生物源除草活性物質(zhì)開發(fā)及應(yīng)用研究進(jìn)展

張紅梅, 陳玉湘, 徐士超, 王 婧,蔣建新, 趙振東*,

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實驗室，國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)化學(xué)工程重點實驗室，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室，南京 210042；2. 北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083；3. 南京林業(yè)大學(xué) 林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037)

施用除草劑是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要舉措之一[1-2]。近年來，因除草劑過度使用而引發(fā)的環(huán)境污染、生物毒性及雜草抗性等問題頻發(fā)，使糧食生產(chǎn)受到威脅。為解決這一問題，實現(xiàn)綠色發(fā)展目標(biāo)，急需開發(fā)新型環(huán)境友好型除草劑，而生物源除草劑為此提供了一種可行的方案[3-5]。生物源除草劑理論上包括植物源除草劑、微生物源除草劑和動物源除草劑。目前，針對植物源除草活性物質(zhì)和微生物源除草活性物質(zhì)的研究日益增多，已具有豐富的研究成果，而動物源除草活性物質(zhì)尚未見報道[6]。在全球超過30 科植物中，已發(fā)現(xiàn)具有除草活性的天然化合物有2 000 多種，根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為萜烯類、生物堿類、香豆素類等類型，主要來源植物有松科、桃金娘科、菊科等[7-8]。微生物源除草活性物質(zhì)主要來自于真菌、細(xì)菌、放線菌、病毒及其產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物，其中真菌是第一大來源，有超過40 屬的真菌有望開發(fā)為生物源除草劑[9]。生物源除草劑具有活性物質(zhì)來源多、分布廣、易降解、污染小、對非靶標(biāo)雜草安全等優(yōu)點[10-11]，而以天然資源為基礎(chǔ)進(jìn)行化學(xué)或生物改造，發(fā)掘結(jié)構(gòu)新穎的化合物，同時探究除草劑作用機制和靶標(biāo)，是研究開發(fā)生物源除草劑產(chǎn)品的重要方法[12-13]。為此，本文擬從生物源除草活性物質(zhì)的來源、分類、化學(xué)改性合成和除草活性等方面的研究進(jìn)展展開綜述，并分析其優(yōu)缺點，以期為生物源除草劑的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 植物源除草活性物質(zhì)及其衍生物

植物源除草活性物質(zhì)是指具有除草活性的植物次生代謝產(chǎn)物，在許多植物中均有發(fā)現(xiàn)，如松科、桃金娘科、蕓香科、唇形科、菊科等。雖然天然產(chǎn)物具有優(yōu)良的抑制雜草生長的活性，但由于其存在含量低、性質(zhì)不穩(wěn)定、純化困難等問題，難以大范圍應(yīng)用，因此，利用天然產(chǎn)物及其結(jié)構(gòu)類似物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，改變分子結(jié)構(gòu)中的不足之處，引入活性基團后創(chuàng)制新農(nóng)藥，已成為開發(fā)新型除草劑的方向之一[13]。目前，針對天然除草活性物質(zhì)的化學(xué)改性研究主要集中在萜烯類，已合成出多種活性衍生物，包括席夫堿類、酰胺類、硫脲類等，此外，關(guān)于香豆素類、醌類也有少量研究。

1.1 松科 (Pinaceae) 植物分泌物及其衍生物

松節(jié)油是由松脂經(jīng)蒸餾得到的揮發(fā)性成分，主要成分為α-蒎烯 (α-pinene，1，圖式1) 和β-蒎烯 (β-pinene，2) 。α-蒎烯在植物化感作用上發(fā)揮著重要的作用。Abrahim 等[14]指出，α-蒎烯在濃度為0.1 mmol/L 時即能完全抑制玉米線粒體的呼吸作用而使其死亡。Feo 等[15]發(fā)現(xiàn)，α-蒎烯在播種120 h 后仍具有明顯的抑制種子萌芽和胚根生長的作用，在光照和黑暗條件下均有效。Martino等[16]對27 種單萜，如α-蒎烯和β-蒎烯對蘿卜和獨行菜萌芽和胚根生長的研究表明，這兩種化合物比其他組分具有更顯著的植物毒性。Singh 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，使用α-蒎烯處理決明子根能夠增強其溶質(zhì)滲漏作用，增加丙二醛、脯氨酸和過氧化氫的含量，并抑制其生長。

α-蒎烯性質(zhì)活潑，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其改性產(chǎn)物有席夫堿、仲胺、酰胺、硫脲和肟酯等類型。趙振東課題組[18-22]從松節(jié)油或α-蒎烯出發(fā)合成的3-對?烯-1-胺席夫堿及仲胺類化合物、順-1,8-對?烷二胺席夫堿及仲胺類化合物，表現(xiàn)出了良好的除草活性，其中：化合物N-(4-氯-苯亞甲基)-4-異丙基-1-甲基環(huán)己胺-3-烯胺 (N-(4-chlorobenzylidene)-4-isopropyl-1-methylcyclohex-3-enamine，3) 和N-(2,6-二氯-苯亞甲基)-4-異丙基-1-甲基環(huán)己胺-3-烯胺 (N-(2,6-dichlorobenzylidene)-4-isopropyl-1-methylcyclohex-3-enamine，4) 對稗草根的抑制作用分別比草甘膦高出78.3%和355.6%[18-19]；順-N-((5-溴呋喃-2-基) 亞甲基)-4-(2-(((5-溴呋喃2-基)-亞甲基) 氨基)-丙烷-2-基)-1-甲基環(huán)己胺 (cis-N-((5-bromofuran-2-yl)methylene)-4-(2-(((5-bromofuran-2-yl)methylene)amino)propan-2-yl)-1-methylcyclohexanamine，5) 對黑麥草芽長的抑制作用比敵草隆高出51.0%[20]；化合物N-(4-氟芐基)-3-對?烯-1-胺 (N-(4-fluorobenzyl)-4-isopropyl-1-methylcyclohex-3-enamine，6) 對稗草根生長的IC50值為0.03 mmol/L(相當(dāng)于7 mg/L) ，且在100 mg/L 時對6 種雜草的抑制率均在90%以上，對6 種農(nóng)作物幾乎無藥害作用[21]；化合物N,N′-雙 (4-三氟甲基芐基) -順-1, 8-對?烷二胺 (N,N′-(4-trifluoromethyl benzyl)-cis-1,8-pmenthane-diamine，7) 和N,N′-雙 (4-甲硫基芐基) -順-1, 8-對?烷二胺 (N,N′-(4-methylthio benzyl)-cis-1,8-pmenthane-diamine，8) 對稗草根生長的IC50值分別為0.08 mmol/L 和0.06 mmol/L，與敵草隆 (對稗草根生長的IC50值為0.07 mmol/L)相當(dāng) ，且這些化合物對正常哺乳動物細(xì)胞毒性非常小，因此對?烷型化合物具有開發(fā)為植物源除草劑的潛力[22]。

廖靜妮等[23]以α-蒎烯為原料合成了N-氨乙基萜品烯馬來酰亞胺 (N-aminoethyl-terpinene maleimide，9) ，在100 mg/L 質(zhì)量濃度下對油菜胚根生長的抑制率為92.3%，活性級別為A 級。Liu 等[24]將α-蒎烯轉(zhuǎn)化為化合物2-甲氧基苯基-N-氨乙基-萜品馬來酰亞胺基硫脲 (2-methoxyphenyl-N-aminoethyl-terpinene-maleimide-based thiourea，10) ，其在100 mg/L 時對油菜胚根生長的抑制率為82.0%，活性級別為A 級。Hu 等[25]以α-蒎烯為原料合成的肟酯類化合物(E)-馬鞭草烯酮-O-β-吡啶基-羰基-肟 ((E)-verbenone-O-β-pyridylcarbonyloxime，11) 在100 mg/L 時對油菜根長抑制率為92.1%，優(yōu)于丙炔氟草胺 (抑制率為63.0%) 。林桂汕等[26]以α-蒎烯為原料合成了新型的蒎酸基雙酰腙類化合物，在100 mg/L 時，蒎酸基雙苯酰腙(pinacid bisbenzoyl hydrazone，12) 和蒎酸基雙對氟苯酰腙 (pinacid bis-fluorobenzoylhydrazone，13)對油菜胚根生長的抑制率為70.1%和73.2%。Lin等[27]以α-蒎烯為原料合成了雙噻二唑類化合物，其中α-蒎烯衍生-2,2-二甲基苯基雙噻二唑 (αpinene-based-2,2-dimethylphenyl thiadiazole，14)

和α-蒎烯衍生-3, 3-二甲基苯基雙噻二唑 (α-pinenebased-3,3-dimethylphenyl thiadiazole，15) 在100 mg/L 時對油菜胚根生長的抑制率為73%和68%。黃道戰(zhàn)等[28-29]分別以α-蒎烯為原料，以H2O2為氧化劑，經(jīng)鎢酸鹽催化氧化合成了桉葉素類似物(ester derivatives of (3R,4R)-4,7,7-trimethyl-6-oxabicyclo[3.2.1]octane-3,4-diol，16～18) ，它們對黑麥草根生長的IC50值分別為0.24、0.17 和0.14 mmol/L，效果與草甘膦 (對黑麥草根生長的IC50值為0.14 mmol/L)的接近，對芽生長的IC50值分別為0.11、0.15 和0.12 mmol/L，效果略優(yōu)于草甘膦 (對黑麥草芽生長的IC50值為0.41 mmol/L) 。Wang 等[30]以3-蒈烯為原料，經(jīng)過CrO3-Al2O3氧化和13X 型分子篩催化異構(gòu)化，制備了5-異丙基-3-甲基苯酚 (5-isopropyl-3-methylphenol，19) ，在0.0 7 8 m m o l/L 時對稗草根生長的抑制率為64.0%，具有一定的除草活性。虞友培等[31]將3-蒈烯轉(zhuǎn)化為蒈酸基雙酰肼類化合物 (caric acid-based diacylhydrazine compounds，20) ，在100 mg/L 時化合物蒈酸基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對油菜胚根生長的抑制率分別為88.5%、86.1%、85.1%和82.6%，活性水平均為A 級，優(yōu)于陽性對照丙炔氟草胺 (抑制率63%) 。Gao 等[32]以海松酸為原料合成了丙烯海松酸雙酰基硫脲衍生物 (acrylopimaric acid diacylthiourea derivatives，21) ，其在有效成分200 g/hm2劑量下對稗草的抑制率高于80%，當(dāng)劑量低至25 g/hm2時仍有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質(zhì)主要來源于桉屬 (Eucalyptus) 和紅千層屬 (Callistemon) 。早在20 世紀(jì)60 年代，桉葉素就被認(rèn)為是一種可能具有生物活性的植物毒素，它有1,8-桉葉素 (1,8-cineole，22，圖式2) 和1,4-桉葉素 (1, 4-cineole，23) 兩種異構(gòu)體，研究表明它們均能抑制雜草的生長[33]。Singh 等[34]研究發(fā)現(xiàn)，1,8-桉葉素能抑制藿香薊的萌芽速度、幼苗生長和呼吸作用。纖精酮 (leptospermone，24) 是從掃帚葉澳洲茶樹Leptospermum scoparium和澳大利亞紅千層Callistemon uiminalis中分離得到的三酮類化合物，具有芽前與苗后處理能使闊葉與禾本科雜草產(chǎn)生白化癥狀而玉米耐受的優(yōu)點[35]。

從1,4-桉葉素出發(fā)已合成大量的1,4-桉葉素衍生物，其結(jié)構(gòu)可分為3 類：對于結(jié)構(gòu)Ⅰ (25) ，當(dāng)R 為炔基時，在用量為24 g/hm2時，其對稗草和旱雀麥具有很好的防除效果，對獨行菜和苘麻具有中等強度的抑制作用；對于結(jié)構(gòu)Ⅱ (26) ，當(dāng)R1相同、R2不同時，結(jié)構(gòu)的變化對除草活性的影響不大，在用量分別為24 和12 g/hm2時，能夠很好地抑制獨行菜根和芽的生長。當(dāng)R1=CF3、R2=CH2CH3時，化合物對反枝莧、苘麻和白花牽牛有很好的防除效果；對于結(jié)構(gòu)Ⅲ (27) ，苯環(huán)上連有供電子基的化合物的除草活性優(yōu)于連有吸電子基的[36]。Barton 等[37]合成了一系列1,4-桉葉素酯類和1,8-桉葉素酯類化合物，其對黑麥草和蘿卜發(fā)芽和生長表現(xiàn)出良好的抑制活性。

1.3 蕓香科 (Rutaceae) 植物提取物及其衍生物

含有除草活性物質(zhì)的蕓香科植物主要為柑橘屬 (Citrus) 、黃皮屬 (Clausena) 、花椒屬(Zanthoxylum) 等。Fagodia 等[38]發(fā)現(xiàn)，來檬Citrus×aurantiifolia精油具有一定的除草活性，其主要成分為40.9%的檸檬烯 (limonene，28，圖式3) 和27.5% 的檸檬醛 (citral，29) ，其中檸檬醛在250 mg/L 時對細(xì)虉草發(fā)芽、胚芽鞘和根生長的抑制率為90%、80%和80%，且在10～100 mg/L 下作用24 h，能夠改變洋蔥根尖分生組織細(xì)胞的分裂指數(shù)，增加染色體畸變。Zobel 等[39]從檸檬Citrus limon葉中得到了多種香豆素類化合物，如東茛菪亭 (scopoletin，30) 、歐前胡素 (imperatorin,31) 和邪蒿素 (seselin, 32) 等，均具有明顯的除草活性。Lee 等[40]研究了17 種香豆素對稀脈浮萍和小球藻的除草活性，發(fā)現(xiàn)東莨菪亭、3-苯并呋喃酮和傘形花內(nèi)酯等化合物在125 mg/L 時對稀脈浮萍的抑制率高于80%，其IC50值在10～20 mg/L范圍內(nèi)。盧海博等[41]從黃皮Clausena lansium甲醇提取物中分離得到的黃皮素內(nèi)酯Ⅱ (2′,3′-epoxyanisola，33)，在80 mg/L 時對稗草根長、莖長和鮮重的抑制率分別為96.0%、84.7%和89.8%，IC50值分別為66.9、78.4 和133 mg/L。董存濤等[42]利用活性基團拼接法合成了5 種結(jié)構(gòu)新穎的異香豆素衍生物，其中3-己基-4- (3-氯苯基) -6,7-二甲氧基異香豆素 (3-hexyl-4-(3-chlorophenyl)-6,7-dimethoxy iso-coumarin，34) 在50 mg/L 下對擬南芥和馬唐莖葉生長的葉抑制率為90%和85%。Rios等[43]從花椒Zanthoxylum affine地上部分提取得到了蒙花苷 (linarin，35) ，其在0.05 mmol/L 時對萵苣種子發(fā)芽的抑制率為88.6%，72 h 內(nèi)萵苣種子的呼吸作用降低了66.7%，在0.15 mmol/L 時能抑制61% ATP 的合成，且能抑制根尖細(xì)胞分化。

1.4 其他木本植物提取物及其衍生物

其他木本植物如中國粗榧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。拓亞琴等[44]研究發(fā)現(xiàn)，中國粗榧總生物堿對反枝莧種子萌發(fā)及根莖生長有抑制作用。馬樹杰等[45]從中國粗榧枝葉中分離得到8 個生物堿類化合物，其中橋氧三尖杉堿 (drupacine，36，圖式4) 對雙子葉雜草具有較好的除草活性，對反枝莧幼根和幼芽的EC50值分別為21.01 mg/L 和25.51 mg/L。張金云[46]從山核桃外果皮中分離到的4,8-二羥基-1-四氫萘酮(4,8-dihydroxy-1-tetralone，4,8-DHT，37) 對多種雜草如貓尾草、白三葉具有化感作用；以其為原料合成了4 類衍生物，其中8-羥基-4-(2,3-二羥基丙氧基)-1-四氫萘酮 (8-hydroxy-4-(2,3-dihydroxypropoxy)-1-tetrahydronaphthalone，38) 和8-(2,3-二羥基丙氧基)-4-羥基-1-四氫萘酮 (8-(2,3-dihydroxypropoxy)-4-hydroxy-1-tetrahydronaphtholone，39) 除草活性較強，具有開發(fā)為新型除草劑的潛力。胡琪瑤等[47]研究發(fā)現(xiàn)：采用36 mmol/L 的 4,8-DHT 土壤處理8 d，對陌上菜、擬鼠麴草、車前、碎米薺和匙葉合冠鼠麴草的株防效均高達(dá)100%，20 d 株防效為78%以上；對幼苗進(jìn)行噴施處理，8 d 后對碎米薺、匙葉合冠鼠麴草和陌上菜的株防效分別為100%、100%和93.8%，藥后20 d，株防效仍在87% 以上。分離自核桃樹的胡桃醌 (juglone，40) 可通過自身氧化來抑制周圍雜草的生長。Durán等[48]分別以胡桃醌、白花丹醌 (plumbagin, 41) 和指甲花醌 (lawsone, 42) 為原料，合成了一系列醚類和酯類衍生物，其中含烯丙氧基、游離羥基和1,2-二羰基的化合物在所有衍生物中活性最好。Feo 等[49]研究發(fā)現(xiàn)，臭椿根水提物對蘿卜、水芹、馬齒莧種子萌發(fā)具有抑制作用，其有效成分是一種四環(huán)二萜內(nèi)酯類化合物——臭椿苦酮 (ailanthone，43) 。Demasi 等[50]研究了臭椿苦酮對獨行菜和蘿卜生長的抑制活性，發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)皿試驗或盆栽試驗中，7.5 mg/L 的臭椿苦酮溶液對植株生長有80%～90%的抑制作用，而在栽培基質(zhì)中若達(dá)到相同效果則需要較高的質(zhì)量濃度(≥30 mg/L)；植物毒性持久性結(jié)果表明，處理10 d 后，兩種植物生長受抑制程度相當(dāng)，而處理30 d 后對蘿卜生長的抑制作用更明顯，達(dá)到了45%。樟腦具有驅(qū)蟲防霉的功效，林桂汕等[51]以樟腦為原料合成了樟腦基苯基硫脲化合物，在100 mg/L 時化合物樟腦基對溴苯基硫脲 (camphor-basedp-bromophenyl thiourea，44) 對油菜胚根生長的抑制率為60.2%。此外，麻風(fēng)樹Jatropha curcas、胡桃楸Juglans mandshurica、米仔蘭Aglaia odorata、海桐Pittosporum tobira和紫丁香Syringa oblata等木本植物的次生代謝產(chǎn)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屬 (Thymus) 、牛至屬(Origanum) 、風(fēng)輪菜屬 (Satureja) 和紫蘇屬 (Perilla)等植物的次生代謝產(chǎn)物具有一定的除草活性。Kordali 等[53]研究表明：百里香屬和牛至屬植物精油中的香芹酚 (carvacrol，45，圖式5) 和百里香酚(thymol，46) 在濃度為每個培養(yǎng)皿10 mg 時能完全抑制反枝莧和藜的種子萌發(fā)，盆栽試驗每盆施用10 mg 時，48 h 后對反枝莧和藜的生長抑制率為96.3%和89.9%，效果優(yōu)于除草劑2,4-D。Azirak等[54]也發(fā)現(xiàn)，百里香酚和香芹酚對蘿卜和獨行菜的萌芽和根生長具有抑制作用。Kashkooli 等[55]測定了百里香4 種生態(tài)型中精油的主要成分百里香酚 (20%～60.5%) 和香芹酚 (20.1%～63.4%) ，當(dāng)精油濃度為800 μL/L 便能完全抑制反枝莧、曼陀羅和野燕麥種子發(fā)芽；600 μL/L 濃度處理下，反枝莧的莖鮮重、根鮮重和根干重均為0 g。Hazrati等[56]用風(fēng)輪菜Satureja hortensisL. 精油 (含55.6%香芹酚，31.9%γ-松油烯) 制備了O/W 型微乳劑，4 mL/L時對2～4 葉期莧菜和藜可完全致死，5 d 內(nèi)使細(xì)胞膜破裂、電解質(zhì)滲漏。紫蘇醛是從植物紫蘇中提取得到的一種單萜醛類化合物，具有一定的除草活性。馬媛等[57-58]以紫蘇醛為原料，合成了紫蘇醛基席夫堿-(硫)脲化合物和紫蘇醛肟酯類化合物，在100 mg/L時，紫蘇醛基環(huán)己基席夫堿硫脲 (perillaldehyde-based cyclohexyl Schiff base-(thio)urea，47) 對油菜胚根生長的抑制率為77.6%，紫蘇醛基甲基肟酯類化合物 (perylaldehyde methyl oxime ester，48、49、50) 對稗草株高的抑制率分別為97.0%、91.0%和80.0%，活性級別為A 級。曾小靜[59]以紫蘇醛為原料合成了一系列紫蘇仲胺類化合物，其中N-己基紫蘇胺 (N-(nhexyl)perillyl-sec-amines，51) 和N- (2-甲基環(huán)己基) 紫蘇胺 (N-(2-methylcyclohexyl)perillyl-secamines，52) 對稗草莖長的IC50值為0.07 mmol/L和0.11 mmol/L，對根長的IC50值為0.09 mmol/L和0.18 mmol/L，均優(yōu)于莠去津。

1.6 菊科 (Asteraceae) 植物提取物及其衍生物

菊科是植物種類最多的科，其中含有除草活性物質(zhì)的主要集中在蒿屬 (Artemisia) 、蒼耳屬(Xanthium) 、金盞花屬 (Calendula) 、薊屬(Cirsium) 和向日葵屬 (Helianthus) 等。青蒿素(artemisinin，53，圖式6) 是從黃花蒿Artemisia annuaLinn. 中提取到的一種倍半萜烯內(nèi)酯類化合物，具有優(yōu)越的抗瘧疾活性，同時也能對許多雜草產(chǎn)生化感作用[60]。Shao 等[61]鑒定了白莖絹蒿Seriphidium terraealbae精油的主要成分：α-側(cè)柏酮 (α-thujone，54，43.18%) 、β-側(cè)柏酮 (β-thujone，55，16.92%) 、莰酮 (camphor，56，13.88%) 和桉樹腦 (17.6%) ，在20 mg/L 時對反枝莧根長的抑制率分別為31.3%、70.6%、36.9%和66.6%，在5 mg/L時能完全抑制反枝莧和黃花蒿種子的萌發(fā)。豬毛蒿Artemisia scoparia精油富含側(cè)柏酮、正丁醛及葛縷酮等物質(zhì)，楊淑娟等[62]研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度為0.1～10 mg/L 的豬毛蒿精油對稗草的根和莖生長有抑制作用，且光照能增強抑制效果。蒼耳Xanthium spinosum是一種入侵植物，對周圍植物有化感作用。Yuan 等[63]從蒼耳Xanthium spinosum葉中分離到一種倍半萜內(nèi)酯類化合物xanthatin(57) ，其在5、20、100 mg/L 時對反枝莧根的生長抑制率分別為32.5%、39.4%和84.7%。金盞花Calendula officinalis中的α-三噻吩 (α-trithienyl，58) 具有除草活性和殺線蟲活性[17]。Kaab 等[64]從刺苞菜薊Cynara cardunculus中分離得到黃酮苷類化合物柚皮素 (naringenin，59) 和楊梅苷 (myricitrin，60) ，柚皮素在100 mg/L 時對絳三葉草的枯死率為42%，楊梅苷在60 mg/L 時對絳三葉草的枯死率為40%，在芽前對絳三葉草根和胚軸處理5 d，抑制率為62%和26%。韋琦等[65]從藿香薊Ageratum conyzoides地上部分提取物中分離得到勝紅薊素(ageratochromene, 61) ，其在500 mg/L 時能完全抑制稗草生長，抑制90%蘿卜生長。王麗等[66]發(fā)現(xiàn)腫柄菊Tithonia diversifolia莖葉水提物在100 mg/L 時對稗草種子和玉米種子萌發(fā)的抑制率為92%和72%，其主要活性化合物為腫柄菊內(nèi)酯A(tagitinin A, 62) 。從向日葵Helianthus annuus植株中分離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濃度下可以抑制雙子葉植物發(fā)芽[67]。此外，飛機草Eupatorium odoratum、紫莖澤蘭Ageratina adenophora、豚草Ambrosia artemisiifolia和黃頂菊Flaveria bidentis等菊科植物的次生代謝產(chǎn)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，如莎草屬 (Cyperus) 、棉屬 (Gossypium) 、黃連 (Coptis chinensis) 等。莎草茵 (cyperine，65，圖式7) 是從莎草屬植物中分離到的除草活性物質(zhì)[33]。棉花根部分泌的獨角金醇 (strigol，66) 能防治玉米、甘蔗田中的獨角金，現(xiàn)已人工合成[68]。黃連根的主要成分為小檗堿 (berbericine, 67, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～8%) ，400 mg/L 的黃連根須浸提液能抑制萵苣、綠豆、白菜種子中淀粉和蛋白酶水解，影響種子萌發(fā)，當(dāng)其質(zhì)量濃度達(dá)到800 mg/L 時，植株會出現(xiàn)根尖卷曲、根毛消失、畸形且變成褐色的受害癥狀[69]。此外，烏頭Aconitum carmichaeli、野老鸛草Geranium carolinianum、石蟬草Peperomia blanda及中國馬先蒿Pedicularis chinensis等草本植物的次生代謝產(chǎn)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質(zhì)具有廣闊的應(yīng)用前景，具有活性較高、來源廣泛、化學(xué)改性衍生物種類豐富等優(yōu)點，其中以對萜類化合物的研究最多，且其化學(xué)改性衍生物也具有較好的除草活性。但針對植物提取物及其衍生物除草活性的相關(guān)研究還不夠深入，在除草活性、殺草機理、作用靶點、應(yīng)用范圍和供試物種等方面仍有較大的局限性，需要進(jìn)行更全面、更深入的研究。

2 微生物源除草活性物質(zhì)

微生物源除草活性物質(zhì)主要來源于兩類：一是直接利用活體植物病原微生物及其制劑，主要為真菌、細(xì)菌、放線菌和病毒四大類，其中利用最多的是真菌；二是利用微生物次生代謝產(chǎn)物，主要為多肽類、萜類、大環(huán)內(nèi)酯類和酚類[70-71]。利用微生物防除雜草已有近200 年的歷史，它是雜草防治工作中一個重要的研究內(nèi)容。微生物源除草活性物質(zhì)具有來源豐富、毒副作用小、選擇性強、對環(huán)境友好、殘留少、安全性高等優(yōu)點[72]，大力推廣使用生物源除草劑或仿生除草劑，對于促進(jìn)環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

2.1 真菌及其次生代謝產(chǎn)物

近年來，針對真菌除草活性的研究取得了突破性進(jìn)展，有超過80 種真菌品種被研究，可防除約70 種雜草[72]，有望作為候選或已發(fā)展成生物源除草劑的有30 多種，其中最有生物潛能的有9 個屬，包括刺盤孢菌屬 (Colletotrichum) 、疫霉屬(Phytophthora)、鐮刀菌屬 (Fusarium) 、交鏈孢菌屬 (Alternaria) 、柄銹菌屬 (Puccinia) 、尾孢霉屬(Cercospora) 、葉黑粉菌屬 (Entyloma) 、殼單孢菌屬 (Ascochyta) 和核盤菌屬 (Sclerotinia)[73]。國內(nèi)外在真菌除草劑的新菌株篩選以及商品化產(chǎn)品開發(fā)等方面進(jìn)行了大量的研究。Dr. Biosedge 是由縱溝柄繡菌Puccinia canaliculata的夏孢子制成的真菌除草劑，用于防治油莎草，缺點是銹菌為專性寄生菌，只能靠活體繁殖，因此Dr. Bioseoge 制劑只注冊并未出售[74]。荷蘭于1997 年注冊的銀葉菌Chondrostereum purureum除草劑Biochon 可用于防治野黑櫻[73]。中國在微生物源除草劑研究方面也取得了重要進(jìn)展。1979 年新疆哈密植檢站將從患病的埃及列當(dāng)中分離得到的鐮刀菌Fusarium orobanches制得生防制劑F798，用于瓜田防治列當(dāng)，用F798 一份兌水2～3 份，防治面積22.7 hm2，防效達(dá)到95%以上[75]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)雜草研究室從馬唐植株上分離到一株畫眉草彎孢霉菌Curvularia eragrostidis(QZ-2000) ，研究表明，該菌株對馬唐、千金子、稗草等雜草具有較強的侵染力，但對玉米、大豆等作物安全，以QZ-2000 的分生孢子為主要成分研制出了新型微生物源除草劑——“敵散克” (Disancu)[76]。李永龍等[77]從患病楊樹葉片上分離得到一株出芽短梗霉菌Aureobasidium pullulans(PA-2) ，盆栽試驗表明，其發(fā)酵濾液20 mL/盆對豬殃殃、藜、冬葵、酸模葉蓼及野燕麥7 d 的鮮重防效分別達(dá)到87.2%、78.5%、82.2%、62.1%和80.3%，且對小麥、蠶豆等作物安全。鄒益澤[78]以草莖點霉菌Phoma herbarum為原料制備了水分散粒劑，活菌率為2.55 × 108cfu/g，田間試驗表明，其用量為1 305 g/hm2時對鴨跖草21 d 鮮重防效為50.9%。李海濤[79]從麥瓶草上篩選到一株寄生疫霉菌株P(guān)hytophthora nicotianaeWP-1，溫室盆栽法試驗結(jié)果表明，在用量為1 × 107cfu/m2時，WP-1 對麥瓶草、播娘篙和反枝覓的鮮重防效分別為79.6%、77.2%和66.7%，且具有一定的選擇性，敏感植物主要集中在十字花科、莧科和石竹科。王禹博[80]從野茨菇致病菌中分離得到一株鏈格孢菌Alternaria alternataSC-018，孢子濃度為1.0 × 106個/mL 的SC-018 水乳劑對野茨菇的防效與30% 二氯喹啉酸可濕性粉劑相當(dāng)，ED50值為36.2 g/mL，且安全性好，施用10、15、30 d 均未對水稻產(chǎn)生任何不良影響。王曉艷[81]從發(fā)病的空心蓮子草上篩選出蓮子草假隔鏈格孢Nimbya alternantheraeSF-193 菌株，菌液按體積比1 : 10稀釋后在田間向空心蓮子草噴霧施用，噴霧量為200 mL/m2，2 d 即嚴(yán)重發(fā)病，4 d 防效達(dá)98%。楊云強[82]篩選出2 種對稗草和反枝莧致病作用較強的生防菌Alternaria alternata和A. amaranthi-3，盆栽試驗表明，接種濃度為107個孢子/mL 時，A. amaranthi-3 水乳劑對反枝莧生長的抑制率為88.4%，高于其水劑，且A. amaranthi-3 菌劑與低濃度除草劑復(fù)配可以提高除草效果。

具有植物毒性的微生物次生代謝產(chǎn)物又稱為植物毒素，其中來源于真菌的植物毒素最多，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了7 萬多種[9]，主要集中在鏈格孢菌屬(Alternaria) 、旋孢腔菌屬 (Cochliobolus) 和小球腔菌屬 (Leptosphaeria) 等。利用植物毒素進(jìn)行雜草防治也取得了重要進(jìn)展。由鏈格孢菌產(chǎn)生的一種環(huán)肽毒素 (maculsion) 對黑矢車菊有極強的毒性，且當(dāng)其濃度達(dá)到10?3mol/L 時，對其他植物仍非常安全[83]。由侵染一年蓬的核莖點霉菌Phoma putaminum產(chǎn)生的putaminoxin B 和C 也具有一定的除草活性[84]。陳世國等[85]從患葉斑病紫莖澤蘭的病斑上分離到一株鏈格孢菌，其所產(chǎn)生的毒素細(xì)交鏈格孢菌酮酸(tenuazonic acid，TeA) 對馬唐、稗草、狗尾草等雜草具有明顯的抑制作用。TeA 是一種新型天然光合作用抑制劑，其作用靶標(biāo)主要是光系統(tǒng)Ⅱ的D1 蛋白，在TeA 與QB 位點相互作用過程中，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團的吡咯環(huán)[86]。馬娟等[87]從灰葡萄孢、瓜果腐霉等真菌代謝產(chǎn)物中分離鑒定了脫落酸、脫落酸葡萄糖苷和脫落酸葡萄糖酯等具有較強除草活性的化合物。張金新等[88]從患病茶葉上得到一株間座殼屬菌 (Diaporthesp., CY-H) ，每個培養(yǎng)皿中施用其發(fā)酵液5 mL 時對稗草和反枝莧根的抑制率分別為94.6%和77.3%，分離得到化合物cytosporaphenones C (CY1) ，在質(zhì)量濃度為100 μg/mL 時對反枝莧根的抑制率為57.1%，且對小麥和油菜的安全性較好。石園園[89]對反枝莧專化鏈格孢Alternaria amaranthi-3 進(jìn)行誘變，篩選到一株突變菌株X4，經(jīng)柱層析和重結(jié)晶等方法得到X4 毒素晶體。在100 μg/mL 時，X4 毒素晶體對反枝莧胚根的抑制率為88.9%；用200 μg/mL 的X4 毒素晶體處理帶傷口的反枝莧葉片48 h 后，葉片出現(xiàn)黃褐色壞死斑，其病癥與病原菌侵染反枝莧時產(chǎn)生的病癥相似。此外，已知的具有除草活性的植物毒素還有除莠菌素 (herbicidin) 、綠僵菌素 (destruxin E) 、桿孢菌素 (roridins) 和疣孢菌素 (verucarins)[72]等。

2.2 細(xì)菌及其次生代謝產(chǎn)物

細(xì)菌除草活性物質(zhì)主要是從雜草根系土壤的微生物菌群中篩選出的根際細(xì)菌，具有除草潛能的主要集中在8 個屬[73]：假單孢菌屬 (Pseudomonas) 、腸桿菌屬 (Enterobacter) 、黃桿菌屬(Flavobacterium) 、檸檬酸細(xì)菌屬 (Citrobacter) 、無色桿菌屬 (Achromobacter) 、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcalligenes) 、歐文氏菌屬 (Erwinia) 和黃單胞菌屬 (Xanthomonas) 。但漢斌等[90]從狗尾草根際細(xì)菌篩選到的歐文氏菌屬(Erwinia) S7 菌株能完全抑制狗尾草的種子萌發(fā)，且對供試草坪草高羊茅沒有負(fù)面影響。李明智等[91]從反枝莧根際細(xì)菌中篩選到一株野油菜黃單胞菌反枝莧致病變種Xanthomonas campestrispv. retroflexus，其發(fā)酵液按體積比1 : 1稀釋時，對薺菜和反枝莧株高和根長的抑制率大于90%，按1 : 30 稀釋時對薺菜根長、反枝莧株高和根長的抑制率均大于70%。

此外，細(xì)菌毒素也具有除草活性。菜豆假單孢菌Pseudomonas syringae產(chǎn)生的三肽化合物(phaseolotoxin) 能引起野葛葉片出現(xiàn)黃萎病，煙草假單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劑模型從馬唐根際土壤中分離出一株色桿菌屬Chromobacerium馬唐致病菌S-4，噴施其發(fā)酵上清液50 mL 對馬唐14 d 的鮮重抑制率在60%以上，噴霧后3 d 出現(xiàn)葉片失綠，但重新噴施滅菌水后2 d又可恢復(fù)生長。

2.3 放線菌及其次生代謝產(chǎn)物

直接以放線菌進(jìn)行雜草防除的應(yīng)用較少，大多用的是其次生代謝產(chǎn)物。由鏈霉菌Streptomyces toyocaensis產(chǎn)生的茴香霉素 (anisomycin) 對稗草和馬唐有較強的除草活性，而對其他闊葉植物無影響[93]。徐文平等[94]發(fā)現(xiàn)，由放線鏈霉菌9018 產(chǎn)生的3 個環(huán)己酰亞胺類物質(zhì)具有極強的殺草活性，用量為373 g/hm2的9018 發(fā)酵液苗前處理，對野莧、春蓼的防除效果均達(dá)100%，高于對照藥劑雙丙氨膦；其用量為1 492 g/hm2時進(jìn)行苗后處理，對野莧和春蓼的防除效果為78.6%和64.9%。薛章榮等[95]從上海附近海島中得到一株淺灰鏈霉菌Streptomyces griseolus70014，其發(fā)酵液經(jīng)純化得到一個活性物質(zhì)2-[2-(3,5-二甲基-2-氧-環(huán)己基)-6-氧-四氫吡喃-4-基]-乙酰胺，其在1 mg/L 時可徹底抑制多種雜草種子的萌發(fā)，在有效成分75 g/hm2劑量下進(jìn)行盆栽試驗，對供試闊葉雜草的抑制率可達(dá)96.0%～100.0%，即使在2 000 g/hm2下對花生和小麥依然安全。陶黎明等[96]從放線菌709084 分離出的吲哚霉素 (indolmycin) 在有效成分500 g/hm2時可造成小藜40%子葉皺縮，醴腸有部分植株死亡，在有效成分2 000 g/hm2下進(jìn)行土壤處理，稗草出現(xiàn)黃化和白化現(xiàn)象。宗志友等[97]從貴州地區(qū)放線菌612243 發(fā)酵液中分離得到葡糖基殺粉蝶菌素(glucopiericidin A)，用其進(jìn)行莖葉處理時，植株主要表現(xiàn)為發(fā)黃、矮化、生長較弱，最佳起效時間為3 d 左右。徐文平等[98]從浙江四平山土壤中分離得到一株雪白鏈霉菌Streptomyces niveuSPRI-10885，其發(fā)酵液稀釋20 倍后仍然對多種闊葉雜草和禾本科雜草具有良好的生長抑制作用，經(jīng)純化得到5 個化合物，分別為除草素A、B、F及兩個異黃酮類物質(zhì)。王彥召等[99]研究了楊凌霉素 (Yanglingmycin) 對稗草種子萌發(fā)和小麥根生長的抑制效果，EC50值分別為26.20 mg/L 和20.90 mg/L，對稗草和小麥幼苗的生長抑制率均小于30%。

2.4 病毒及其次生代謝產(chǎn)物

以病毒進(jìn)行除草活性研究的報道較少。Charudattan 等[100]發(fā)現(xiàn)：煙草輕型綠花葉病毒(tobacco mild green mosaic virus，TMGMV) 能抑制毛果茄的生長，在接種12～14 d 后，植株葉片上出現(xiàn)壞死葉斑，繼發(fā)葉柄、莖尖及整株發(fā)生系統(tǒng)性的壞死；田間試驗表明，TMGMV 對不同大小和處于不同成長階段毛果茄的致死率可達(dá)到83%～97%。此外，藻類病毒Lpp-1 可用于防治水中的藍(lán)綠藻等水生雜草，將100 mL Lpp-1 制劑接種于容積為3.8 m3的貯水池中，7 d 內(nèi)可使藻類數(shù)量明顯下降[101]。

由此可見，微生物源除草活性物質(zhì)的研究已經(jīng)取得豐富的成果，但同時也存在不少缺陷，需要進(jìn)行更全面的研究。

3 商品化的生物源除草劑

3.1 商品化的植物源除草劑

1979 年，巴斯夫以莎草茵為先導(dǎo)化合物開發(fā)了10 多種作用靶點為原卟啉原氧化酶 (PPO) 的二苯醚類除草劑，如三氟羧草醚 (acifluorfen，68，圖式8) 、氯氟草醚等，是一種觸殺型選擇性芽后除草劑，可被雜草莖葉吸收，用于大豆田防除闊葉雜草[102]。1983 年，殼牌公司以1,4-桉葉素為母體，合成了除草劑環(huán)庚草醚 (cinmethylin, 69) ，其為分生組織抑制劑，具有施藥期寬、用量少 (15～30 g/hm2) 的優(yōu)點，用于水稻和闊葉作物中一年生雜草的芽前防治[103]。1993 年，捷利康農(nóng)化公司(現(xiàn)先正達(dá)公司) 以纖精酮為先導(dǎo)化合物開發(fā)出了一系列對羥苯基丙酮酸雙氧化酶 (HPPD) 抑制劑，如磺草酮 (sulcotrione，70) 、硝磺草酮、環(huán)磺酮等除草劑[104-105]，用于玉米田防除大多數(shù)闊葉雜草和部分禾本科雜草。

3.2 商品化的微生物源除草劑

1963 年，山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院在大豆菟絲子上分離得到膠孢炭疽菌菟絲子專化型Colletotrichum gloeosporioides(Penz) Sacc f. sp.cuscutae，商品名“魯保一號”，適用于防治蔬菜、大豆、亞麻、瓜類等作物田中的菟絲子，推廣面積達(dá)60 萬公頃，防治效果均在85% 以上，取得了顯著的經(jīng)濟效益；鑒于早年科學(xué)技術(shù)手段有限，缺乏對于“魯保一號”菌株形態(tài)描述和分子生物學(xué)鑒定的相關(guān)數(shù)據(jù)，后經(jīng)研究證明，該菌實為尖孢炭疽菌菟絲子專化型Colletotrichumacutatumsp.cuscutae[106-107]。首個注冊的真菌除草劑是1981 年在美國登記的Devine 制劑，它是由棕櫚疫霉菌Phytophthora palimivora的厚垣孢子制成的懸浮劑，通過土壤處理用于防治柑桔園中的莫倫藤，防效達(dá)90%，可持續(xù)兩年[108]。Collego 制劑是將長孢狀刺盤孢菌Colletotrichum gloeosporiocidesf. sp.aeschynomene的孢子加工成可濕性粉劑，用于防除水稻和大豆田中的弗吉尼亞合萌，防效在90%以上[109]。Biomal是加拿大Philom Bios 公司于1992 年開發(fā)的真菌除草劑，它是盤長孢狀刺盤孢錦葵專化型Colletotrichum gloeosporioidesf. sp.malvae的孢子，用于防治圓葉錦葵、苘麻等雜草[110]。首個成功開發(fā)的細(xì)菌除草劑是1997 年由日本煙草公司登記的Camperico，其有效成分是黃單孢桿菌Xanthomonascampestris，用于防治早熟禾及剪股穎等雜草，且具有較高的選擇性[111]。第一個由放線菌次生代謝產(chǎn)物成功開發(fā)成商品除草劑的是雙丙氨膦(bialaphos，71) ，由日本明治制果公司研發(fā)，它是從鏈霉菌Streptomyces viridochromogenes和吸水鏈霉菌S. hygroscopicus中分離出的一個三肽類化合物，含有一個獨特的膦化麥黃酮 (phosphinothricin，PPT) 結(jié)構(gòu)并連接2 個丙氨酰基，屬于非選擇性內(nèi)吸傳導(dǎo)型莖葉處理除草劑，廣泛用于防除一年生和多年生禾本科雜草及闊葉雜草[112-113]。雙丙氨膦是一個前體除草劑，其在體外無活性，進(jìn)入植物體內(nèi)后，丙氨酰基團水解，使活性部分PPT 釋放出來，研究人員以此為基礎(chǔ)，化學(xué)合成了除草劑草銨膦(glufosinate ammonium, 72)[114]。此外，以鏈霉菌Streptomyces toyocaensis產(chǎn)生的茴香霉素為先導(dǎo)化合物合成了去草酮 (methoxyphenone,73) ，成功開發(fā)為稻田除草劑并已商品化[115]。

4 結(jié)語與展望

從歷年來生物源除草活性物質(zhì)的篩選及活性研究進(jìn)展可以看出，生物源除草活性物質(zhì)具有廣闊的應(yīng)用前景，其中植物源除草活性物質(zhì)的研究主要集中在松節(jié)油、1,8-桉葉素、檸檬烯、百里香酚和紫蘇醛等單萜類成分，對其他成分如生物堿和香豆素的研究較少；在化學(xué)改性過程中，以α-蒎烯研究最多，其衍生物有席夫堿類、酰胺類、酯類等多種類型，而針對其他類型植物源除草活性物質(zhì)的研究較少。因此，對于植物源除草活性物質(zhì)的研究不僅要拓寬廣度，更要增加深度，充分利用天然資源開發(fā)環(huán)境友好型除草劑。針對微生物源除草活性物質(zhì)，已篩選出大量具有除草活性的微生物及其次生代謝產(chǎn)物，其中真菌及其次生代謝產(chǎn)物占據(jù)的比重最大，且具有優(yōu)異的除草活性，開發(fā)出了不少商品化真菌除草劑，但受菌種篩選困難、寄主單一性、次生代謝產(chǎn)物化學(xué)成分的復(fù)雜性等缺陷的制約，目前微生物源除草劑的發(fā)展仍存在局限性。基于目前存在的一些問題與困擾，對今后的研究提出幾點展望：1) 擴大研究范圍，尋求更多結(jié)構(gòu)新穎、活性優(yōu)異的天然產(chǎn)物；2) 在結(jié)構(gòu)改造方面需進(jìn)行更深入研究，主要集中研發(fā)結(jié)構(gòu)新穎、活性突出、對人體和環(huán)境友好的化合物，改善傳統(tǒng)除草劑的弊端；3) 進(jìn)一步探明現(xiàn)有活性物質(zhì)的作用機制，爭取開發(fā)新靶點，緩解雜草抗性問題。