天然产物对红火蚁的生物活性研究进展

李玉玲,陈思琪,张森泉,李志强,岳鑫璐,王 磊,许益镌*

(1.华南农业大学红火蚁研究中心,广州 510642；2.深圳市农业科技促进中心，深圳 518055)

红火蚁SolenopsisinvictaBuren原产于南美巴拉那河流域,隶属膜翅目Hymenoptera蚁科Formicidae切叶蚁亚科Mymicinae火蚁属Solenopsis。红火蚁因食性杂、攻击力和繁殖能力强等特点,入侵后能快速适应并成功定殖扩散[1],是世界上公认的最具破坏力的入侵生物之一。

红火蚁会破坏入侵地的生态平衡和群落结构,导致生物多样性下降[2-3]。红火蚁通过取食农作物种子、果实、幼芽、嫩茎与根系等,严重影响农作物的生长。此外,红火蚁还会啃食农业生产设施和器具,影响正常的农事操作,造成重大经济损失[4],并会在电箱、电气设备、空调外机、交通信号灯等设施中筑巢,啃食电线,造成线路故障,威胁公共安全[5-6]。红火蚁还会给入侵区人民群众的身体健康带来严重威胁,被红火蚁叮蛰后,被咬部位会出现疼痛、红肿、起泡、化脓,少部分人会出现头晕、发热等症状,特别敏感的人会出现休克甚至死亡[7]。

目前对于红火蚁的防治仍然依赖人工合成的化学药物,其中,氟虫胺、茚虫威、高效氯氰菊酯等杀虫剂对红火蚁具有良好的防治效果[8-10]。然而,长期大量地使用化学合成药剂可能导致红火蚁产生耐药性和破坏生态环境等不良影响[11-12]。尤其是在渔业养殖区、有机耕作区和水源保护区等敏感区域,不宜使用人工合成的化学药剂防治红火蚁,导致这些区域的红火蚁防控存在技术瓶颈。

天然产物在本文中主要是指动物、植物和微生物等生命体的组成成分或其代谢产物,根据化学结构主要可以分为多糖、黄酮、甾体、皂苷、萜类、生物碱等物质[13]。天然产物被广泛应用于医疗事业、农业、食品保健等行业。目前已有许多研究表明天然产物对红火蚁存在驱避和熏蒸等作用,在未来有发展成为灭蚁药剂的潜力[13]。本文就天然产物的生物活性及其开发为饵剂、触杀型药剂和驱避剂等的潜力和应用效果进行简要总结讨论,以期为红火蚁的绿色防控提供参考。

1 天然产物作为饵剂的有效成分及其生物活性

多杀霉素是国内仅有的已注册的以天然产物为有效成分的红火蚁饵剂。多杀霉素是由放线菌多刺蔗糖多孢菌Saccharopolysporaspinosa经有氧发酵生成的大环内酯类代谢产物,常用于防治鳞翅目、双翅目和缨翅目害虫,对红火蚁也同样具有胃毒和触杀作用。研究表明,0.02% 多杀霉素饵剂对蚁巢处理35 d红火蚁的死亡率可达100%[15-16]。

除已登记为产品的多杀霉素,其他的天然产物对于红火蚁也有一定的胃毒效果,能够抑制红火蚁的攀爬、攻击等行为,具有开发成红火蚁饵剂的潜力。阿维菌素是由阿维链霉菌Streptomycesavermitilis发酵产生的一类结构相似的十六碳大环内酯齐墩果糖双糖衍生物,是被广泛应用于害虫防治的微生物提取物[17]。研究表明阿维菌素可以抑制红火蚁蚁后的卵巢发育,破坏蚁后的繁殖能力,对工蚁和雄性生殖蚁均有良好的毒杀作用[18],对红火蚁工蚁 48 h胃毒 LC50为0.3 mg/mL,生物活性略逊于噻虫嗪,但与吡虫啉的胃毒作用无明显差异,被认为是一种适合制成毒饵的天然产物[19]。

不少植物源成分也被发现对红火蚁具有胃毒活性。如杠柳Periplocasepium根粉中的periplocoside X、寡糖 A、periplocoside A、periplocoside E和 periplocoside N等5种成分对红火蚁具有胃毒活性,其中periplocoside X对红火蚁的工蚁和生殖蚁都具有显著的毒性LC50分别为116.62 mg/L和2 169.58 mg/L[20]。喜树Camptothecaacuminata中含有杀菌和抑菌的生物碱,如喜树碱、10-羟基喜树碱和甲基喜树碱等,这类生物碱对红火蚁同样有一定的毒杀作用,使用100 μg/mL喜树碱溶液处理11 d后，对红火蚁的致死率达80%[21]。羽裂蟹甲草Sinacaliatangutica中所含有的无羁萜、槲皮素和山柰酚对红火蚁表现出较明显的胃毒活性，红火蚁分别经0.5%无羁萜，0.3%槲皮素，0.3%山柰酚处理120 h后，都能达到70%的致死率[22]。沙氏新月蕨Pronephriummegacuspe中的化合物苯酚-3-O-β-D-葡萄糖苷对红火蚁具有毒性,该化合物48 h和72 h 的LC50分别为21.6 μg/g和9.7 μg/g。但毒性作用相对较慢,处理后红火蚁的活动不会立即中断,但其行走和抓取能力会受到影响,一段时间后,毒性有可能会影响整个蚁群[22]。药用植物秋水仙Colchicumautumnale中的秋水仙素对红火蚁表现出较高毒性,饲喂50 mg/mL的秋水仙素糖水，72 h后工蚁死亡率可达45.33%[24]。

日常食物中也含有对红火蚁有毒性的成分。赤藓糖醇广泛存在于水果、蔬菜和发酵食品中,是一种白色、无味、不吸湿、无光学活性、热稳定性好且极易溶于水的四碳醇[25],研究发现饲喂0.1g/mL以上浓度的赤藓糖醇对红火蚁有缓慢的毒性,这有助于实现在整个蚁群个体之间的传播[25]。同样,维生素C与赤藓糖醇的毒性效果相似,也影响着红火蚁的觅食行为[26]。甘氨酸是一种非必需氨基酸,常用作食品甜味剂，在饲喂0.1 g/mL甘氨酸72 h后可导致90% 工蚁死亡,LC50为0.02 g/mL,在该剂量下也会降低红火蚁觅食和挖掘行为[28]。

2 天然产物作为触杀型药剂的有效成分及其生物活性

在美国,许多天然产物已经被广泛用于红火蚁触杀型药剂,包括常见的除虫菊酯、鱼藤酮、甜橙精油等[29],但到目前为止,国内未有专门以天然产物作为有效成分的红火蚁触杀型药剂的产品。

常见的植物源农药对于红火蚁都有一定的触杀效果,但不同的植物源杀虫剂对红火蚁的毒性存在差异。高浓度药剂处理下,印楝素、胡椒碱、苦皮藤素、苦楝素、藜芦碱、蔓荆子碱对红火蚁急性触杀毒性较低,而鱼藤酮、苦参碱、烟碱等的急性触杀毒性较高[30]。鱼藤Derristrifoliata根的丙酮提取物的活性远高于鱼藤酮原药,对红火蚁工蚁表现出强烈的毒性,对其行走能力和抓握能力有显著的抑制作用[31]。使用20%鱼藤根粉剂(含 7%鱼藤酮)对红火蚁进行处理,21 d后,红火蚁工蚁死亡率为 98.25%,灭巢效果能达到95.32%[32]。在田间试验中,鱼藤根和西非灰毛豆Tephrosiavogelii叶子的丙酮提取物混合使用后,防治效果与0.01%氟虫腈饵剂相当[31]。除虫菊酯是一类广谱高效杀虫剂[33],有研究表明除虫菊酯可以显著降低红火蚁工蚁的活跃度，抑制其攻击、攀爬和抓附能力[34]。羽裂蟹甲草中所含有的无羁萜对红火蚁也具有触杀活性[23]。

多种蚂蚁能够与红火蚁共存,其防御性/攻击性化学物质在与红火蚁资源竞争的过程中发挥重要作用,是探索对红火蚁有触杀性作用物质的另一个潜在来源[35-37]。蚁科生物在进行化学防御时,外分泌腺会分泌一些独特的化合物用于防御,甲酸、2-十三酮和十一烷等化合物在蚂蚁防御性分泌物中很常见,已发现其对于红火蚁具有触杀效果。在甲酸对红火蚁触杀毒性生物测定中,对工蚁24 h LD50为124.54～197.71 μg/头;在271.72 μg/头的浓度下,可以杀死 81.09% 的工蚁,但雌性生殖蚁和蚁后的死亡率仅分别为 39.64%和38.89%,由此可见,相较于工蚁,雌性生殖蚁和蚁后对甲酸的敏感性相对较低[38]。2-十三酮和十一烷对红火蚁工蚁具有接触毒性,LD50分别为18.51～24.67 μg/头和40.39 ～84.82 μg/头[39]。使用 2-十三酮作为活性成分,植物油作为溶剂,聚氧乙烯十三烷基醚作为表面活性剂,并使用胡椒基丁醚 (PBO)作增效剂制作了一种乳油,在实验室生物测定中,对红火蚁表现出明显触杀毒性。在田间试验中,以5.28 mL/L 的施用量灌巢处理后 14 d,可以实现对红火蚁100% 的控制效果[40]。

一些微生物和海洋生物可以合成二氧化硅,二氧化硅与小芽孢真菌Thelohaniasolenopsae一起使用时,可以提高小芽孢真菌对红火蚁的触杀毒性[41]。乙醇由酵母菌Saccharomycessp.发酵产生,红火蚁成虫和蛹在乙醇浸泡加熏蒸处理后,可以达到100%的死亡率,在户外试验用25%乙醇处理蚁巢,14 d后蚁巢减少了70%,并且30%乙醇对鱼类存活没有造成不利影响[42]。植物和昆虫中存在各种苯甲酸盐,在常见的苯甲酸盐中,苯甲酸苄酯、苯甲酸戊酯和苯甲酸己酯对红火蚁触杀效果最佳,LD50分别为23.31、35.26、35.99 μg/头[43]。

3 天然产物作为驱避剂与熏蒸剂的有效成分和生物活性

一些具有挥发性的天然产物常被用于驱赶、熏蒸昆虫[44],这类物质会影响工蚁的觅食行为和筑巢效率,进而降低红火蚁的社会行为[45]。

3.1 天然产物作为驱避剂的有效成分和生物活性

驱避剂可以防止红火蚁在盆栽、电箱设备等地方筑巢,也可以在鞋子或皮肤上使用以防止红火蚁的叮咬。由于驱避剂可能与人类直接接触,所以相较于化学合成物,天然产物则更能体现安全性并被公众所接受。

能够作为驱避剂的天然产物大多来源于植物,美国紫珠Callicarpaamericana和日本紫珠C.japonica的叶子中分离出来的两种萜类化合物callicarpenal 和 intermedeol[46],杠柳根皮中提取到的(9E,12E)-十八碳二烯酸、棕榈酸、(9Z,12Z)-十八碳二烯酸甲酯、棕榈酸甲酯[47],以及肉桂Cinnamomumcassia的土壤中含有的肉桂醛和丁香酚物质[48]被发现对红火蚁工蚁有显著的驱避活性。

植物精油含有许多挥发性成分,例如单萜类、醇类、脂肪族甲基酮等物质对红火蚁有一定的驱避和毒杀效果。甜橙Citrusreticulata精油中的D-柠檬烯[49],丁香Syringaoblata精油中的2-壬酮和2-庚酮,椰子Cocosnucifera精油中的壬酮、十一酮和十三酮[50],玉兰Yulaniadenudata种子精油中的1-癸醇和1-辛醇[51],依兰Canangaodorata精油中的梨醇酯和乙酸苄酯[52],姜花Hedychiumcoronarium精油中的桉叶油醇、芳樟醇、α-蒎烯、β-蒎烯和反式橙花醇[53],香茅Moslachinensis精油中的香茅醇,辣椒Capsicumannuum油[54]等对红火蚁工蚁具有较强的驱避作用。

樟树Cinnamomumcamphora、青蒿Artemisiacaruifolia、蓝桉Eucalyptusglobulus、艾草Artemisiaargyi、薄荷Menthacanadensis和冬青Ilexchinensis等植物中所提取的精油常被用于驱赶蚊虫,它们所含有的樟脑、桉叶油素、丁香酚、薄荷醇、水杨酸甲酯、苯乙醇、芳樟醇、α-松油醇和L-冰片等化合物即使在低浓度下,对红火蚁也能表现出较强的熏蒸和驱避作用[55-61]。市面上含有以上物质的驱虫产品也可以用于驱避红火蚁,例如包含薄荷醇、水杨酸甲酯、樟脑、桉油、丁香酚等的风油精[62]。另有研究表明,邻氨基苯甲酸丁酯和邻氨基苯甲酸乙酯的驱避效果可能比风油精更好,邻氨基苯甲酸丁酯来源于水果,与邻氨基苯甲酸乙酯经常在化妆品、食品中被使用,两者在低浓度下对工蚁筑巢具有较好的驱避作用,15 μL/L邻氨基苯甲酸丁酯具有与 1 000 μL/L的 DEET和1 000 μL/L的风油精混合物相当的驱避效果[63]。

3.2 天然产物作为熏蒸剂的有效成分及其生物活性

熏蒸剂常被用于处理进出境的货物和交通工具等以防止有害生物的传播。在上文提及的具有触杀、驱避活性的部分产物或化合物对于红火蚁也具有熏蒸活性,例如,间茴香酸甲酯、甲基-3-苯甲酸甲酯和苯甲酸甲酯[40],橘子精油的D-柠檬烯[49],青蒿中的桉树脑和樟脑[59],蚁酸中的甲酸[38]。

此外,蒜Alliumsativum精油中的烯丙基二硫和(E)1-烯丙基-2-丙基二磺酸乙烷[64],九里香Murrayaexotica叶子和种植泥土中的β-石竹烯、α-雪松烯、α-古巴烯、β-荜澄茄烯和大根香叶烯[65],白兰Micheliaalba叶子中的芳樟醇、石竹烯、β-榄香烯和硒烯等成分[66],对红火蚁工蚁具有熏蒸活性,又可通过干扰蚂蚁之间的信息传递来影响蚁群的社会行为。

4 总结与展望

目前,虽然只有少量的天然产物被开发成产品,但已有许多天然产物被证明对红火蚁存在杀虫活性,它们所表现出来的生物活性存在差异。大部分研究只是初步评估了天然产物对红火蚁的生物活性,而且一些研究发现室内活性较好但是很难有良好的田间防治效果。因此,大量使用天然产物防控红火蚁需要更深入研究其作用机制和使用技术。

目前发现的大多数的天然产物来自于植物,近年来大多文献也是以植物源成分为材料研究对红火蚁的生物活性。自然界生物种类繁多,人们对天然产物的研究和利用仍不够全面,特别是对于陆地动物、海洋生物的提取物研究很少,因此需要更广泛深入的研究才能更好地利用天然产物防控红火蚁[67]。相比合成的化学药物,天然产物一般具有对哺乳动物的毒性小、对环境友好、结构变化多样等特点[68],在生态敏感区防治红火蚁具有极大的潜力和应用前景。相对于合成的化学农药防治,天然产物对红火蚁的毒性往往较缓慢,甚至在触杀时表现出不彻底的特点。触杀性粉剂或灌巢药剂往往要求毒性强且作用速度快,施用后能迅速杀死整巢蚂蚁。而红火蚁属于社会性昆虫,采用毒饵防治时需要由工蚁将饵剂搬回巢再通过交哺的方式传递给包括蚁后在内的其他个体,要求药剂毒性作用速度不能太快,否则难以杀死整个蚁群。天然产物的作用相对温和,这也说明它们可被用作毒饵成分的潜力更大。

天然产物的开发利用主要是为了避免合成农药使用过程中存在的抗药性和环境问题,除了对靶标害虫红火蚁的防控效果外,也应关注天然产物对其他生物的影响,尤其应该重点考虑天然产物对本地蚂蚁群落的影响,在筛选获得对红火蚁有良好活性的天然产物后,可通过对比红火蚁和本地蚂蚁对这些物质的敏感性差异,最终选择最适宜的有效成分开发成防治红火蚁的药剂。