常小，因此对䓝烷型化合物具有开发为植物源除草剂的潜力[22]。

廖静妮等[23]以α-蒎烯为原料合成了N-氨乙基萜品烯马来酰亚胺 (N-aminoethyl-terpinene maleimide，9) ，在100 mg/L 质量浓度下对油菜胚根生长的抑制率为92.3%，活性级别为A 级。Liu 等[24]将α-蒎烯转化为化合物2-甲氧基苯基-N-氨乙基-萜品马来酰亚胺基硫脲 (2-methoxyphenyl-N-aminoethyl-terpinene-maleimide-based thiourea，10) ，其在100 mg/L 时对油菜胚根生长的抑制率为82.0%，活性级别为A 级。Hu 等[25]以α-蒎烯为原料合成的肟酯类化合物(E)-马鞭草烯酮-O-β-吡啶基-羰基-肟 ((E)-verbenone-O-β-pyridylcarbonyloxime，11) 在100 mg/L 时对油菜根长抑制率为92.1%，优于丙炔氟草胺 (抑制率为63.0%) 。林桂汕等[26]以α-蒎烯为原料合成了新型的蒎酸基双酰腙类化合物，在100 mg/L 时，蒎酸基双苯酰腙(pinacid bisbenzoyl hydrazone，12) 和蒎酸基双对氟苯酰腙 (pinacid bis-fluorobenzoylhydrazone，13)对油菜胚根生长的抑制率为70.1%和73.2%。Lin等[27]以α-蒎烯为原料合成了双噻二唑类化合物，其中α-蒎烯衍生-2,2-二甲基苯基双噻二唑 (αpinene-based-2,2-dimethylphenyl thiadiazole，14)

和α-蒎烯衍生-3, 3-二甲基苯基双噻二唑 (α-pinenebased-3,3-dimethylphenyl thiadiazole，15) 在100 mg/L 时对油菜胚根生长的抑制率为73%和68%。黄道战等[28-29]分别以α-蒎烯为原料，以H2O2为氧化剂，经钨酸盐催化氧化合成了桉叶素类似物(ester derivatives of (3R,4R)-4,7,7-trimethyl-6-oxabicyclo[3.2.1]octane-3,4-diol，16～18) ，它们对黑麦草根生长的IC50值分别为0.24、0.17 和0.14 mmol/L，效果与草甘膦 (对黑麦草根生长的IC50值为0.14 mmol/L)的接近，对芽生长的IC50值分别为0.11、0.15 和0.12 mmol/L，效果略优于草甘膦 (对黑麦草芽生长的IC50值为0.41 mmol/L) 。Wang 等[30]以3-蒈烯为原料，经过CrO3-Al2O3氧化和13X 型分子筛催化异构化，制备了5-异丙基-3-甲基苯酚 (5-isopropyl-3-methylphenol，19) ，在0.0 7 8 m m o l/L 时对稗草根生长的抑制率为64.0%，具有一定的除草活性。虞友培等[31]将3-蒈烯转化为蒈酸基双酰肼类化合物 (caric acid-based diacylhydrazine compounds，20) ，在100 mg/L 时化合物蒈酸基3′,4′-二甲氧基苯甲酰肼、蒈酸基m-甲氧基苯甲酰肼、蒈酸基m-甲基苯甲酰肼和蒈酸基苯甲酰肼对油菜胚根生长的抑制率分别为88.5%、86.1%、85.1%和82.6%，活性水平均为A 级，优于阳性对照丙炔氟草胺 (抑制率63%) 。Gao 等[32]以海松酸为原料合成了丙烯海松酸双酰基硫脲衍生物 (acrylopimaric acid diacylthiourea derivatives，21) ，其在有效成分200 g/hm2剂量下对稗草的抑制率高于80%，当剂量低至25 g/hm2时仍有57%的抑制率，其EC50值低于甲磺草胺。

1.2 桃金娘科 (Myrtaceae) 植物提取物及其衍生物

桃金娘科植物中的除草活性物质主要来源于桉属 (Eucalyptus) 和红千层属 (Callistemon) 。早在20 世纪60 年代，桉叶素就被认为是一种可能具有生物活性的植物毒素，它有1,8-桉叶素 (1,8-cineole，22，图式2) 和1,4-桉叶素 (1, 4-cineole，23) 两种异构体，研究表明它们均能抑制杂草的生长[33]。Singh 等[34]研究发现，1,8-桉叶素能抑制藿香蓟的萌芽速度、幼苗生长和呼吸作用。纤精酮 (leptospermone，24) 是从扫帚叶澳洲茶树Leptospermum scoparium和澳大利亚红千层Callistemon uiminalis中分离得到的三酮类化合物，具有芽前与苗后处理能使阔叶与禾本科杂草产生白化症状而玉米耐受的优点[35]。

从1,4-桉叶素出发已合成大量的1,4-桉叶素衍生物，其结构可分为3 类：对于结构Ⅰ (25) ，当R 为炔基时，在用量为24 g/hm2时，其对稗草和旱雀麦具有很好的防除效果，对独行菜和苘麻具有中等强度的抑制作用；对于结构Ⅱ (26) ，当R1相同、R2不同时，结构的变化对除草活性的影响不大，在用量分别为24 和12 g/hm2时，能够很好地抑制独行菜根和芽的生长。当R1=CF3、R2=CH2CH3时，化合物对反枝苋、苘麻和白花牵牛有很好的防除效果；对于结构Ⅲ (27) ，苯环上连有供电子基的化合物的除草活性优于连有吸电子基的[36]。Barton 等[37]合成了一系列1,4-桉叶素酯类和1,8-桉叶素酯类化合物，其对黑麦草和萝卜发芽和生长表现出良好的抑制活性。

1.3 芸香科 (Rutaceae) 植物提取物及其衍生物

含有除草活性物质的芸香科植物主要为柑橘属 (Citrus) 、黄皮属 (Clausena) 、花椒属(Zanthoxylum) 等。Fagodia 等[38]发现，来檬Citrus×aurantiifolia精油具有一定的除草活性，其主要成分为40.9%的柠檬烯 (limonene，28，图式3) 和27.5% 的柠檬醛 (citral，29) ，其中柠檬醛在250 mg/L 时对细虉草发芽、胚芽鞘和根生长的抑制率为90%、80%和80%，且在10～100 mg/L 下作用24 h，能够改变洋葱根尖分生组织细胞的分裂指数，增加染色体畸变。Zobel 等[39]从柠檬Citrus limon叶中得到了多种香豆素类化合物，如东茛菪亭 (scopoletin，30) 、欧前胡素 (imperatorin,31) 和邪蒿素 (seselin, 32) 等，均具有明显的除草活性。Lee 等[40]研究了17 种香豆素对稀脉浮萍和小球藻的除草活性，发现东莨菪亭、3-苯并呋喃酮和伞形花内酯等化合物在125 mg/L 时对稀脉浮萍的抑制率高于80%，其IC50值在10～20 mg/L范围内。卢海博等[41]从黄皮Clausena lansium甲醇提取物中分离得到的黄皮素内酯Ⅱ (2′,3′-epoxyanisola，33)，在80 mg/L 时对稗草根长、茎长和鲜重的抑制率分别为96.0%、84.7%和89.8%，IC50值分别为66.9、78.4 和133 mg/L。董存涛等[42]利用活性基团拼接法合成了5 种结构新颖的异香豆素衍生物，其中3-己基-4- (3-氯苯基) -6,7-二甲氧基异香豆素 (3-hexyl-4-(3-chlorophenyl)-6,7-dimethoxy iso-coumarin，34) 在50 mg/L 下对拟南芥和马唐茎叶生长的叶抑制率为90%和85%。Rios等[43]从花椒Zanthoxylum affine地上部分提取得到了蒙花苷 (linarin，35) ，其在0.05 mmol/L 时对莴苣种子发芽的抑制率为88.6%，72 h 内莴苣种子的呼吸作用降低了66.7%，在0.15 mmol/L 时能抑制61% ATP 的合成，且能抑制根尖细胞分化。

1.4 其他木本植物提取物及其衍生物

其他木本植物如中国粗榧Cephalotaxus sinensis、山核桃Carya cathayensisSarg.、胡桃Juglans regiaL.、臭椿Ailanthus altissimaSwingle、香樟Cinnamomum camphora等的提取物和衍生物也具有一定的除草活性。拓亚琴等[44]研究发现，中国粗榧总生物碱对反枝苋种子萌发及根茎生长有抑制作用。马树杰等[45]从中国粗榧枝叶中分离得到8 个生物碱类化合物，其中桥氧三尖杉碱 (drupacine，36，图式4) 对双子叶杂草具有较好的除草活性，对反枝苋幼根和幼芽的EC50值分别为21.01 mg/L 和25.51 mg/L。张金云[46]从山核桃外果皮中分离到的4,8-二羟基-1-四氢萘酮(4,8-dihydroxy-1-tetralone，4,8-DHT，37) 对多种杂草如猫尾草、白三叶具有化感作用；以其为原料合成了4 类衍生物，其中8-羟基-4-(2,3-二羟基丙氧基)-1-四氢萘酮 (8-hydroxy-4-(2,3-dihydroxypropoxy)-1-tetrahydronaphthalone，38) 和8-(2,3-二羟基丙氧基)-4-羟基-1-四氢萘酮 (8-(2,3-dihydroxypropoxy)-4-hydroxy-1-tetrahydronaphtholone，39) 除草活性较强，具有开发为新型除草剂的潜力。胡琪瑶等[47]研究发现：采用36 mmol/L 的 4,8-DHT 土壤处理8 d，对陌上菜、拟鼠麴草、车前、碎米荠和匙叶合冠鼠麴草的株防效均高达100%，20 d 株防效为78%以上；对幼苗进行喷施处理，8 d 后对碎米荠、匙叶合冠鼠麴草和陌上菜的株防效分别为100%、100%和93.8%，药后20 d，株防效仍在87% 以上。分离自核桃树的胡桃醌 (juglone，40) 可通过自身氧化来抑制周围杂草的生长。Durán等[48]分别以胡桃醌、白花丹醌 (plumbagin, 41) 和指甲花醌 (lawsone, 42) 为原料，合成了一系列醚类和酯类衍生物，其中含烯丙氧基、游离羟基和1,2-二羰基的化合物在所有衍生物中活性最好。Feo 等[49]研究发现，臭椿根水提物对萝卜、水芹、马齿苋种子萌发具有抑制作用，其有效成分是一种四环二萜内酯类化合物——臭椿苦酮 (ailanthone，43) 。Demasi 等[50]研究了臭椿苦酮对独行菜和萝卜生长的抑制活性，发现在培养皿试验或盆栽试验中，7.5 mg/L 的臭椿苦酮溶液对植株生长有80%～90%的抑制作用，而在栽培基质中若达到相同效果则需要较高的质量浓度(≥30 mg/L)；植物毒性持久性结果表明，处理10 d 后，两种植物生长受抑制程度相当，而处理30 d 后对萝卜生长的抑制作用更明显，达到了45%。樟脑具有驱虫防霉的功效，林桂汕等[51]以樟脑为原料合成了樟脑基苯基硫脲化合物，在100 mg/L 时化合物樟脑基对溴苯基硫脲 (camphor-basedp-bromophenyl thiourea，44) 对油菜胚根生长的抑制率为60.2%。此外，麻风树Jatropha curcas、胡桃楸Juglans mandshurica、米仔兰Aglaia odorata、海桐Pittosporum tobira和紫丁香Syringa oblata等木本植物的次生代谢产物也具有一定的除草活性[52]。

1.5 唇形科 (Labiatae) 植物提取物及其衍生物

唇形科植物中百里香属 (Thymus) 、牛至属(Origanum) 、风轮菜属 (Satureja) 和紫苏属 (Perilla)等植物的次生代谢产物具有一定的除草活性。Kordali 等[53]研究表明：百里香属和牛至属植物精油中的香芹酚 (carvacrol，45，图式5) 和百里香酚(thymol，46) 在浓度为每个培养皿10 mg 时能完全抑制反枝苋和藜的种子萌发，盆栽试验每盆施用10 mg 时，48 h 后对反枝苋和藜的生长抑制率为96.3%和89.9%，效果优于除草剂2,4-D。Azirak等[54]也发现，百里香酚和香芹酚对萝卜和独行菜的萌芽和根生长具有抑制作用。Kashkooli 等[55]测定了百里香4 种生态型中精油的主要成分百里香酚 (20%～60.5%) 和香芹酚 (20.1%～63.4%) ，当精油浓度为800 μL/L 便能完全抑制反枝苋、曼陀罗和野燕麦种子发芽；600 μL/L 浓度处理下，反枝苋的茎鲜重、根鲜重和根干重均为0 g。Hazrati等[56]用风轮菜Satureja hortensisL. 精油 (含55.6%香芹酚，31.9%γ-松油烯) 制备了O/W 型微乳剂，4 mL/L时对2～4 叶期苋菜和藜可完全致死，5 d 内使细胞膜破裂、电解质渗漏。紫苏醛是从植物紫苏中提取得到的一种单萜醛类化合物，具有一定的除草活性。马媛等[57-58]以紫苏醛为原料，合成了紫苏醛基席夫碱-(硫)脲化合物和紫苏醛肟酯类化合物，在100 mg/L时，紫苏醛基环己基席夫碱硫脲 (perillaldehyde-based cyclohexyl Schiff base-(thio)urea，47) 对油菜胚根生长的抑制率为77.6%，紫苏醛基甲基肟酯类化合物 (perylaldehyde methyl oxime ester，48、49、50) 对稗草株高的抑制率分别为97.0%、91.0%和80.0%，活性级别为A 级。曾小静[59]以紫苏醛为原料合成了一系列紫苏仲胺类化合物，其中N-己基紫苏胺 (N-(nhexyl)perillyl-sec-amines，51) 和N- (2-甲基环己基) 紫苏胺 (N-(2-methylcyclohexyl)perillyl-secamines，52) 对稗草茎长的IC50值为0.07 mmol/L和0.11 mmol/L，对根长的IC50值为0.09 mmol/L和0.18 mmol/L，均优于莠去津。

1.6 菊科 (Asteraceae) 植物提取物及其衍生物

菊科是植物种类最多的科，其中含有除草活性物质的主要集中在蒿属 (Artemisia) 、苍耳属(Xanthium) 、金盏花属 (Calendula) 、蓟属(Cirsium) 和向日葵属 (Helianthus) 等。青蒿素(artemisinin，53，图式6) 是从黄花蒿Artemisia annuaLinn. 中提取到的一种倍半萜烯内酯类化合物，具有优越的抗疟疾活性，同时也能对许多杂草产生化感作用[60]。Shao 等[61]鉴定了白茎绢蒿Seriphidium terraealbae精油的主要成分：α-侧柏酮 (α-thujone，54，43.18%) 、β-侧柏酮 (β-thujone，55，16.92%) 、莰酮 (camphor，56，13.88%) 和桉树脑 (17.6%) ，在20 mg/L 时对反枝苋根长的抑制率分别为31.3%、70.6%、36.9%和66.6%，在5 mg/L时能完全抑制反枝苋和黄花蒿种子的萌发。猪毛蒿Artemisia scoparia精油富含侧柏酮、正丁醛及葛缕酮等物质，杨淑娟等[62]研究发现，质量浓度为0.1～10 mg/L 的猪毛蒿精油对稗草的根和茎生长有抑制作用，且光照能增强抑制效果。苍耳Xanthium spinosum是一种入侵植物，对周围植物有化感作用。Yuan 等[63]从苍耳Xanthium spinosum叶中分离到一种倍半萜内酯类化合物xanthatin(57) ，其在5、20、100 mg/L 时对反枝苋根的生长抑制率分别为32.5%、39.4%和84.7%。金盏花Calendula officinalis中的α-三噻吩 (α-trithienyl，58) 具有除草活性和杀线虫活性[17]。Kaab 等[64]从刺苞菜蓟Cynara cardunculus中分离得到黄酮苷类化合物柚皮素 (naringenin，59) 和杨梅苷 (myricitrin，60) ，柚皮素在100 mg/L 时对绛三叶草的枯死率为42%，杨梅苷在60 mg/L 时对绛三叶草的枯死率为40%，在芽前对绛三叶草根和胚轴处理5 d，抑制率为62%和26%。韦琦等[65]从藿香蓟Ageratum conyzoides地上部分提取物中分离得到胜红蓟素(ageratochromene, 61) ，其在500 mg/L 时能完全抑制稗草生长，抑制90%萝卜生长。王丽等[66]发现肿柄菊Tithonia diversifolia茎叶水提物在100 mg/L 时对稗草种子和玉米种子萌发的抑制率为92%和72%，其主要活性化合物为肿柄菊内酯A(tagitinin A, 62) 。从向日葵Helianthus annuus植株中分离得到的半日花醇系列化合物，以heliannuol A (63) 和heliannuol D (64) 活性最佳，在10−6mol/L浓度下可以抑制双子叶植物发芽[67]。此外，飞机草Eupatorium odoratum、紫茎泽兰Ageratina adenophora、豚草Ambrosia artemisiifolia和黄顶菊Flaveria bidentis等菊科植物的次生代谢产物也具有一定的除草活性[52]。

1.7 其他草本植物提取物及其衍生物

有些草本植物提取物也具有除草活性，如莎草属 (Cyperus) 、棉属 (Gossypium) 、黄连 (Coptis chinensis) 等。莎草茵 (cyperine，65，图式7) 是从莎草属植物中分离到的除草活性物质[33]。棉花根部分泌的独角金醇 (strigol，66) 能防治玉米、甘蔗田中的独角金，现已人工合成[68]。黄连根的主要成分为小檗碱 (berbericine, 67, 质量分数为5%～8%) ，400 mg/L 的黄连根须浸提液能抑制莴苣、绿豆、白菜种子中淀粉和蛋白酶水解，影响种子萌发，当其质量浓度达到800 mg/L 时，植株会出现根尖卷曲、根毛消失、畸形且变成褐色的受害症状[69]。此外，乌头Aconitum carmichaeli、野老鹳草Geranium carolinianum、石蝉草Peperomia blanda及中国马先蒿Pedicularis chinensis等草本植物的次生代谢产物也有一定的除草活性[52]。

可以看出，目前已有大量研究表明植物源除草活性物质具有广阔的应用前景，具有活性较高、来源广泛、化学改性衍生物种类丰富等优点，其中以对萜类化合物的研究最多，且其化学改性衍生物也具有较好的除草活性。但针对植物提取物及其衍生物除草活性的相关研究还不够深入，在除草活性、杀草机理、作用靶点、应用范围和供试物种等方面仍有较大的局限性，需要进行更全面、更深入的研究。

2 微生物源除草活性物质

微生物源除草活性物质主要来源于两类：一是直接利用活体植物病原微生物及其制剂，主要为真菌、细菌、放线菌和病毒四大类，其中利用最多的是真菌；二是利用微生物次生代谢产物，主要为多肽类、萜类、大环内酯类和酚类[70-71]。利用微生物防除杂草已有近200 年的历史，它是杂草防治工作中一个重要的研究内容。微生物源除草活性物质具有来源丰富、毒副作用小、选择性强、对环境友好、残留少、安全性高等优点[72]，大力推广使用生物源除草剂或仿生除草剂，对于促进环境友好型农业的发展具有重要意义。

2.1 真菌及其次生代谢产物

近年来，针对真菌除草活性的研究取得了突破性进展，有超过80 种真菌品种被研究，可防除约70 种杂草[72]，有望作为候选或已发展成生物源除草剂的有30 多种，其中最有生物潜能的有9 个属，包括刺盘孢菌属 (Colletotrichum) 、疫霉属(Phytophthora)、镰刀菌属 (Fusarium) 、交链孢菌属 (Alternaria) 、柄锈菌属 (Puccinia) 、尾孢霉属(Cercospora) 、叶黑粉菌属 (Entyloma) 、壳单孢菌属 (Ascochyta) 和核盘菌属 (Sclerotinia)[73]。国内外在真菌除草剂的新菌株筛选以及商品化产品开发等方面进行了大量的研究。Dr. Biosedge 是由纵沟柄绣菌Puccinia canaliculata的夏孢子制成的真菌除草剂，用于防治油莎草，缺点是锈菌为专性寄生菌，只能靠活体繁殖，因此Dr. Bioseoge 制剂只注册并未出售[74]。荷兰于1997 年注册的银叶菌Chondrostereum purureum除草剂Biochon 可用于防治野黑樱[73]。中国在微生物源除草剂研究方面也取得了重要进展。1979 年新疆哈密植检站将从患病的埃及列当中分离得到的镰刀菌Fusarium orobanches制得生防制剂F798，用于瓜田防治列当，用F798 一份兑水2～3 份，防治面积22.7 hm2，防效达到95%以上[75]。南京农业大学杂草研究室从马唐植株上分离到一株画眉草弯孢霉菌Curvularia eragrostidis(QZ-2000) ，研究表明，该菌株对马唐、千金子、稗草等杂草具有较强的侵染力，但对玉米、大豆等作物安全，以QZ-2000 的分生孢子为主要成分研制出了新型微生物源除草剂——“敌散克” (Disancu)[76]。李永龙等[77]从患病杨树叶片上分离得到一株出芽短梗霉菌Aureobasidium pullulans(PA-2) ，盆栽试验表明，其发酵滤液20 mL/盆对猪殃殃、藜、冬葵、酸模叶蓼及野燕麦7 d 的鲜重防效分别达到87.2%、78.5%、82.2%、62.1%和80.3%，且对小麦、蚕豆等作物安全。邹益泽[78]以草茎点霉菌Phoma herbarum为原料制备了水分散粒剂，活菌率为2.55 × 108cfu/g，田间试验表明，其用量为1 305 g/hm2时对鸭跖草21 d 鲜重防效为50.9%。李海涛[79]从麦瓶草上筛选到一株寄生疫霉菌株Phytophthora nicotianaeWP-1，温室盆栽法试验结果表明，在用量为1 × 107cfu/m2时，WP-1 对麦瓶草、播娘篙和反枝觅的鲜重防效分别为79.6%、77.2%和66.7%，且具有一定的选择性，敏感植物主要集中在十字花科、苋科和石竹科。王禹博[80]从野茨菇致病菌中分离得到一株链格孢菌Alternaria alternataSC-018，孢子浓度为1.0 × 106个/mL 的SC-018 水乳剂对野茨菇的防效与30% 二氯喹啉酸可湿性粉剂相当，ED50值为36.2 g/mL，且安全性好，施用10、15、30 d 均未对水稻产生任何不良影响。王晓艳[81]从发病的空心莲子草上筛选出莲子草假隔链格孢Nimbya alternantheraeSF-193 菌株，菌液按体积比1 : 10稀释后在田间向空心莲子草喷雾施用，喷雾量为200 mL/m2，2 d 即严重发病，4 d 防效达98%。杨云强[82]筛选出2 种对稗草和反枝苋致病作用较强的生防菌Alternaria alternata和A. amaranthi-3，盆栽试验表明，接种浓度为107个孢子/mL 时，A. amaranthi-3 水乳剂对反枝苋生长的抑制率为88.4%，高于其水剂，且A. amaranthi-3 菌剂与低浓度除草剂复配可以提高除草效果。

具有植物毒性的微生物次生代谢产物又称为植物毒素，其中来源于真菌的植物毒素最多，目前已经发现了7 万多种[9]，主要集中在链格孢菌属(Alternaria) 、旋孢腔菌属 (Cochliobolus) 和小球腔菌属 (Leptosphaeria) 等。利用植物毒素进行杂草防治也取得了重要进展。由链格孢菌产生的一种环肽毒素 (maculsion) 对黑矢车菊有极强的毒性，且当其浓度达到10−3mol/L 时，对其他植物仍非常安全[83]。由侵染一年蓬的核茎点霉菌Phoma putaminum产生的putaminoxin B 和C 也具有一定的除草活性[84]。陈世国等[85]从患叶斑病紫茎泽兰的病斑上分离到一株链格孢菌，其所产生的毒素细交链格孢菌酮酸(tenuazonic acid，TeA) 对马唐、稗草、狗尾草等杂草具有明显的抑制作用。TeA 是一种新型天然光合作用抑制剂，其作用靶标主要是光系统Ⅱ的D1 蛋白，在TeA 与QB 位点相互作用过程中，Dl 蛋白的256 位氨基酸 (甘氨酸) 起重要作用，且TeA 的活性中心是含有酰胺基团的吡咯环[86]。马娟等[87]从灰葡萄孢、瓜果腐霉等真菌代谢产物中分离鉴定了脱落酸、脱落酸葡萄糖苷和脱落酸葡萄糖酯等具有较强除草活性的化合物。张金新等[88]从患病茶叶上得到一株间座壳属菌 (Diaporthesp., CY-H) ，每个培养皿中施用其发酵液5 mL 时对稗草和反枝苋根的抑制率分别为94.6%和77.3%，分离得到化合物cytosporaphenones C (CY1) ，在质量浓度为100 μg/mL 时对反枝苋根的抑制率为57.1%，且对小麦和油菜的安全性较好。石园园[89]对反枝苋专化链格孢Alternaria amaranthi-3 进行诱变，筛选到一株突变菌株X4，经柱层析和重结晶等方法得到X4 毒素晶体。在100 μg/mL 时，X4 毒素晶体对反枝苋胚根的抑制率为88.9%；用200 μg/mL 的X4 毒素晶体处理带伤口的反枝苋叶片48 h 后，叶片出现黄褐色坏死斑，其病症与病原菌侵染反枝苋时产生的病症相似。此外，已知的具有除草活性的植物毒素还有除莠菌素 (herbicidin) 、绿僵菌素 (destruxin E) 、杆孢菌素 (roridins) 和疣孢菌素 (verucarins)[72]等。

2.2 细菌及其次生代谢产物

细菌除草活性物质主要是从杂草根系土壤的微生物菌群中筛选出的根际细菌，具有除草潜能的主要集中在8 个属[73]：假单孢菌属 (Pseudomonas) 、肠杆菌属 (Enterobacter) 、黄杆菌属(Flavobacterium) 、柠檬酸细菌属 (Citrobacter) 、无色杆菌属 (Achromobacter) 、产碱杆菌属(Alcalligenes) 、欧文氏菌属 (Erwinia) 和黄单胞菌属 (Xanthomonas) 。但汉斌等[90]从狗尾草根际细菌筛选到的欧文氏菌属(Erwinia) S7 菌株能完全抑制狗尾草的种子萌发，且对供试草坪草高羊茅没有负面影响。李明智等[91]从反枝苋根际细菌中筛选到一株野油菜黄单胞菌反枝苋致病变种Xanthomonas campestrispv. retroflexus，其发酵液按体积比1 : 1稀释时，对荠菜和反枝苋株高和根长的抑制率大于90%，按1 : 30 稀释时对荠菜根长、反枝苋株高和根长的抑制率均大于70%。

此外，细菌毒素也具有除草活性。菜豆假单孢菌Pseudomonas syringae产生的三肽化合物(phaseolotoxin) 能引起野葛叶片出现黄萎病，烟草假单孢菌毒素水解物能抑制谷氨酸合成酶的活性[72]。史延茂等[92]采用谷氨酰胺合成酶抑制剂模型从马唐根际土壤中分离出一株色杆菌属Chromobacerium马唐致病菌S-4，喷施其发酵上清液50 mL 对马唐14 d 的鲜重抑制率在60%以上，喷雾后3 d 出现叶片失绿，但重新喷施灭菌水后2 d又可恢复生长。

2.3 放线菌及其次生代谢产物

直接以放线菌进行杂草防除的应用较少，大多用的是其次生代谢产物。由链霉菌Streptomyces toyocaensis产生的茴香霉素 (anisomycin) 对稗草和马唐有较强的除草活性，而对其他阔叶植物无影响[93]。徐文平等[94]发现，由放线链霉菌9018 产生的3 个环己酰亚胺类物质具有极强的杀草活性，用量为373 g/hm2的9018 发酵液苗前处理，对野苋、春蓼的防除效果均达100%，高于对照药剂双丙氨膦；其用量为1 492 g/hm2时进行苗后处理，对野苋和春蓼的防除效果为78.6%和64.9%。薛章荣等[95]从上海附近海岛中得到一株浅灰链霉菌Streptomyces griseolus70014，其发酵液经纯化得到一个活性物质2-[2-(3,5-二甲基-2-氧-环己基)-6-氧-四氢吡喃-4-基]-乙酰胺，其在1 mg/L 时可彻底抑制多种杂草种子的萌发，在有效成分75 g/hm2剂量下进行盆栽试验，对供试阔叶杂草的抑制率可达96.0%～100.0%，即使在2 000 g/hm2下对花生和小麦依然安全。陶黎明等[96]从放线菌709084 分离出的吲哚霉素 (indolmycin) 在有效成分500 g/hm2时可造成小藜40%子叶皱缩，醴肠有部分植株死亡，在有效成分2 000 g/hm2下进行土壤处理，稗草出现黄化和白化现象。宗志友等[97]从贵州地区放线菌612243 发酵液中分离得到葡糖基杀粉蝶菌素(glucopiericidin A)，用其进行茎叶处理时，植株主要表现为发黄、矮化、生长较弱，最佳起效时间为3 d 左右。徐文平等[98]从浙江四平山土壤中分离得到一株雪白链霉菌Streptomyces niveuSPRI-10885，其发酵液稀释20 倍后仍然对多种阔叶杂草和禾本科杂草具有良好的生长抑制作用，经纯化得到5 个化合物，分别为除草素A、B、F及两个异黄酮类物质。王彦召等[99]研究了杨凌霉素 (Yanglingmycin) 对稗草种子萌发和小麦根生长的抑制效果，EC50值分别为26.20 mg/L 和20.90 mg/L，对稗草和小麦幼苗的生长抑制率均小于30%。

2.4 病毒及其次生代谢产物

以病毒进行除草活性研究的报道较少。Charudattan 等[100]发现：烟草轻型绿花叶病毒(tobacco mild green mosaic virus，TMGMV) 能抑制毛果茄的生长，在接种12～14 d 后，植株叶片上出现坏死叶斑，继发叶柄、茎尖及整株发生系统性的坏死；田间试验表明，TMGMV 对不同大小和处于不同成长阶段毛果茄的致死率可达到83%～97%。此外，藻类病毒Lpp-1 可用于防治水中的蓝绿藻等水生杂草，将100 mL Lpp-1 制剂接种于容积为3.8 m3的贮水池中，7 d 内可使藻类数量明显下降[101]。

由此可见，微生物源除草活性物质的研究已经取得丰富的成果，但同时也存在不少缺陷，需要进行更全面的研究。

3 商品化的生物源除草剂

3.1 商品化的植物源除草剂

1979 年，巴斯夫以莎草茵为先导化合物开发了10 多种作用靶点为原卟啉原氧化酶 (PPO) 的二苯醚类除草剂，如三氟羧草醚 (acifluorfen，68，图式8) 、氯氟草醚等，是一种触杀型选择性芽后除草剂，可被杂草茎叶吸收，用于大豆田防除阔叶杂草[102]。1983 年，壳牌公司以1,4-桉叶素为母体，合成了除草剂环庚草醚 (cinmethylin, 69) ，其为分生组织抑制剂，具有施药期宽、用量少 (15～30 g/hm2) 的优点，用于水稻和阔叶作物中一年生杂草的芽前防治[103]。1993 年，捷利康农化公司(现先正达公司) 以纤精酮为先导化合物开发出了一系列对羟苯基丙酮酸双氧化酶 (HPPD) 抑制剂，如磺草酮 (sulcotrione，70) 、硝磺草酮、环磺酮等除草剂[104-105]，用于玉米田防除大多数阔叶杂草和部分禾本科杂草。

3.2 商品化的微生物源除草剂

1963 年，山东省农业科学院在大豆菟丝子上分离得到胶孢炭疽菌菟丝子专化型Colletotrichum gloeosporioides(Penz) Sacc f. sp.cuscutae，商品名“鲁保一号”，适用于防治蔬菜、大豆、亚麻、瓜类等作物田中的菟丝子，推广面积达60 万公顷，防治效果均在85% 以上，取得了显著的经济效益；鉴于早年科学技术手段有限，缺乏对于“鲁保一号”菌株形态描述和分子生物学鉴定的相关数据，后经研究证明，该菌实为尖孢炭疽菌菟丝子专化型Colletotrichumacutatumsp.cuscutae[106-107]。首个注册的真菌除草剂是1981 年在美国登记的Devine 制剂，它是由棕榈疫霉菌Phytophthora palimivora的厚垣孢子制成的悬浮剂，通过土壤处理用于防治柑桔园中的莫伦藤，防效达90%，可持续两年[108]。Collego 制剂是将长孢状刺盘孢菌Colletotrichum gloeosporiocidesf. sp.aeschynomene的孢子加工成可湿性粉剂，用于防除水稻和大豆田中的弗吉尼亚合萌，防效在90%以上[109]。Biomal是加拿大Philom Bios 公司于1992 年开发的真菌除草剂，它是盘长孢状刺盘孢锦葵专化型Colletotrichum gloeosporioidesf. sp.malvae的孢子，用于防治圆叶锦葵、苘麻等杂草[110]。首个成功开发的细菌除草剂是1997 年由日本烟草公司登记的Camperico，其有效成分是黄单孢杆菌Xanthomonascampestris，用于防治早熟禾及剪股颖等杂草，且具有较高的选择性[111]。第一个由放线菌次生代谢产物成功开发成商品除草剂的是双丙氨膦(bialaphos，71) ，由日本明治制果公司研发，它是从链霉菌Streptomyces viridochromogenes和吸水链霉菌S. hygroscopicus中分离出的一个三肽类化合物，含有一个独特的膦化麦黄酮 (phosphinothricin，PPT) 结构并连接2 个丙氨酰基，属于非选择性内吸传导型茎叶处理除草剂，广泛用于防除一年生和多年生禾本科杂草及阔叶杂草[112-113]。双丙氨膦是一个前体除草剂，其在体外无活性，进入植物体内后，丙氨酰基团水解，使活性部分PPT 释放出来，研究人员以此为基础，化学合成了除草剂草铵膦(glufosinate ammonium, 72)[114]。此外，以链霉菌Streptomyces toyocaensis产生的茴香霉素为先导化合物合成了去草酮 (methoxyphenone,73) ，成功开发为稻田除草剂并已商品化[115]。

4 结语与展望

从历年来生物源除草活性物质的筛选及活性研究进展可以看出，生物源除草活性物质具有广阔的应用前景，其中植物源除草活性物质的研究主要集中在松节油、1,8-桉叶素、柠檬烯、百里香酚和紫苏醛等单萜类成分，对其他成分如生物碱和香豆素的研究较少；在化学改性过程中，以α-蒎烯研究最多，其衍生物有席夫碱类、酰胺类、酯类等多种类型，而针对其他类型植物源除草活性物质的研究较少。因此，对于植物源除草活性物质的研究不仅要拓宽广度，更要增加深度，充分利用天然资源开发环境友好型除草剂。针对微生物源除草活性物质，已筛选出大量具有除草活性的微生物及其次生代谢产物，其中真菌及其次生代谢产物占据的比重最大，且具有优异的除草活性，开发出了不少商品化真菌除草剂，但受菌种筛选困难、寄主单一性、次生代谢产物化学成分的复杂性等缺陷的制约，目前微生物源除草剂的发展仍存在局限性。基于目前存在的一些问题与困扰，对今后的研究提出几点展望：1) 扩大研究范围，寻求更多结构新颖、活性优异的天然产物；2) 在结构改造方面需进行更深入研究，主要集中研发结构新颖、活性突出、对人体和环境友好的化合物，改善传统除草剂的弊端；3) 进一步探明现有活性物质的作用机制，争取开发新靶点，缓解杂草抗性问题。