生物源天然产物农药.ppt

,生物源天然产物农药,主要内容一、生物源天然产物农药的特点二、生物源天然产物农药研究开发途径三、生物源天然产物农药种类,一、生物源天然产物农药的特点,1、主要概念生物源天然产物农药：以植物、动物、微生物等产生的具有农用生物活性的次生代谢产物开发的农药。如:2.5%鱼藤酮乳油，20g舞毒蛾性诱剂，15%井冈霉素水溶粉剂等。次生代谢物质：生物体分支代谢途径的最后产物来源和性质与基础代谢产物不同，大多数不直接参与维持产生者的生长发育和生殖有关的原始生化过程。,2、次生代谢物质特点,(1)防御性和选择性：对多数昆虫或病原菌具有防御功能，一种(或一类)次生代谢物只能防御某些种类的昆虫或病原菌，而不是所有的昆虫和病原菌。(2)内源性和降解性：内源物，生物体的一部分，在自然界易于降解。(3)多样性和复杂性：进化过程中逆境压力的多样性和复杂性，导致次生代谢产物的多样性和复杂性。,3、生物源天然产物农药特点,(1)相对低毒性大多数生物源天然产物农药对哺乳动物毒性较低，使用中对人畜比较安全。如鱼藤酮大鼠急性经口LD50132mg/kg有些毒性较高，但其活性很高，制剂有效成分含量很低，因而在使用中对人畜仍然很安全。如Avermectins大鼠经口LD50仅10.06mg/kg，急性经皮LD50大于380mg/kg，但1.8%爱力螨克(阿维菌素)EC大鼠急性经口LD50为650mg/kg，兔急性经皮LD50大于2000mg/kg。,(2)防治谱较窄，选择性明显,田间喷洒印楝制剂，并不影响果蝇寄生蜂羽化，羽化的寄生蜂能正常交配，寻找新的果蝇寄主。有利于保持生态平衡，有利于IPM方案的实施。印楝素：鳞翅目最敏感，低于1-50mg/kg拒食效果好鞘翅目，半翅目，同翅目：相对不敏感，100-600mg/kg的浓度才可能拒食率100%。井冈霉素：对水稻纹枯病，小麦纹枯病高效，对稻曲病有效，其它则防效很差，甚至根本无效。,(3)环境压力较小，对非靶标生物较安全,绝大多数为生物合成天然物质，环境中易于降解。多数方式是非毒杀性，因而对非靶标生物，特别是对鸟类、兽类、蚯蚓、害虫天敌及有益微生物影响较小。(4)缓效性大多数作用缓慢有害生物大量发生迅速蔓延时不能及时控制危害。(5)前景广阔性生物种类繁多，次生物质丰富，微生物新菌种种类丰富，研究开发潜力很大，前景广阔。,二、生物源天然产物农药研究开发途径,1、直接利用确定药效后，对产生活性物质的生物进行良种选育、大量繁殖、提取有效成分、制剂加工等直接的工业化商品开发，形成天然产物农药品种。植物源农药：选取良种，大面积栽培种植，提取有效成分，再加工成商品制剂。如鱼藤、印楝农用抗生素，筛选获得优良菌株后，选育优良菌种，进行工业发酵，提取有活性成分，加工成制剂。如：从吸水链霉菌井冈变种(Streptomycestygroscopicus)工业发酵提取井冈霉素制成制剂,2、半合成改造,活性次生代谢物如活性较低，光稳定性差，或对哺乳动物毒性大等原因而无法将其直接开发成天然产物农药品种，则可将其作为起始原料，经结构修饰人工半合成，筛选出性能优异，具有商业意义的新农药。如：阿维菌素(Avermectins)，对螨类高效，围绕其人工合成研究，在B1组分22和23碳位不饱和双键选择还原，开发成功伊维菌素(lvermectins)，更适于防治家畜寄生虫。在阿维菌素B1基础上人工合成的4-表-甲胺基-4-脱氧阿维菌素B1对亚热带粘虫的毒力提高1500倍。,3、先导化合物模型,以新发现的活性化合物的结构作为先导化合物模型，用人工合成的方法进行结构优化研究，筛选出性能比天然活性物质更好的新农药，创造重大的商业价值。除虫菊系列高效拟除虫菊酯类杀虫剂。乙烯乙烯利沙蚕毒素巴丹大蒜素抗菌素402链霉菌产物溴虫腈,白花除虫菊(19世纪40年代),三、生物源天然产物农药种类,1、植物源天然产物农药2、动物源天然产物农药3、微生物源天然产物农药,1、植物源天然产物农药,植物毒素(phytotoxin)：植物产生的对有害生物具有毒杀作的次生代谢产物。包括：植物源杀虫剂植物源杀菌剂植物源除草剂植物内源激素,(1)植物源杀虫剂,研究概况:藜芦古罗马人鼠类和害虫红花除虫菊古波斯杀虫烟草16世纪中叶杀虫白花除虫菊19世纪40年代杀虫19世纪中期，烟草、鱼藤、除虫菊三种农药作为世界性商品开始在市场上销售。印楝20世纪80年代美国Margosan-O,我国是使用杀虫植物最早的国家,周礼秋官（2000多年前）：“剪氏掌除蠹物，以攻萦攻之，以莽草熏之”战国时代（公元前世纪）：药物200多种。东汉末年(约公元前220年)：第一部药物专著神农本草经，收载300多种药物。本草纲目记载狼毒、百部、雷公藤、苦参、川楝、巴豆和鱼藤根等杀虫植物。后魏时代(约公元530-550年)：贾思勰齐民要术记载藜芦根煮水洗治羊疥。中国土农药志记载86个科220种植物性农药。中国有毒植物列入1300余种有毒植物，其中多种被作为植物性农药利用。,植物源杀虫剂的化学成分,A、生物碱a.吡咯啶类古柯：叶含红古豆碱和古豆碱等生物碱。百部生物碱：大多含有吡咯烷(即吡咯)环，对咀嚼式口器和吮吸式口器害虫均有毒杀作用。天津胜利植物农药厂0.88%双素碱(茴蒿素+百部碱)水剂可用于防治大白菜蚜虫，是较早获得国家农业部登记的植物源杀虫剂品种之一。,b.托品烷类莨菪(langdong浪当)碱、阿托品。茄科植物天仙子：莨菪碱和阿托品(即消旋莨菪碱)。颠茄：含阿托品和东莨菪碱。茄科植物洋金花和曼陀罗：均含有这几种生物碱。古柯叶：可卡因c.吡啶类:烟碱d.喹啉联啶类:苦参碱,e.喹啉类奎宁：金鸡纳树皮的主要活性成分，含量高达3%(总碱含量高达6%)，治疗疟疾的有效成分。奎宁、金鸡纳定、金鸡纳宁f.吲哚类长春花生物碱、马钱子类生物碱、毒扁豆碱g.异喹啉类小檗碱、吗啡类生物碱,烟碱,氯吡啶甲基,吡虫啉类新烟碱类杀虫剂,生物碱类-烟碱,B.萜类-印楝素、苦皮藤素，闹羊花素,卫矛科植物苦皮藤0.2%苦皮藤EC(粉剂、可湿性粉剂)等。,苦皮藤素V结构,印楝&印楝素,印楝（AzadirachtaindicaA.Juss）,楝科楝属。热带乔木，速生，常青。高15-40米。每株一年结果量最高达50kg，寿命可达200年。,印楝种核提取物中的含量最高拒食活性最高,生长调节活性最强,印楝素、川楝素,印楝素、川楝素,杀虫作用方式最显著：拒食、抑制生长发育、忌避(?)胃毒、抑制呼吸和不育等多种活性活性物质以印楝素为主的80余种杀虫活性物质，可防治10目400余种农林、仓储和卫生害虫。作物粮食、棉花、林木、花卉、瓜果、蔬菜、烟草、茶叶、咖啡等作物。尚未使害虫对产生抗药性。,C.黄酮类,鱼藤酮（rotenone）灰叶素(tephrosin)鱼藤素(deguelin)灰叶酚(toxicarol),鱼藤,产生鱼藤酮类杀虫活性的植物,。,非洲山毛豆,鱼藤&鱼藤酮,鱼藤三大传统杀虫植物之一，杀虫谱广，可防治800多种害虫，对蚜虫、菜粉蝶、桑毛虫、二十八星瓢虫和柑桔红蜘蛛等害虫防效优良。鱼藤酮从鱼藤属等植物中提取的杀虫活性的物质。,鱼藤酮类化合物,Takei等(1929)首先提出鱼藤酮分子式为C23H22O6。鱼藤类植物中先后分离鉴定了鱼藤酮、灰叶素(tephrosin)、鱼藤素(deguelin)、灰叶酚(toxicarol)等杀虫活性化合物都具有与鱼藤酮类似的结构母核，通常称为鱼藤酮类化合物。,鱼藤酮,鱼藤素,鱼藤酮&鱼藤素,灰叶素灰叶酚,灰叶素&灰叶酚,鱼藤酮作用方式&机理,A.作用方式强烈的触杀胃毒作用：菜粉蝶幼虫拒食作用：日本甲虫生长发育抑制作用：某些鳞翅目害虫熏杀作用B.作用机理电子传递链呼吸抑制剂。主要作用于NADH脱氢酶与辅酶Q之间的某一成分上，且偏向于辅酶Q。,鱼藤酮对昆虫作用机理:,抑制细胞电子传递链，降低体内ATP水平，最终使害虫得不到能量供应，行动迟滞、麻痹而缓慢死亡。抑制细胞中纺锤体微管的组装影响丁二酸、甘露醇以及其他物质循环穿透表皮层作用于体壁真皮细胞，引起真皮细胞病变，影响其正常生理功能，致使在蜕皮过程中旧表皮的代谢和新表皮的沉积形成受到干扰，出现表皮中几丁质，粗蛋白和粗脂肪含量的异常变化，造成旧表皮较厚韧，新体壁薄软，虫体变畸致死。,我国商品化的鱼藤类杀虫剂,。,我国商品化的鱼藤类杀虫剂,。,D.椒酰胺类化合物,化合物种类：具有N-(2-甲丙基)-酰胺的结构，如胡椒碱piperine、墙草碱pellitorine、千日菊酰胺spilanthol等植物分布：菊科、胡椒科和芸香科等几十种。作用特点：非常迅速，作点滴处理后很快引起试虫震颤，然后麻痹，其作用部位是昆虫神经-肌肉接头作用机理：可能是干扰了钠通道或与突触后膜上的谷氨酸受体的相互作用。发展前景：结构较简单，易人工合成，通过对天然产物的分子结构进行改造可开发出高效杀虫剂。,近年来开发的BTG502，对抗性家蝇的毒力（LD50为0.04g/头）是溴氰菊酯（LD50为0.11g/头）的2.7倍,。,piperine,BTG502,pipercide,pellitorine,E.尼鱼丁类化合物,尼鱼丁ryanodine、脱氢尼鱼丁dehydroryanodine等：南美杀虫植物尼亚那Ryaniaspeciosa中分离。尼鱼丁制剂：1945年引入美国毒性：对人畜毒性很大，引起哺乳动物僵直性麻痹，机理：肌肉毒剂，主要作用于钙离子通道，影响肌肉收缩。前景：通过结构修饰，希望发现有选择毒性的化合物，即对昆虫高效而对哺乳动物低毒的化合物，未有商品化产品。,从Ryaniaapeciosa分离的ryanodine及有关化合物,1.ryanodineR1=R2=H,R2=CH32.9,21-didehydroayanodineR1=H,R2=R3=CH33.AnewnaturalryanordR1=OH,R2=CH3,R3=H。,F.四氢呋喃脂肪酸内酯,化合物：asimicin,annonin和neoannonin植物：番荔枝科番荔枝Annonasguamosa和巴婆Asiminatrioba。活性：对果蝇、墨西哥豆瓢虫、棉红蜘蛛、瓜蚜、蚊幼虫都有强烈的致死作用。机理：呼吸毒剂，抑制NADH和辅酶Q之间电子传递。,asimicin、annonin和neoannonin结构,G.三噻吩-terthienyl和呋喃乙炔,植物：万寿菊Tagetespatula。活性：对哺乳动物毒性低，在光照下对昆虫活性，典型的光活杀虫剂。前景：光稳定性差，持效期太短，如三噻吩在光照下半衰期仅4h，实际应用受到很大限制。,几种三噻吩和呋喃乙炔类似物:,万寿菊,H.二氢沉香呋喃类化合物,化合物：苦皮藤素celangulinV及雷公藤定wilfordine等生物碱植物：卫矛科植物苦皮藤Celastrusangulatus和雷公藤Tripterygiumwilfordii特点：哺乳动物毒性较低，对许多咀嚼式口器害虫，特别是鳞翅目害虫胃毒作用强，作用机理：破坏昆虫中肠肠壁细胞，引起昆虫体液大量丧失。,雷公藤杀虫成分及苦皮藤素V的结构,I.谷氨酸类似物,化合物：软骨藻酸domoicacid和红藻氨酸Kainicacid等植物：海藻Chondricarmata及Digeniasimplex特点：作用于以谷氨酸为传递介质的突触，活化Ca2+运输系统，促使突触前膜释放谷氨酸，同时活化半胱氨酸蛋白激酶，暴露出更多潜在的谷氨酸受体。前景：结构简单，结构改造比较容易，目前已取得很大进展，将可能有以软骨藻酸为先导的杀虫剂。获得我国农药临时登记：假木贼碱、藜芦碱、茴蒿素、异羊角扭甙、苦参碱、川楝素等。,dombicacidkainicacid,软骨藻酸和红藻氨酸的结构,.植物源昆虫拒食剂和忌避剂,昆虫拒食剂(insectantifeedant)：在一定浓度范围内干扰或抑制昆虫取食行为的物质。如印楝素、闹羊花素、活乐木醛类、马兜铃酸、筋骨草等昆虫取食过程4步：寄主识别和定位，首次咀嚼，吞咽，继续取食。昆虫忌避剂(insectdeterrent)：影响昆虫识别取食寄主和定位的物质及避免交配、产卵和栖息的物质统称为忌避剂。辣蓼、鱼腥草、山奈、四季桔皮、芹菜籽、八角茴香、薄荷等对蚜虫及某些仓库害虫。,米籽兰苯并呋喃类化合物rocaglamide及其类似物,米籽兰Aglaiaodorata枝条甲醇提取物分离出苯并呋喃类化合物rocaglamide及其类似物改变试虫的取食行为，可能是抑制了昆虫中枢神经系统，使昆虫厌食，试虫饥饿而死。,rocaglamide结构,(2)植物源杀菌剂,Wilkins&Board(1989):1389种植物具有杀菌活性。大蒜素：我国曾以大蒜素分子结构为模板，衍生合成类似物乙蒜素，开发成功杀菌剂402，防治甘薯黑斑病、小麦腥黑穗病及棉花苗期病害等。稻瘟灵：从抗稻瘟病水稻植株分离出含丙二酸叉结构的杀菌化合物，以此为先导化合物开发稻瘟灵（富士一号）。硬尾醇Sclareol：南欧丹参和胶粘烟草中提取，对豆科植物锈病很有效Matteucinol：从秘鲁植物Miconiacannabina分离，对pythiumultimum的杀菌活性显著；银杏：白果酸、白果酚对多种真菌杀菌活性显著；,姜（Zingibercassumunar）根茎及土荆芥叶中分离的萜类化合物:纹枯病菌杀菌活性。盾叶鬼臼：活性成分为PodoblastinA、B、C，均有交叉三酮的吡喃结构。人工合成系列类似物，其中一些对稻瘟病防效很高。高等真菌中分离杀菌化合物捕蝇酸ibotenicacid，以此为先导化合物开发杀菌剂恶霉灵(hymexazol)；从伞状菌Strobilurrus中分离出杀菌成分Strobilurns，ICI公司和BASF公司以结构较简单的StrobilurinA为先导，开发出杀菌剂ICI5504和BAS490F。,StrobilurinA,BAS490F,ICIA5504,ibotenicacid,hymexazol,(3)植物源除草剂,A.醌类核桃醌jaglone:最早发现杀草活性的醌类化合物，在1M即明显抑制核桃园多种杂草生长；独脚金萌素strigol：棉花根系分泌物，有效防除玉米、高粱、甘蔗的寄生性杂草独脚金。已人工合成，并广泛用于大豆、豌豆、花生、棉花田诱导独脚金萌发与防除。,B.生物碱类,天仙子胺hyoscyamine：曼陀罗种子分离，莨菪烷碱类化合物，对禾本科杂草及自生向日葵苗杀草活性强，且持效期较长。咖啡因caffeine：墨西哥咖啡树周围土壤分离，自然条件下其浓度可达1-2g/m2，对剌苋等杂草防除效果好，且对豌豆安全。,C.香豆素类,植物：伞形科、豆科植物化合物：如香豆素coumarin、莨菪亭scopoletin、七叶亭escaltin、扫若仑pscoralen、邪蒿素seselin、当归根素angelicia、茴芹素pimpinelin等扫若仑：杀草活性最高，在0.001mg/l即可抑制野芥菜等杂草种子萌发。,D.噻吩和聚炔类,-三噻吩和多种双噻吩聚乙炔化合物：万寿菊C-13单噻吩聚乙炔活性最高，4-12mg/l可使野莴苣等多种杂草生长量减少50。以三噻吩为先导化合物开发除草剂已有专利。,E.萜烯类,豚草：多种倍半萜矢车菊：矢车菊倍半萜内酯1,8-桉树脑：开发新型内吸广谱除草剂恶庚草烷cinmethylin,cineole,cimethylin,(4)植物内源激素,1966年，分离获得第1个植物源昆虫保幼激素类似物juvabione（所谓“纸因子”）植物：香脂冷杉、加拿大铁杉、美洲落叶松等早熟素precocenes：熊耳草Ageratumhoustonianum,菊科植物，对昆虫具有抗保幼激素活性，分子结构简单，易合成，因毒性等原因而不能商品化。植物源昆虫蜕皮激素：Nakanishi(1966)从罗汉松首先分离获得已分离鉴定数百种植物源蜕皮激素。,植物产生的调节自身生长发育的非营养性微量活性物质，即植物内源激素，包括：乙烯、生长素（吲哚乙酸）；赤霉素、细胞分裂素、脱落酸；甾族植物激素芸苔素内酯brassinolide。根据内源激素结构衍生合成植物生长调节剂，如：乙烯利，2，4-滴萘乙酸、玉米素（N6-异戊烯腺嘌呤）等。,2、动物源天然产物农药,定义：源于动物（主要是节肢动物）的天然活性物质。绝大多数属于害虫控制剂，包括：昆虫激素昆虫信息素（pheromone）昆虫忌避剂节肢动物毒素。,(1)昆虫内源激素,A.天然保幼激素（juvenilehormone,JH）：昆虫咽侧体分泌、控制昆虫生长发育、变态及滞育。1973年合成第1个商品化昆虫保幼激素类似物（juvenilehormoneanalogue,JHA）。现已合成了数以千计的JHA。优点：活性高、选择性强、对非靶标生物及环境安全等缺点:a.只在昆虫发育的幼（若）虫末龄和蛹期起作用，田间害虫种群个体发育不可能整齐一致，挑战施药技术；b.杀虫作用缓慢。烯虫酯、蒙-512（altozar）、双氧威（fenoxycarb）等品种。,B.蜕皮激素moultinghormone(MH):,昆虫前胸腺分泌作用：引起若虫或幼虫蜕皮及化蛹，和保幼激素协同作用，共同控制昆虫生长发育及变态。前景：70年代末已从昆虫中鉴定了15种蜕皮激素，化学结构复杂，极性基团多，难以从表皮进入昆虫体内，存在大量钝化酶，本身难以作为害虫控制剂。抑食肼RH-5849、米螨：Rhom&Hass公司开发，突破性进展。,(2)昆虫信息素,昆虫信息素：用于昆虫同种个体之间信息交流的种内激素从农药的角度研究较多：性信息素（sexpheromone）产卵驱避素（ovipositiondeterningpheromone）报警激素（alarmpheromore）等。,A.性信息素,1959年，从家蚕雌蛾分离出第1个昆虫性信息素蚕蛾醇bomykol现已鉴定出300多种。特点：分子结构一般不复杂，大多能人工合成并实现工业化生产Wakamura(1993)：日本有29种昆虫性信息素产品投放市场。我国：梨小食心虫、桃小食心虫、苹果蠹蛾、二化螟、棉红铃虫、舞毒蛾等20多种昆虫性信息素。,B.产卵忌避素,产卵忌避素：在昆虫中能阻止雌虫在同一位置再次产卵的信息素，又称昆虫密度调节剂。赤豆象雌虫：每粒赤豆依次产下一粒卵，全部赤豆产一粒卵后再依次产第二粒卵，使卵均匀地分散在各粒赤豆上，以达到有效地利用赤豆的目的。芥子酸：花园卵石蛾Evergestforficalis产卵忌避素Cinnamaldehyde：洋葱实蝇产卵忌避素，以其为先导化合物，人工合成了活性更高的洋葱产卵阻止剂。距商品化生产还有相当的距离。,C.报警激素,报警激素:某些社会性及群居性昆虫释放的能作为信号警告种内其它个体将有突发性灾难降临的化合物小黄蚁报警激素：混合物，主要成分为香茅醇、十三烷酮等蚜虫报警激素：E-法尼烯。实际应用还有许多问题有待解决。,(3)昆虫忌避剂,实际应用少有报道限于防治卫生害虫，如避蚊胺、避蚊醇农业害虫尚未成功。,(4)节肢动物毒素,节肢动物毒素：指由节肢动物（包括昆虫）产生的，用于保卫自身、抵御敌人、攻击猎物的天然产物。沙蚕毒素：异足索蚕中分离。斑茅素canthoridin:芫菁科昆虫；生物碱类毒素：如火蚁-甲基-6-十一碳六氢吡啶，溶血和组织坏死作用,蜂毒肽melittin和蜂毒明肽apamin:蜜蜂黄蜂毒素：已分离鉴定合成，作用于昆虫运动神经末梢和肌纤维组成的突触，阻断以谷氨酸为递质的神经传导。蝎毒：蝎目产生的肽类物质，60多种。蜘蛛毒素：多肽。,3、微生物源天然产物农药,（1）概念主要指抗生素，即由微生物代谢产生的具有农药活性且有明确分子结构的化合物.不包括微生物本身：如Bt制剂、白僵菌、木霉菌、革兰氏阳性和革兰氏阴性杆状菌及各种病毒。