植物源杀虫剂研究进展

李卓丽，许见辉，李启东，梁雅洁，张李香

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）

0 引言

随着社会经济的快速发展，国民的生活质量稳步提高，人民“生态、绿色、环保”的意识不断增强，由有机化学农药防治有害生物引起的3R（抗性resistance、再增猖獗resurgence和残留residue）问题越来越受到民众的关注[1]，因此，迫切需要一种“环境和谐农药”(Environment acceptable/friendly pesticides)或“生物合理性农药”(Biorational pesticides)来防控有害生物[2]。所以，从天然植物产物中寻找有效的活性杀虫成分，研制新型的植物源杀虫剂成为了目前亟待探究的热点科学问题。植物源杀虫活性物质是植物与有害生物在长期斗争过程中形成的一些防御或抵制有害生物而产生的次生代谢物质[3]。目前记载统计的次生代谢物有40万余种[4]，部分次生代谢物已经被研制开发为高效、环保、残留量低的杀虫植物源农药而广泛应用在农林业生产中[5]，本研究就当前植物源杀虫剂的研究现状和发展前景进行论述。

1 植物源杀虫剂简史及研究现状

据不完全统计，全世界已有2400多种植物具有防治有害生物的活性，其中1005种高等植物具有杀虫活性，具有杀螨活性的植物有39种，杀线虫活性的植物有108种，杀鼠活性的植物有109种[6]；使昆虫产生拒食活性的植物有384种，忌避活性的植物有279种，引诱活性的植物为28种，抑制或阻碍产卵的植物有4种，影响生长发育的植物有31种[6]。截至2020年，全球累计公开的农药品种：杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长调节剂分别有4139、4979、1924、2318件，除草剂总量最少[7]。

1.1 国内植物源杀虫剂发展简史

战国时期的《周礼》一书中记载，植物源杀虫剂起源于人类开始使用“嘉草，莽草，牡菊”分别驱除寄生虫、白蚁类害虫、水中的蛙类等；秦汉至魏晋南北朝时期，植物源杀虫剂的使用进入了缓慢发展时期，出现了《神农本草经》，此书收集的药品有350种，其中植物源杀虫剂有30种；隋唐时期出版的《新修本草》中具有杀虫活性的植物有蒺藜子、蛇床子、藜芦、茜根、营实、飞廉等；明清时期出版的《本草纲目》一书中记载的杀虫植物有石蒜、牡丹、薄荷、大蓟、鼠尾草、蓖麻、酸模等；1959年，中国农业部等部门出版了《中国农药志》，其中列出了522个品种，已鉴定具有杀虫活性的植物有220种[8]。1987年，国内出版的《中国有毒植物》中有毒的植物有1300种，其中一部分植物已被应用于防治害虫[9]。

从历史记录文献可知，自古就有利用植物防治害虫的历史，而真正开始研究植物有效灭虫成分，是始于20世纪30年代，但进展比较缓慢。现在越来越多的植物源杀虫剂被发现和研究，如刘珍秀[10]等对蝶形花科的黄檀属(Dalbergia)、紫穗槐属(Amorpha)、黄芪属(Astragalus)等9个属的杀虫、抑菌的活性以及有效成分进行论述，指出鱼藤可防治螨和蚜虫；非洲山毛豆能防治菜粉蝶、斜纹夜蛾、小菜蛾、粘虫；苦参可防治储粮害虫；苦豆子可防治小菜蛾幼虫、蚜虫。张洁[11]论述了马钱科醉鱼草属(Buddleja)的提取物成分及对蝗虫类、螟类、菜青虫、小菜蛾的杀虫活性；吴娇等[12]报道了芸香科中黄皮属(Clausena Burm.f.)、花椒属(Zanthoxylum L.)、芸香属(Ruta L.)等11个属的杀虫抑菌活性，指出了芸香科的植物中主要是精油具有杀虫活性。另外，还对樟科[13]和豆科[14]的杀虫杀菌、茄科[15]的杀虫活性成分开展了实验。自20世纪80年代以来，中国的植物源杀虫剂逐步广泛发展，一些植物源杀虫剂已在田间的害虫防治中开始应用，防治效果接近甚至达到国际水平[16]。

1.2 国外植物源杀虫剂发展简史

1763年法国使用烟草石灰水的强烈熏蒸和触杀作用来防治蚜虫；1800年美国人Jimtikoff发现高加索部族用除虫菊灭虱蚤，并于1828年使除虫菊粉商品化；1848年T∙Oxley研究了鱼藤根粉，并对其进行了推广[17]。美国还成功地研制出鉴定植物提取毒性物质的方法，也对739种高等植物进行鉴定，把鉴定结果输入计算机，为后期利用植物防控有害生物提供了技术支撑；20世纪80年代末，菲律宾已有200多种植物被登记或报道，其中34种已通过试验验证；德国研究人员发现漆树和崖柏的水提取液能使马铃薯甲虫幼虫停止生长发育；以色列研究长春花的叶提取物对埃及棉铃幼虫具有驱避和拒食的作用[18]。Nishida[19]发现唇形科植物毛罗勒叶子中的二萜类化合物具有防治库纹幼虫的作用。之后一些国家开发并注册了与印楝素、鱼藤酮、除虫菊酯、尼古丁相关的商业化植物源杀虫剂[20-23]。

近10年来，研究植物源杀虫剂的报道日益增多。Karkanis等[24]报道了地中海本地物种莎草(Cyperus rotundus)、喷 瓜 (Ecballium elaterium)、刺 槐 (Robinia pseudoacacia)等提取物对蔬菜害虫如棉蚜、烟粉虱、马铃薯叶甲、棉蓟马表现出较好的杀虫活性；Giovanni Benelli等[25]报道了松科欧洲黑松(Pinus nigra J.F.Arnold var.italica)、唇形科神香草(Hyssopus officinalis subsp.aristatus(Godr.)Nyman)、唇形科冬香薄荷(Satureja montana L.subsp.montana)、马鞭草科柠檬马鞭草(Aloysia citriodora Palau)、牻牛儿苗科香叶天竺葵(Pelargonium graveolens L'Hér)5种提取物的精油成分对致倦库蚊幼虫(Culex quinquefasciatus)具有杀虫活性；Isabelle Boulogne等[26]报道了110科的656种植物被鉴定有显著的杀虫活性，其中唇形科最多为181种，而常被引用的9个属是：山薄荷属(Pycnanthemum)、香科 科 属 (Teucrium)、百 里 香 属 (Thymus)、塔 花 属(Satureja)、姜味草属(Micromeria)、牛至属(Origanum)、薄荷属(Mentha)、美国薄荷属(Monarda)、罗勒属(Ocimum)。到目前为止，国外对某些植物源杀虫剂的活性成分的提取、分离技术已越来越成熟，为开发其他环境友好、无残留、成本低的生态农药奠定了稳定的基础。

1.3 国内外杀虫活性植物研究现状

目前国内外研究具有杀虫活性的植物主要有楝科、豆科、大戟科、卫矛科、瑞香科、柏科、菊科等30多个科[27]。其中较成熟的植物源杀虫剂见表1。王静等[28]研究发现樟科植物对菜青虫、蚜虫、螨、小菜蛾、粘虫、玉米象具有拒食、忌避、毒杀、抑制生长的作用；Hamidi等[29]根据研究得出结论：百里香、欧芹、薰衣草水苏对四纹豆象具有杀虫、杀卵、产卵抑制的作用。卢小鹏等[30]从126种植物精油中筛选出冬青油、牛至油、黄樟油，发现其对玉米黄呆蓟马有较好的熏蒸作用。

表1 已经研发为植物源杀虫剂的植物

中国的地形复杂，高原、山地、丘陵占有很大比重，植物资源因地而异，种类丰富。现有文献显示，不同种类的植物，其代谢物质对不同种昆虫具有的活性作用不同，目前集中研发的一些植物见表2。

表2 已研究的植物源杀虫剂植物

续表2

2 植物源杀虫剂的有效成分

由于环境的改变，昆虫在不断地进化，具有种类繁多、数量大、适应性强、遍及范围广等特点，而植物为了防御昆虫的为害也发展了不同的机制，如形态变化、自身补偿效应和产生抗虫物质等。其中植物自身所拥有的防御性成分在防御害虫为害时的作用甚高，主要包括次生代谢物质和蛋白质类化合物等[3]。这些代谢物质的化学成分复杂，性质各异，因此需选择不同极性且合适的溶剂才能提取[61]。目前植物产生的次生代谢物质主要有：生物碱、黄酮类、萜烯类、精油类、光活化毒、甾族类、香豆素类、酚类、木脂素类、糖苷类、羧酸脂类等[34,62]；蛋白质类主要有：环肽、杀虫肽酶抑制剂、与几丁质结合的豌豆球蛋白（7S贮存蛋白）、与碳水化合物结合的植物凝集素等[63]。主要植物源杀虫剂的具体代表化合物和来源扼要介绍如下。

2.1 生物碱类

生物碱是一类毒性成分最强且具有环状结构的含氮天然有机化合物[64]，如大家谂知的：茄科曼陀罗属曼陀罗主要含东菪莨碱[65]；罂粟科博落回属博落回含苯并菲啶类生物碱[66]；卫矛科雷公藤属雷公藤主要含倍半萜类生物碱[67]；另外报道的其他生物碱物质：藜芦碱、苦参碱、百部碱、辣椒碱等[68]，均对害虫具有明显的胃毒、触杀、拒食、忌避等杀虫活性。如陈伟等[69]研究发现不同浓度的马铃薯糖苷生物碱对枸杞镰孢菌果腐病的防御作用不同，当EC50浓度为0.15 g/mL时，抗病性比0.11 g/mL高；但超过0.15 g/mL时，抗病性反而下降。植物生物碱的提取，依生物碱的溶解度选择不同极性的溶剂，不同酸碱度的溶剂提取物对害虫存在不同的杀虫活性。

2.2 黄酮类

黄酮在植物细胞中以糖基化形式积累存在液泡中，当与各种酶作用时，产生多种杀虫活性，其中最有前途的化合物是果胶苷元(pectolinaringenin)[70]。具有杀虫活性的化合物质有鱼藤酮、毛鱼藤酮等[71]，其作用方式为拒食和毒杀。尤其是鱼藤酮，BLOSZYK等[72]提出了用胃毒结合驱避的作用对外包装表面进行涂层，能起到重要的防虫作用。

2.3 萜烯类

萜烯类化合物在植物源杀虫剂中的比例最大、研究范围最广，主要以蒎烯、单萜、倍半萜（沉香呋喃醇酯研究最多）、二萜类（克罗烷二萜是研究热点）、三萜类（最重要拒食剂：印楝素）等化合物存在[73-74]。其中具有触杀、胃毒、拒食、抑制生长的代表性化合物有：闹羊花素-III、印楝素、川楝素、茶皂素、苦皮藤素等[34,75]。其中楝科被认定为世界上萜类中最成功的杀虫剂，而印楝素在昆虫拒食方面是最重要的杀虫剂[76-77]。

2.4 光活化毒素类

暴露在光照下的一种光活性毒素对害虫的杀伤力非常强[78]，这些化合物主要有噻吩类、呋喃色酮、呋喃喹啉生物碱、多炔类等。该类物质遇光极易分解、氧化，分子不稳定，主要分布在芸香科、菊科、茄科、金丝桃科、豆科等植物[79]。王新国等[80]测定的菊科万寿菊(Tagetes erecta)、孔雀草(Tagetes patula)、鳢肠(Eclipta prostrata)、深裂刺头菊(Cousinia dissecta)中含有噻吩类的光活化毒素均对致倦库蚊幼虫有杀伤作用；目前噻吩类已成功防治蚊子的幼虫，多炔类的赤鲜红B已商业化，具有防治蚊、蝇的合成光敏毒剂农药有曙红(eosin)、玫瑰红(rose bengal)、藻红(erythrosin B)等[79]。

2.5 蛋白质化合物

蛋白质类化合物主要有：（1）源于植物的杀虫肽：环肽中的半胱氨酸结(CCK)、豌豆白蛋白1b中的半胱氨酸结(ICK)、防御素中的富半胱氨酸家族、刀豆毒素，它们主要存在堇菜科、茜草科、葫芦科、豆科等植物中；（2）源于块茎和豆科植物种子：植物肽酶抑制剂(PIs)；（3）与几丁质结合的豌豆球蛋白；（4）与碳水化合物结合的植物凝集素，如相思子毒素、蓖麻毒素、巴豆香素等都具有杀虫毒性蛋白[3,63,81]。其作用机理是破坏上皮细胞、干扰生长发育、影响胃食膜的渗透与结构、抑制营养吸收等，最终饥饿死亡。陈志慧[82]报道蓖麻毒蛋白的毒性比马钱子碱、眼镜蛇毒汁强，是蓖麻毒性中最毒的一种，对昆虫具有毒杀作用。

3 植物源杀虫剂的作用方式

由于植物次生代谢物质资源丰富以及昆虫种类和取食方式的多样化，植物源杀虫剂不同的成分对不同种昆虫表现出不同的作用方式，集中在胃毒、触杀、熏蒸、拒食与忌避、杀卵等方式[83]。

3.1 胃毒作用

胃毒作用是药剂从害虫口腔进入到消化道，随后被中肠吸收，但由于药剂的毒性破坏了害虫消化系统导致昆虫中肠破坏或神经系统传递中断，最后害虫死亡[83-85]。如周琳等[86]报道的雷公藤生物碱破坏了昆虫的神经-肌肉接点谷氨酸和γ-氨基丁酸的传导导致粘虫死亡；张兴[87]研究了不同高、低2个剂量的川楝素对菜青虫的胃毒作用，发现高剂量使菜青虫麻痹、昏迷，低剂量使菜青虫幼虫缓慢发展为畸形虫体；作为胃毒剂的苦皮藤素V穿透昆虫中肠细胞质膜和内膜，导致肠壁穿孔、死亡[88]。

3.2 触杀作用

触杀作用是药剂直接接触昆虫表皮，通过气门渗入虫体内，经开放式的循坏系统把药剂输运到昆虫体内的作用部位，进而导致害虫死亡[85]。马亚玲[89]研究发现，相对于成熟期和枯黄期，苗期的醉马草水浸液作用于豌豆蚜后的死亡率高、繁殖力低且rm和R0均为最小值；李媛等[90]报道了菊科菊属的甘菊挥发油对烟甲和赤拟谷盗均具有触杀作用，但对烟甲的触杀活性较强为24.09 µg/头，反之赤拟谷盗的为49.95 µg/头；张等宏等[91]采用浸渍法测定昆虫的触杀活性，发现乙醇提取物对截形叶螨、二斑叶螨、豌豆蚜虫在12 h和24 h的死亡率均大于50%；而且4种萃取物中，石油醚萃取物的校正死亡率均超过80%，杀虫活性最高。

3.3 熏蒸作用

熏蒸作用指具有毒性的挥发物通过害虫的呼吸系统进入体内，从而导致害虫死亡。具有熏蒸活性的植物常为唇形科、芸香科、樟科、松科、菊科等，其活性物质多为挥发性的精油。据报道砂地柏精油、辣根素、土荆芥挥发油对玉米象表现出良好的熏蒸活性[92-94]；此外有研究学者报道八角茴香提取物、甘菊挥发油、艳山姜叶挥发油均对储粮害虫谷盗有较强的熏蒸作用[90,95-96]。

3.4 忌避与拒食作用

一部分植物的次生代谢物质对害虫的行为具有影响。拒食作用是当害虫的味觉感受器受到抑制时，会对食物产生讨厌而不再取食直至死亡；忌避作用是药剂挥发特殊气味进入害虫的嗅觉器官导致害虫离开栖息地或产卵地[1,84]。李喜旺等[97]研究发现：不同浓度的烟碱稀释液对叶蝉和茶尺蠖分别具有拒食、忌避作作用，60 min中内300倍烟碱稀释液影响假眼小绿叶蝉的引诱行为，600倍稀释液对其具有明显的驱避活性，反而800倍稀释液对叶蝉无选择和产卵行为的影响；300倍和600倍烟碱稀释液的浸渍叶碟降低了茶尺蠖的取食量。广藿香酮对桃蚜有潜在的拒食和忌避作用[98]。

3.5 生长发育抑制作用

植物在抵御恶劣的外界环境条件时，产生一系列的植物激素和生长调节剂，其对外界生物具有一定的生长抑制作用。当昆虫取食具有杀虫活性的植物后，昆虫的生长发育会受到影响：其生长发育迟缓，发育的历期变短或长；幼虫发育不完善，形态畸形；虫卵孵化失败等。李希媛等[99]利用不同浓度的宽叶曼乌头乙醇提取物处理黄褐天幕毛虫，处理3、5、7天对黄褐天幕毛虫的生长抑制率分别为60.98%、71.79%、71.78%。

4 问题及前景

综上所述，植物源杀虫剂已经取得非常可喜的研究成果，基本明确了其主要活性物质和生物活性的作用机制，这也是目前植物源杀虫剂研究的主要方向。但是，目前能够在蔬菜和水果作物上应用广泛的仅有4种：除虫菊酯、鱼藤酮、印楝素和植物精油（植物精油的研究特别广泛）；较常用却没实现大规模商业化生产的有3种：鱼尼丁、烟碱、沙巴达[23,100]。已工厂化生产的植物源杀虫剂的种类与自然界存在的植物源杀虫活性植物种类相差甚大，这是令人堪忧的问题，同时也是可喜的一面，留给科研工作者艰巨的工作任务和今后更大的发展空间。

当前植物源杀虫剂研究存在一定的问题，一是把研究的注意力集中在筛选更多的植物源，而未对植物源的有效成分深入研究[100]；二是植物源杀虫剂防治害虫种类单一，多集中于鳞翅目、半翅目昆虫；三是像精油类的植物源较容易受环境和光照的影响且速效性慢，导致杀虫活性效果降低；四是推广范围窄，偏远的农村地区仍使用有机合成的杀虫剂多[101]。尽管植物源杀虫剂存在上述方面的问题，但由于其能与环境、人、天敌相容，因此仍是今后环境友好型农药开发的主体[102]，所以本研究建议，今后植物源杀虫剂的研究与开发应用可从这几方面深入：（1）深入研究具有杀虫活性的化学物质，使其转化为有效的农药产品，加快投入市场[103]。（2）研发多种有效的植物源成分，开发具有价值的先导化合物，混配新杀虫剂，扩大害虫防治种类[32]。（3）研制高效简便的农药喷洒设备，提高易挥发性物质杀虫效率[34]。（4）推行环境友好型的植物源杀虫剂下乡活动，向农民推广使用植物源杀虫剂的利益。（5）提高植物源杀虫剂纳米方向工厂化的研发，以提高其杀虫效果，减少对环境的污染和对天敌的伤害[104]。