天然來源農藥活性氨基酸的研究進展

吳兆圓，柯少勇，方 偉，王開梅

湖北省生物農藥工程研究中心，武漢 430064

天然產物一直是藥物和藥物先導化合物的重要源泉[1]。根據2014年全球農藥銷售統計，在過去60多年里，基于天然產物的農藥銷售額約占總額的21%，如果將以天然產物為先導所開發的農藥包括在內，該比例將達到53%[2]，還有研究者認為，這一比例甚至達到70%[3]。

蛋白質是由氨基酸組成的具有生理活性多樣性的高聚物，在生命活動中起著重要作用[4]，而構成蛋白質的22種基本氨基酸(包括硒代半胱氨酸和吡咯賴氨酸)稱之為蛋白氨基酸[5]。非蛋白氨基酸是指除蛋白氨基酸以外的含有氨基和羧基的化合物[6]，自然界存在上千個非蛋白氨基酸，其中有250多個來源于植物，其它的來源于微生物、藻類及動物[7]。從這些天然氨基酸中發現了一些具有農藥活性的化合物，許多農藥品種的開發也將天然氨基酸作為構造單元[8]，其中一種重要的氨基酸——膦絲菌素(phosphinothricin)，已經開發用作除草劑[9]。因此，從自然界中尋找具有農藥活性的氨基酸具有重要意義。本文主要總結近30年文獻報道的具有農藥活性的天然來源氨基酸，包括結構類型、來源、農藥活性及部分作用機理，希望能為新農藥的研究開發提供參考。

1 具有農藥活性的天然蛋白氨基酸

除脯氨酸和高脯氨酸外，其它天然蛋白氨基酸均為α-氨基酸，且除甘氨酸外，它們的α-碳原子都為L-構型。列當(OrobancheandPhelipanchespp.)是一種世界范圍內危害嚴重的根寄生雜草，室內試驗表明天然甲硫氨酸(1，L-methionine)、賴氨酸(2，L-lysine)以及色氨酸(3，L-tryptophane)(見圖1)能顯著抑制分枝列當(O.ramosa)種子的萌發和早期發育，田間試驗進一步確認了其抑制活性，且1的活性最強，抑制率可達67%[10]，此外，2 mM的1可顯著降低番茄根系上列當小塊莖的數量[11]。天然亮氨酸(4，L-leucine)和酪氨酸(5，L-tyrosine)對另一種寄生雜草埃及獨腳金(Strigahermonthica)具有植物毒性，盆栽試驗表明二者能顯著降低侵染玉米的埃及獨腳金的生物量[12]。這些天然蛋白氨基酸是通過代謝途徑的反饋抑制來抑制植物的生長[10]。

圖1 具有農藥活性的天然蛋白氨基酸

2 具有農藥活性的天然非蛋白氨基酸

在動植物體內廣泛存在的一些非蛋白氨基酸是它們的初級代謝中間產物或終產物，而絕大多數存在于植物和微生物體內的非蛋白氨基酸為它們的次級代謝產物[13]，可以作為化學防御物質，對競爭者和捕食者產生毒害作用[14]。

天然非蛋白氨基酸不僅分布廣泛，且結構多變，包括L型氨基酸和D型氨基酸，除α-氨基酸外，還有β-氨基酸、γ-氨基酸以及δ-氨基酸，除鏈狀的脂肪族氨基酸外，還存在雜環氨基酸[4]。

2.1 具有農藥活性的天然非蛋白α-氨基酸

大部分具有農藥活性的非蛋白氨基酸為α-氨基酸，其結構類型包括脂肪族α-氨基酸、含環己二烯或苯環的α-氨基酸、含雜環的α-氨基酸以及α-亞氨基酸(見圖2)。

2.1.1 脂肪族α-氨基酸及其農藥活性

合歡氨酸(6，albizzin)(見圖2)是從合歡(Albizziajulibrissin)的種子中得到，結構與谷氨酰胺類似，能抑制馬鈴薯、番茄晚疫病菌(Phytophthorainfestans)和小麥葉枯病菌(Zymoseptoriatritici)的生長[15]。6還具有化感作用，能抑制萵苣(Lactucasativa)種子的萌發和浮萍(Lemnaminor)的生長[16]。4-氯蘇氨酸(7，4-chlorothreonine)由Yoshida等[17]從菌株Streptomycessp.OH-5093的代謝產物中分離得到，并發現該化合物能明顯抑制蘿卜和高粱幼苗的生長，其活性與雙丙胺膦相當，除草機理是抑制氨基酸代謝，此外，7還表現出抗真菌活性，對白假絲酵母菌(Candidaalbicans)具有抑制作用。Yoshimura等[18]從高等真菌Amanitacastanopsidis中分離得到2-氨基-3-環丙基丁酸(8)和2-氨基-5-氯-4-戊烯酸(9)，0.1 mM時均可抑制生菜幼苗根的生長，但不影響下胚軸的生長，其機制可能是降低細胞壁的機械延展性[19]。L-膦絲菌素(10，商品名為草銨膦)可由多種放線菌產生，具有廣譜除草活性，同時也是苗前除草劑雙丙氨膦(bialaphos)的N末端氨基酸，后者在植物中水解成10后才發揮除草作用[9,20]，除草機理是抑制雜草體內谷氨酰胺合成酶的活性，造成氨的積累，從而抑制光合作用導致雜草死亡。δ-羥基正亮氨酸(11，δ-hydroxynorleucine)存在于菽麻(Crotalariajuncea)種子和根系分泌物中，具有一定的植物毒性，對生菜胚根的生長具有抑制作用[21]。4-甲酰氨基-L-乙烯基甘氨酸(12)由小麥根際細菌PseudomonasfluorescensWH6產生，能不可逆地抑制某些雜草種子的萌發，如一年生早熟禾(Poaannua)，但對成熟植物的生長以及闊葉植物種子的萌發沒有明顯的影響[22]。此外，12還對梨火疫病菌(Erwiniaamylovora)等植物病原細菌具有抑菌活性[23]。L-2-氨基-4-甲氧基-反式-3-丁烯酸(13)由植物根際細菌銅綠假單胞菌P.aeruginosaPAO1產生，研究表明13與12具有類似的農藥活性，能顯著抑制梨火疫病菌，并對早熟禾種子的萌發具有弱的抑制作用[24]。L-刀豆氨酸(14，L-canavanine)廣泛存在于豆科(Leguminosae)蝶形花亞科(Papilionoideae)植物及其種子中，與L-精氨酸相比較，L-刀豆氨酸δ位亞甲基上的碳原子被替換為氧原子，14可用于防治煙草天蛾(Manducasexta)、斜紋夜蛾(Spodopteralitura)以及亞洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)[25]。14還具有抑制植物生長的作用，可抑制水稻幼苗第二葉鞘伸長[26]，Hamako等[27]發現14具有化感作用，10 μM的14能顯著抑制生菜原生質體的分裂。由植物內生菌P.syringaepv.syringae產生的3-甲基精氨酸(15，3-methylarginine)可顯著抑制植物病原細菌P.syringaepv.glycinea的生長，其作用機理可能是抑制精氨酸的合成[28]。Ascaulitoxin(16)由雜草藜(Chenopodiumalbum)的致病真菌Ascochytacaulina產生，為雙氨基酸N-葡萄糖苷，可以用作藜的生物防治。此外，采用葉片穿刺法，30 μg/滴的16可使甜菜(Betavulgaris)、苦苣菜(Sonchusoleraceus)、一年蓬(Erigeronannuus)、西方蒼耳(Xanthiumoccidentale)、臭椿(Ailanthusglandulosa)等雜草以及某些栽培作物(如豌豆、黃瓜)的葉片形成明顯的壞死斑，而在蕃茄及反枝莧(Amaranthusretroflexus)葉片上則形成較小的壞死斑[29]。從大黍(Panicummaxinmum)葉中得到的黍灰斑病菌(Phaeoramulariafusimaculans)產生malonofungin(17)，是一種罕見的天然氨基丙二酸，具有廣譜抗真菌活性，對灰霉菌(Botrytis)、稻瘟菌(Pyricularia)及鐮刀菌(Fusarium)等植物病原真菌表現出抑菌活性[30]。

圖2 具有農藥活性的天然α-氨基酸

2.1.2 含環己二烯或苯環的α-氨基酸及其農藥活性

Gao等[31]從一株未鑒定的放線菌SPRI-511356中分離得到了L-1，4-二環己烯基-1-丙氨酸(18)，并報道了其除草活性，83.4 mg/L時對6種供試植物的地下部分的生長抑制率均在50%以上，而在此濃度下對地上部分生長的抑制相對要弱。細葉羊茅(FestucarubraL.ssp.commutata)根系分泌物中含有大量的L-間酪氨酸(19，L-meta-tyrosine)，結構與苯丙氨酸類似，是一種強有效的化感物質[32]，對超過50種雜草和作物的幼苗具有生長抑制作用[33]，可作為廣譜除草劑應用。L-3-(3,4-dihydroxyphenyl)-alanine(20，L-DOPA)是藜豆(Mucunapruriens)根分泌的化感物質，與19相比在苯環上多了一個取代羥基，能顯著抑制生菜胚根的生長[34]。20還具有抗真菌活性，在500 μg/mL時對膠孢炭疽菌(Colletotrichumgloeosporioides)、辣椒炭疽菌(C.capsici)及茄腐鐮刀菌(F.solani)等多種植物病原真菌具有抑制作用[35]，此外，20對根結線蟲(Meloidogyneincognita)及大豆胞囊線蟲(Heterroderaglycines)具有較強的活性[36]。

2.1.3 含雜環的α-氨基酸及其農藥活性

化合物21～25結構中含五元雜環，26和27含六元雜環，28～30含嘌呤基團。從甜菜葉面分離的假單胞菌株P.fluorescensSBW25產生呋喃霉素(21，furanomycin)，研究表明其對軟腐病菌(Dickeyadadantii)、丁香假單胞菌(P.syringae)及梨火疫病菌等植物病原細菌具有抑菌活性[37]。阿西維辛(22，acivicin)是由鏈霉菌S.sviceus產生，溫室試驗表明其對卵菌綱真菌具有廣譜且良好的防控作用[38]。此外，22具有抑制谷氨酸合成酶的活性，已被申請作為除草劑進行專利保護[39]。TU-185(23)是由鏈霉菌185菌株產生的鳥氨酸衍生物，該化合物在瓊脂平板上未表現出任何抗菌活性，但盆栽試驗中在200 μg/mL時對黃瓜白粉病表現出一定的預防作用，防效達到86%[40]。豌豆幼苗根的提取物及分泌物中含有β-(3-isoxazolin-5-on-2-yl)-alanine(24)，具有化感作用，能抑制雜草和萵苣根的生長，并使根尖壞死，但對豆類作物的根影響較小。此外，24還具有抗真菌活性，對Saccharomycescerevisiae最小抑制濃度為0.5 μg/mL[41]，在50 μg/mL可顯著抑制灰霉菌(B.cinerea)菌絲的生長，當濃度為250～500 μg/mL時對終極腐霉(Pythiumultimum)具有一定的抑制活性[42]。由天竺葵(Pelargoniumhortorum)產生的L-quisqualic acid(25)對日本金龜子(Popilliajaponica)具有神經毒性，研究表明25是一種罕見的興奮性氨基酸激動劑受體，最終導致神經元的降解和神經細胞的死亡[43]。含羞草素(26，mimosine)來源于含羞草亞科(Mimosoideae)植物[44]，具有抑制海藻糖酶、蔗糖轉化酶及淀粉酶活性，從而阻礙昆蟲生長發育所需要的能量供應[45]，對白蟻工蟻的LD50為54.1 μg/蟲，100 μM時對秀麗小桿線蟲(Caenorhabditiselegans)致死率約為80%[46]。此外，研究表明26是銀合歡屬(Leucaena)植物產生化感作用的物質基礎，對多種植物和雜草具有明顯的生長抑制作用，100 mg/L的26對油菜(Brassicarapa)、菜豆(Phaseolusvulgaris)、鬼針草(Bidenspilosa)及黑麥草(Loliummultiflorum)的胚根生長的抑制率分別為94.8%、72.4%、45.2%和89.5%，且對下胚軸生長的抑制率分別為92.8、44.2、40.6和31.1%，且26對油菜的生長抑制作用可以被鐵離子恢復，因此可作為開發生物除草劑的先導化合物[47]。Pyridazocidin(27)是由一株土壤鏈霉菌Streptomycessp.(#620061)產生的除草抗生素，對多種雙子葉及單子葉雜草均具有很好的苗期除草活性，其中對大狗尾草(Setariafaberi)活性最強[48]。粘細菌Dictyosteliumdiscoideum產生的discadenine(28)的C-4位有一個嘌呤基團，與細胞分裂素結構相似，研究表明其在煙草愈傷組織上表現出細胞分裂素的活性，而全合成的(+)-discadenine也具有植物生長調節活性[49]。西尼霉素(29，sinefungin)是由鏈霉菌S.griseolus和S.incarnatusNRRL 8089產生，50～400 μg/mL時對白粉菌(Erysiphepolygoni)、大豆銹菌(Uromycesphaseolivar.typico)、炭疽病菌(C.lagenarium)、根癌農桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)以及大豆細菌性葉枯病菌(Xanthomonasphaseolivar.sojensis)等多種植物真菌或細菌引起的病害具有很好的防治效果[50]。Vothknecht等[51]發現，29可以抑制鎂-原卟啉IX甲基轉移酶的活性,導致鎂-原卟啉IX的積累，使得經29處理的大麥葉片中葉綠素的合成受到抑制。Micromonosporasp. A87-16806所產生的脫氫西尼菌素(30，dehydrosinefungin)對朱砂葉螨表現出良好的殺螨活性,被申請專利保護,用作殺螨劑[52]。

2.1.4α-亞氨基酸及其農藥活性

α-氨基酸的氨基上一個氫被取代后形成α-亞氨基酸。從多花玉竹(Polygonatumodoratumvar.pluriflorum)中分離得到的氮代環丁烷基-2-羧酸(31)對多種淡水藻類具有抑制活性，其中對藍藻(Anabaenaaffinis和Microcystisaeruginosa)顯著抑制活性，對赤潮微藻(Cochlodiniumpolykrikoides)亦具有較強抑制活性，而對綠藻(Chlorellavulgaris和Scenedesmusspp.)的抑制活性較弱[53]。反式-4-氨基脯氨酸(32，trans-4-aminoproline)由殼二孢屬真菌A.caulina產生，具有植物毒性，對寄主植物白藜葉片的毒性最高，對其它的雙子葉植物的葉片也有毒性，但對單子葉植物葉片沒有毒性[54]。冠菌素(33，coronatine)由丁香假單胞菌產生，與脫落酸、茉莉酸結構性質相似，是一種植物生長調節劑，具有促進細胞分化、提高葉綠素含量、調控植物生長、抑制細胞衰老等生理功能[55]。Nectriasp.DA060097所產生的cinnacidin(34)是異亮氨酸的衍生物，4 000 g/ha苗后處理對向日葵(Helianthusannuus)和大狗尾草具有良好的除草活性[56]。Abenquines A、B2、C和D(35～38)是從智利阿塔卡馬沙漠高地分離的一株鏈霉菌中分離得到，結構中包含氨基酸和N-乙酰氨基苯醌，其在1～100 μM濃度下可以抑制藍藻SynechococcuselongatusPCC6301的生長[57,58]。赭曲霉毒素A(39，ochratoxin A)可由炭黑曲霉(Aspergilluscarbonarius)產生，結構由L-苯丙氨酸和二氫異香豆素組成，對醬曲露尾甲(Carpophilushemipteru)和美洲棉鈴蟲(Helicoverpazea)具有很好的殺蟲活性[59]。Giganticine(40)是從牛角瓜(Calotropisgigantea)的根中分離到的α-氨基-苯乙酸衍生物，對沙漠蝗蟲(Schistocercagregaria)5齡若蟲表現出良好的拒食活性，1.6 μg/cm2處理，拒食率達到了55%，隨著濃度的升高，拒食率上升[60]。

2.2 具有農藥活性的天然β-氨基酸及其農藥活性

氨基變位酶可以催化胺基和氫在相鄰碳上的可逆交換，微生物和植物中的β-氨基酸可以通過此酶的作用由α-氨基酸轉化而來[61]。

許多植物體內都含有β-氨基丁酸(41，見圖3)，與植物的抗逆性相關，可以誘導植物對多種生物逆境及非生物逆境產生防御反應，對細菌、真菌及病毒病害產生抗性[62]。41還可影響相應作物上害蟲，包括同翅目害蟲，如豆蚜、桃蚜及甘藍蚜等及鱗翅目害蟲，如粉紋夜蛾及小菜蛾的生長發育[63,64]。α-亞甲基-β-丙氨酸(42)由Streptomycessp. A12701菌株產生，可抑制擬南芥的生長[65]。Yan等[66]發現水稻品種日本晴的種子、葉、根及根分泌物中都含有β-酪氨酸(43，β-tyrosine)，在液體培養基中加入10 μM的43可以抑制丁香假單胞菌的生長，43還可抑制雙子葉植物根的生長，其中對擬南芥根的生長抑制作用比較明顯，IC50為4.4 μM。

圖3 具有農藥活性的天然β-氨基酸

2.3 具有農藥活性的天然γ-氨基酸及其農藥活性

順式-2-氨基-1-羥基環丁烷-1-乙酸(44，見圖4)由鏈霉菌S.rocheiA13018產生，可誘導植物褪色，10 μg/ml的該化合物處理擬南芥可導致中等程度褪色，更高濃度處理可導致嚴重的白化及生長的輕微抑制，以11.2 kg/ha的44進行芽后處理，可使牽牛花及芥菜產生明顯褪色，其作用機理為干擾含硫氨基酸的合成或利用[67]。γ-氨基丁酸(45，GABA)廣泛存在于各種植物中，其合成是通過谷氨酸脫羧酶，該化合物可影響相應作物上害蟲的發育，研究表明45可以抑制薔薇卷葉蛾(Choristoneurarosaceana)的生長，并降低其存活率[68,69]。45對害蟲的作用機理是使氯離子通道受到抑制，而害蟲對作物的取食可能會使作物內45快速積累[70]。45還可以通過促進光合作用及提升抗氧化酶的活性來提高小麥對鹽的耐受性[71]。

圖4 具有農藥活性的天然γ-氨基酸

2.4 具有農藥活性的天然δ-氨基酸及其農藥活性

5-氨基酮戊酸(46，5-ALA)(見圖5)廣泛存在于動物、植物、藻類及細菌中，是四氫吡咯的前體，雙子葉植物比單子葉植物對該化合物更敏感，這種特性使其可作為除草劑開發[72]。46還可通過調節油菜幼苗內四氫吡咯及酪氨酸代謝來提高油菜對鹽的耐受能力[73]。

圖5 具有農藥活性的天然δ-氨基酸

2.5 其他其它具有農藥活性的天然源氨基酸及其農藥活性

甜菜等植物來源的甘氨酸甜菜堿(47，glycine betain)(見圖6)對多種雙子葉雜草，如歐活血丹(Glechomahederacea)、龍葵(Solanumnigrum)、蒼耳(Xanthiumsibiricum)、反枝莧等具有芽前和苗后除草活性，此外，對馬唐(Digitariasanguinalis)、偃麥草(Elymusrepens)等具有芽前除草活性，而且對這兩種雜草三葉期前具有苗后除草活性，含有該化合物的制劑被申請專利[74]。

圖6 其它具有農藥活性的天然源氨基酸

3 結語

當前，由于人們對環境問題及食品安全問題的關注，高效安全及環保的農藥新品種的開發越來越受到重視。許多天然來源氨基酸對雜草、有害真菌、細菌以及害蟲具有較強的防治作用，有些已經被開發為商業化的農業產品，例如草銨膦是基于L-膦絲菌素(10)通過化學合成開發的[22]，是近年來以微生物天然產物為先導開發的最成功的除草劑之一。由丁香假單胞產生的冠菌素(33)在低濃度下具有調控植物生長、提高葉綠素含量和植物抗逆性等生理功能，中國農業大學等單位已成功將其開發為植物生長調節劑。還有一些天然來源氨基酸在農業生產中具有良好的應用前景，如天然蛋白氨基酸甲硫氨酸(1)、賴氨酸(2)、色氨酸(3)、亮氨酸(4)以及酪氨酸(5)通代謝途徑的反饋抑制產生除草作用，可以用于寄生雜草列當和埃及獨腳金的生物防控。一些植物產生的非蛋白氨基酸可作為化感物質對其周邊的競爭者產生抑制作用[75]，如由豆科植物產生的合歡氨酸(6)、δ-羥基正亮氨酸(11)、L-刀豆氨酸(14)、L-DOPA(20)、β-(3-isoxazolin-5-on-2-yl)-alanine(24)、含羞草素(26)等均為氨基酸類化感物質，能選擇性地抑制其它植物生長而對豆科和禾本科植物影響較小，因此可將其開發為除草劑應用于農業生產中。由細葉羊茅根分泌的間酪氨酸(19)也是一種強有效的化感物質，在μmol/L級濃度下對多種植物具有生長抑制作用，可作為廣譜除草劑應用于農業生產。5-ALA(46)參與植物的生長調節過程，具有類似植物雌激素的生理活性，可作為植物生長調節劑在農業生產中使用。天然氨基酸來源豐富，具有廣泛的農藥活性，但對于其中的大多數化合物的作用機制有待于更深入的研究，以拓展其在農藥領域中的應用。