泛球生物网-资讯 - 技术资讯

从20世纪末到现在，随着人们对环境要求越来越高，使得化学农药的开发难度也越来越大，开发费用越来越昂贵，成功率也越来越低。一般而言，生物源农药具有开发费用相对较低，对环境相容性高，对非靶标生物比较安全，来源较为丰富等优点，所以从微生物和植物中开发具有农用生物活性的化合物是当前各国研究的一个热点。
　　随着传统筛选方法获得新型化学除草剂数目的下降，以及抗性杂草传播的增加，极大地推动了从天然产物中寻找新型除草活性物质的研究。
1 植物源除草活性化合物
1.1 青蒿素
　　青蒿素 (artemisinin) 是从黄花蒿 (Artemisia annua) 叶和花中提取的一种用于抗疟疾的倍半萜烯内酯化合物。同时作为一种具有除草活性的化合物，能够抑制种子萌发和多种幼苗的生长。青蒿素的还原反应产物 arteether 在 1 μg/g 时具有除草活性，但较低浓度时则可促进植物生长。萝卜 (Raphanus sativus) 和黄花蒿对青蒿素具有较高的耐受性。
　　青蒿素的作用机制现在还不太清楚，有研究表明其作用是改变了氨基酸的生物合成，或者作为呼吸作用的抑制剂。虽然青蒿素在动物细胞培养中的抗疟疾作用与腐胺较强的还原作用有关，但是用青蒿素处理植物，发现对多胺仅具有较弱的还原作用，这表明其生物活性不是阻断植物的多胺生物合成途径。青蒿素对浮萍 (Lemna spp.) 原生质膜的影响不足以解释其对种子萌发和生长的抑制作用。有研究认为青蒿素可能是通过钝化卟啉从而抑制生长。通常认为青蒿素其复杂的化学结构不适合直接作为商业上的除草剂，但是青蒿素分子的二双环-杂环部分却较为常见，相似的有除草剂内氧草素 (endothall)，天然产物斑螯素 (Canthardin) 和桉叶素 (cineole) 等，可望作为先导化合物进行开发。
1.2 桉叶素
　　1,8-桉叶素 (cineole) 是一种单萜化合物，与天然产物斑螯素和除草剂内氧草素具有共同的结构特征，存在于许多植物中，在植物异生作用中起着重要的作用。尽管桉叶素具有较高的除草活性，但因其高挥发性而不受欢迎。合成的桉叶素类似物环庚草醚 (cinmethylin) 作为除草剂在欧洲已上市，在美国 Cyanarid 公司也已商品化。
　　桉叶素的作用机制还不清楚，可能是抑制植物呼吸作用和抑制植物分生组织有丝分裂。环庚草醚具有与桉叶素相似的结构特征，对多胺的生物合成途径没有明显的影响。最近的研究表明，桉叶素能有效地抑制天冬酰胺合成酶，但是环庚草醚的抑制作用较弱。研究表明天冬酰胺合成酶是这些化合物的作用位点，而且环庚草醚是一种前体除草剂，其需要代谢活化作用才能转变为除草剂。
1.3 硝基丙酸
　　β-硝基丙酸 (nitropropionic acid，NPA) 是第一个从植物中分离得到的具有除草活性的硝基化合物。NPA 可以抑制种子萌发，并在寄主体内诱导产生黄萎病和炭疽病，对几种植物很敏感。药用蒲公英 (Taraxacum officinale)、皱叶酸模 (Rumex crispus)、绛车轴草 (Trifolium incarnatum) 叶片，在光照和黑暗下喷施 10-3 mol/L NPA，易导致黄萎病和炭疽病。室内试验表明，10-3 mol/L NPA 能够完全阻断叶绿素的产生。NPA 是一种具有除草活性的化合物，但不是一种有效的种子萌发抑制剂。
　　NPA 的作用机制可能是不可逆的抑制琥珀酸脱氢酶。但是其钝化作用并不是硝基丙酸盐的 β-位对黄素受体的亲核加成作用引起的，实际的钝化剂是硝基丙酸盐的氧化作用产物。真菌黄曲霉 (Aspergillus flavus)、米曲霉 (A.oryzae)、温特曲霉 (A.wentii)、Penicillium atrovenetum 等可以产生硝基丙酸，此外病原菌 Zinnia spp. 也可以产生。导致丝路蓟 [Cirsium arvense (L.)] 叶斑病的病原蓟叶斑菌 (Septoria cirsii) 也可以产 NPA，该菌同时也是一种有效的杂草生物防治剂。
1.4 sorgoleone
　　sorgoleone 是一种具有苯环的脂肪酸化合物，从高粱根部渗出物中分离得到，对多种植物具有除草活性。
　　sorgoleone 至少作用于两个分子靶标：即光系统Ⅱ的 D1 蛋白和羟基丙酮双氧化酶，这两个位点也正是商品除草剂的作用靶标。其作用机制与合成除草剂嗪草酮和敌草隆类似，在敏感植物的类囊体中能与 D1 蛋白竞争性结合，从而阻碍电子的传递，但在抗性植物的类囊体中不能传递。sorgoleone 的结合亲合力在敌草隆和嗪草酮之间。土壤中混入 sorgoleone (＞40 μg/g) 可以降低杂草幼苗的鲜重，但对根无效。 1.5 其他植物源的除草活性化合物
　　生物碱中秋水仙碱、长春碱以及萜类化合物紫杉醇等都属于可以阻断植物细胞有丝分裂的植物毒素，由于它们在医药上具有极高的药物价值，没有被用于农业上。还有些高等植物可以产生许多具有光活化的除草活性化合物，如 α-三连噻唑 (α-terthienyl)、金丝桃素 (hypericin)、荞麦碱 (fagopyrin)和 phenylhetatriyne 等，但因在光照下对许多非靶标生物具有毒性，仅是理论上可开发成除草剂。
2 微生物源的除草活性化合物
　　与植物相比，微生物能够产生更多的具有强烈生物除草活性的化合物。特别是以链霉菌为代表，它被认为是产生除草活性化合物最丰富的微生物来源，能够产生许多独特的农用生物活性化合物。
2.1 从链霉菌中开发的除草农用抗生素
2.1.1 双丙氨磷和草铵膦
　　从链霉菌的次生代谢产物中开发具有除草活性的抗生素数目较多，最成功的如双丙氨磷 (bialaphos) 和草铵膦 (phosphinothricin，PPT，商品名为 glufosinate)。双丙氨磷是1971年首先从 Streptomyces viridochromogenes 和 S.hygroscopicus 分离得到，也是第一个报道的含有膦基的天然产物氨基酸。
　　最初发现其 L-PPT 具有抗真菌活性 (Botrytis cinerea) 和抗细菌活性，并能强烈的抑制大肠杆菌中的谷酰胺合成酶 (GS)；后来发现 L-PPT 具有除草活性。最终 DL-PPT 的合成造就了商业化除草剂即草铵膦的诞生。双丙氨磷通过水解分裂出丙胺酸显示出除草活性。D-PPT 由于不能抑制 GS 而没有除草活性。
　　草铵膦能抑制氨基酸的生物合成，GS 的竞争性抑制作用和氨的释放被认为是草铵膦的作用机制，但研究发现还有其他的分子作用位点。双丙氨磷不能抑制 GS，但是植物组织中的多肽酶能够使之转变为 PPT。
2.1.2 草铵膦和双丙氨磷类似物
　　在双丙氨磷产生菌 S.hygroscopicus SF1293 的培养液中添加双丙氨磷时，可累积两种包含 PPT 的寡肽。其中一种新的化合物双丙氨磷二聚体 (phosphinothricyl-ala-ala-phosphinothricyl-ala-ala)，另一种是已知的 phosphinothricyl-ala-ala-phos-phinothricin。目前已经分离的具有除草活性的双丙氨磷肽类似物还有来源于 Kitasatosporia phosalscinea KA-338 的 phosalacine (PPT-ala-leu)、以及来源于 S.hygroscopicus KSA-1285 的 trialaphos (PTT-ala-ala-ala)。
　　天然产物中发现的植物 GS 抑制剂结构都类似于 PPT。最早合成了 L-氨基亚砜蛋氨酸 (L-Methionine sulfoximine，MSO)，后来在 Cnestis glabra 的树皮中被发现。最初报道 MSO 是 GS 的抑制剂，后发现 PPT 的类似物 L-(N5-膦酸基)蛋氨酸-S-磺酰亚砜 (L-(N5-phosphono) methionine-S-sulfoximine，PMSO) 也对 GS 有强烈的抑制作用，并从 Streptomyces sp. 中分离得到了 L-(N5-膦酸基)蛋氨酸-S-磺酰亚砜-L-ala-L-ala (PMSO-Ala-Ala)。通过多肽酶作用于 PMSO-Ala-Ala 或磷酸酶作用于 PMSO 时，能够分别得到 PMSO 和 MSO。MSO 作为除草剂已获得专利，但其对 GS 的抑制作用弱于 PPT。在全株植物试验中，PPT 的除草活性通常是 MSO 的5～10倍。目前尽管合成了许多具有 GS 抑制作用的 PPT 类似物，但是除草活性最好的还是 PPT。
2.1.3 茴香霉素
　　茴香霉素 (anisomycin) 是从 Streptomyces sp. 中分离得到的，在单子叶植物如水稻、稗 (Echinochloa crusgalli)、马唐 [Digitaria adscendens (L.)] 以及双子叶植物紫花苜蓿和番茄等上使用，浓度 12.5 μg/g 时表现出对根的选择性生长抑制，在＞50 μg/g 时对幼苗具有抑制作用。其类似物乙酰茴香霉素在水稻和稗中抑制根和幼苗的生长作用大于茴香霉素，但另一个类似物 N-乙酰茴香霉素在100 μg/g 时抑制作用极弱或没有。根据茴香霉素结构的衍生物开发出二苯基甲烷类似物，并最终得到 4-甲氧基-3，3'-二苯基甲烷 (NK-049)。1974年该化合物作为选择性除草剂用于水稻上，茴香霉素因此成为第一个微生物除草剂产品，并引起了基于商业化的除草剂化学合成的开发研究。
2.1.4 除草菌素
　　除草菌素 (herbicidins) 及其类似物均来源于 S.saganonensis，它们都具有选择性触杀除草活性。这些类似物中至少有4种表现出相似的除草活性谱，通常对双子叶植物表现出更高的除草活性，而在单子叶植物中，水稻最安全。除草菌素 A 在供试的水稻和其他植物之间所表现出的选择性优于除草菌素 B。
2.1.5 herboxidiene
　　herboxidiene 是一种从 S.chromofuscus 中提取的新型聚酮类化合物，对几种一年生杂草具有潜在的除草活性。该化合物能够抑制鼠耳芥 (Arabidopsis thaliana) 种子的萌发。苗期使用0.35 g/hm2 能够明显控制一年生阔叶杂草(≥90％)，包括甘蓝型油菜、卷茎蓼 (Polygonum convolvulus)以及牵牛花，以0.07 g/hm2 施用时对甘蓝型油菜、卷茎蓼的抑制率为 25％。对小麦中甘蓝型油菜以 0.35 g/hm2 施用时，对小麦没有药害。目前该化合物已被用于水稻和大豆田杂草的防治。
2.1.6 hydantocidin
　　hydantocidin 是从 S.hygroscopicus SANK 63584 的培养液中分离得到的抗生素。Nakajima 等(1991)研究发现其对多年生植物的除草活性明显高于对一年生植物，但对一年生和多年生植物没有选择毒性。合成的 hydantocidin 脱氧衍生物没有除草活性。在 hydantocidin 与草甘膦、双丙氨磷除草剂对17种杂草的对比试验中，hydantocidin 对一年生单子叶植物和双子叶植物的活性与草甘膦相当，稍大于双丙氨磷，3种化合物对多年生植物的防治效果则相似。hydantocidin 对35种细菌、酵母、真菌在1000 μg/mL 时都没有抗微生物活性，对哺乳动物和鱼为低毒。由于 hydantocidin 具有的低非靶标毒性和较高的内吸性除草活性，是一种非常具有开发潜力的化合物。
　　hydantocidin 在植物体内被代谢为 hydantocidin-5'-磷酸盐，该化合物对腺苷酸琥珀酸合成酶具有强烈的抑制作用。研究认为 hydantocidin抑制生长的作用机制是由于在植物体内代替了腺嘌呤和 AMP，或者是腺苷酸琥珀酸，但不能代替IMP。hydantocidin 离体条件下没有活性，但其 hydantocidin-5'-磷酸盐则是一种有效的腺苷酸琥珀酸合成酶抑制剂，因此 hydantocidin 作为一种前体除草剂，可以干扰 IMP 转变成 AMP。通过 hydantocidin-5'-磷酸盐结合腺苷酸琥珀酸合成酶的晶体结构分析可能有助于设计出更多有效的腺苷酸琥珀酸合成酶抑制剂。
2.1.7 pyridazocidin
　　pyridazocidin 是从 Streptomyces sp. 培养液中得到的除草农用抗生素，对苘麻 (Abutilon theophrasti)、裂叶牵牛 (Ipomoea hederaceae)、稗以及大狗尾草 (Setaria faberii) 等几种杂草具有显著的苗期除草活性，其中对大狗尾草最敏感。pyridazocidin 在抑制植物生长的一定浓度范围内可以引起叶绿体中氧的快速消耗。pyridazocidin 分子中的-OH 转变为 -NH2 时，则丧失除草活性。pyridazocidin 的作用机制与联吡啶类除草剂如敌草快和百草枯相似，即抑制光系统 I (PS I)，拦截传递到 NADP+ 的电子。
2.1.8 其他链霉菌源的除草活性化合物
　　从链霉菌中还分离得到许多具有除草活性的化合物，它们结构多变，从简单到复杂都有。生测表明这些化合物对多种植物具有潜在的生物除草活性。最近开发的几种除草活性化合物如 homoalanosine (S.galilaeus) 以4 kg/hm2 防治杂草时对水稻无药害，S.galilaeus 产生的 AT-265 在＞100 kg/hm2 时具有强烈的苗期除草活性，但都因其较高的哺乳动物毒性而妨碍其作为除草剂的开发。来自 Streptomyces sp. 的肠球菌素 (vulgamycin，enterocin) 也具有苗期除草活性，同时对大麦、棉花和玉米安全。hydranthomycin 是最近从 Streptomyces sp. K93-5305 中分离得到的一个 anthroquinone 类化合物，对高梁、萝卜和藻类小眼虫 (Euglena gracilis) 都具有活性。
2.2 非链霉菌微生物源的除草活性化合物
2.2.1 cornexistin
　　cornexistin 是从鹿粪中发现的嗜粪担子菌纲宛氏拟青霉 Paecilomyces vartiotii SANK 21086 的培养液中分离得到的一类 nonadride 化合物。它对单子叶杂草和双子叶杂草具有优异的苗期除草活性，对玉米安全。在植物体内被代谢为一种能够抑制天冬氨酸转移酶的化合物，在加入天冬氨酸、谷氨酸或任一三羧酸循环的中间物后，毒素的作用消失。离体条件下 cornexistin 对天冬氨酸转移酶没有抑制作用，但是在用无细胞提取液孵育的情况下则具有抑制作用。研究表明它可能是一种前体除草剂，其代谢与一种能够抑制天冬氨酸转移酶的抗生素 gostatin 相似。
2.2.2 cyperin
　　cyperin 是从真菌 Presuuia fleischhakii、Ascochyta cypericola 和 Phoma sorghina 的培养液中分离得到的一种具有除草活性的抗生素。该二苯醚对莎草 (Cyperus rotundus) 和其他几种植物具有较高的除草活性。研究表明 cyperin 对在琼脂上生长的莎草根具有抑制生长作用，但对土壤中生长的则没有抑制作用。cyperin 还能抑制 Arabidosis thaliana 和翦股颖 (Agrostis palustris) 的生长。 cyperin 的作用机制是通过破坏细胞膜而抑制生长，此外还与叶绿体含量降低和较弱的原卟啉原氧化酶的抑制作用有关。研究结果表明 cyperin 的作用机制不同于同样抑制原卟啉原氧化酶的化学除草剂三氟羧草醚。
2.2.3 其他具有生物除草活性的微生物植物毒素
　　从微生物中发现的植物毒素还很多，如 moniliformin 被作为一种除草剂先导模板来研究，合成了它的许多类似物，以便从中开发出可以商业化的除草剂。曲霉产生的密实菌素 [compactin (mevastatin)] 和洛伐他汀 [mevinolin (lovastatin)，(6-α-甲基一密实菌素)] 是植物中类异戊二烯途径的有效抑制剂，它表现出强烈的除草活性，并能抑制植物中3-羟基-3-甲基戊二酰 CoA 还原酶。
　　微生物也能产生许多光活化除草活性化合物，如尾孢菌素 (cercosporin) 由大豆紫斑病菌 (Cercospora kikuchii) 产生，dothistromin 由松针红斑病菌 Dothistroma pini 产生。这些化合物大多数未能成为除草剂，其原因主要是毒性太高，在光照下可损伤非靶标生物。
3 小结
　　从植物和微生物中开发具有除草活性的化合物不少，但从化合物中开发成功的除草剂并不太多，数量上远不及杀虫剂和杀菌剂。从微生物中发现的一些化合物未能被成功开发成为有价值的商业化除草剂，原因主要是对病原菌与植物的相互关系以及协同进化的了解不多，特别是对感染植物的病原菌的生化相互作用机制了解不够。此外还由于非靶标毒性、合成困难和成本太高等问题，它们中的许多未能直接被开发为除草剂。由于天然产物具有独特的靶标作用位点，研究它们的分子作用机制以及构效关系将有助于开发出具有较高活性的合成化合物。一些复杂的化合物即使它们表现优异，因为化学全合成的经济性问题不可能作为除草剂的候选化合物来开发，这是一个缺憾，除非这些化合物能够通过大规模的发酵生产。
　　尽管如此，从微生物中，特别是从链霉菌中获得相当丰富的抗生素(除草活性)的成功表明，从天然产物中获取高效除草活性化合物的研究仍将持续下去。目前为止尽管有超过20万种微生物被鉴定，但是还有至少10倍以上的微生物种类不清楚，这说明从中开发除草剂产品具有巨大的潜力。从植物和微生物中开发具有除草活性的农用生物活性化合物仍然是科学家追求的目标。

天然除草活性化合物研究进展