植物源除草劑的研發現狀

楊浩娜，王立峰，鄔臘梅

（湖南省農業科學院農業生物技術研究所，湖南 長沙 410125）

我國農田雜草種類多、發生面積廣，又因雜草與作物外形相似、生育期重疊等特征，導致雜草危害隱蔽性強、防控難度大，每年雜草危害造成的直接經濟損失超過1 200 億元。近50 a 來，防控農田雜草主要依賴于化學除草劑的應用，但這些合成除草劑的使用不僅對環境和人類健康造成了不良影響，還加速了雜草抗藥性的發生和發展[1]。以生物天然化合物或代謝產物為基礎的植物源除草劑，具有作用靶標新穎、選擇性強、環境降解快、對環境和人畜安全等特點，施用植物源除草劑已成為保障人類健康和推動農業可持續發展的重要手段[2]。黨的“十九”大以來，中央對農業綠色發展和高質量發展提出了更高要求，加大了綠色農業產品的投入，有效促進了綠色農業產品的創新發展。農業農村部提出農藥減量增效，持續推進農業綠色生產發展。中共中央、國務院明確指出“應推進農業綠色發展，持續推進化肥農藥減量增效，推廣農作物病蟲害綠色防控產品和技術”以及“推進農業農村綠色發展”。這些都為植物源除草劑的發展提供了良好的契機和巨大的發展空間。因此，總結歸納植物源除草劑的研發現狀、研發資源和研發過程中的挑戰，對植物源除草劑的深入研究和發展具有理論借鑒和助推作用。

1 我國植物源除草劑的研發情況

植物源除草劑因其自身優勢，在農田作物、瓜果蔬菜經濟作物、中草藥等特種作物有機農業生產領域得到了人們廣泛的關注，植物源除草劑已成為了近年來研究最廣泛的新型生物農藥之一[3]。植物源除草劑開發原理之一是基于植物之間的化感作用，從能產生明顯植物化感作用的植物中篩選出具有高除草活性的物質，直接開發成植物源除草劑或通過化學修飾合成新型植物源除草劑。一般而言，開發新的化學除草劑產品一般需要10 a 左右的時間，約2.5 億美元的資金投入；相對于傳統化學除草劑的研發，利用這種天然產物研發新型除草劑的方式，具有研發投入費用低、研究定向性強、研制時間短的優點[4]。

近十余年來，雖然我國已經擁有了一系列具有知識產權的生物除草劑技術和生物除草成果，可是農藥市場中仍缺乏成熟商品化了的生物除草劑產品。根據白小寧等[5-9]統計的我國在2017—2021 年登記的新農藥的數據分析（見表1），發現我國生物農藥蓬勃發展，但植物源農藥的發展還有待加強，5 a 內共登記有4 個植物源農藥。①銀杏（Ginkgo biloba）果提取物，對蚜蟲有觸殺和胃毒的作用；②補骨脂（Psoralea corylifolia）種子提取物，其有效成分是苯丙烯菌酮，主要是作用于病原菌的細胞膜、細胞核膜以及線粒體膜等，能防治水稻稻瘟病；③博落回（Macleaya cordata）提取物防治棗樹的紅蜘蛛；④白藜蘆醇，從虎杖（Polygonum cuspidatum）中提取出的有效成分，對菌絲生長有抑制作用，可防治黃瓜灰霉病[7,9]。植物源農藥數量相對來說很少，表明我國植物源農藥發展空間很大。

2 植物源除草劑的研發資源

植物化感作用和化感物質是研究植物源除草劑的有力保障，為農業可持續發展和有機農業發展提供了強大潛力[10]。據報道，現在能夠產生一種或多種除草活性的化感物質的植物有30 科2 000 種以上[11]，涵蓋酚類、類萜、有機酸、生物堿、醌類等各類化合物[12]，能抑制種子的萌發、植物幼苗的生長發育，以及影響種群的分布和發展。植物源活性化合物的研發資源可通過以下幾種途徑獲得：一是從植物的溶劑提取物中分離鑒定出具有強烈活性的化感物質，通過這種方式獲得到的化感物質一般沒有特異性，對多種受體植物均有抑制作用；二是研究自然界存在的植物競爭優勢，從植物的分泌物中分離純化出具有抑制活性的化感物質，包括植物根系分泌物、植物揮發物和淋溶物等，此種方式獲得的化感物質通常具有一定的專一性；三是植物凋落物的腐解產物，通常是作物的秸稈或綠肥等對下茬或當季作物有抑制作用，從植物腐解物中可獲得結構新穎的控草化感物質。無論通過哪種方式獲得的化感物質，有些可以直接應用于農田雜草管理，或者可為新型除草劑的開發和合成提供先導化合物[11]。下面將對這三種植物資源進行討論。

2.1 植物提取物

利用植物水提取物和不同有機相提取物能提取出植物體內多種次生代謝物，有大量研究表明，這種提取出的含有豐富次生代謝物的植物提取物，能直接被用于雜草防除。黃荊條（Vitex negundo）水提取液對入侵雜草飛機草（Eupatorium odoratum）有較強抑制效果，可作為防治飛機草發生蔓延的有效生物防控措施[13]。葎草（Humulus scandens）的乙酸乙酯提取物、石油醚提取物和正丁醇提取物對空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）均有抑制效果，其作用機理主要是通過破壞空心蓮子草葉片的膜系統，影響空心蓮子草的正常生長[14]。無患子（Sapindus mukorossi）、黃花草木樨（Melilotus officinalis）、阿拉伯婆婆納（Veronica persica）、白堅木屬植物（Aspidosperma pyrifolium）等植物提取物都被報道對不同雜草有抑制效果[15-18]。濃度為0.25 g/mL（鮮重）以上的勝紅薊（Ageratum conyzoides）整株水提取物對豆科、禾本科和十字花科等不同科目植物種子的發芽均有較強的抑制作用，經過物質分離和結構鑒定，主要化感物質為5，2 2 二烯3β 豆甾醇、早熟素Ⅰ和早熟素Ⅱ[19]。田間試驗驗證100 mL/L 的黃金間碧竹（Bambusa vulgaris）和柚木（Tectona grandis）水提取液能用于稻田芽前除草[20]。從植物中提取出的桉樹腦，為高效廣譜除草劑-環庚草醚的研發提供了先導化合物，環庚草醚可用于水稻田、棉花田、花生田以及大豆田防控一年生和多年生雜草，因為這種物質在這些作物體內可被代謝而失去活性[21]。

2.2 植物分泌物

一些特定的植物品種也能合成并釋放出具有一定抑制雜草生長的化感物質[22]，這些植物分泌物也是研發植物源除草劑的來源之一。近10 余年來，大量的研究工作主要集中在作物化感種質資源的選育上，以及相應的化感物質的分離鑒定和控草機理方面，期望能在種植作物化感品種的前提下，施用少量外源的化感物質或其衍生物，綜合必要的生態調控方法和農藝栽培措施，以實現農田作物生態綠色生產[23-24]。經過多年研究，主要糧食作物的化感物質已被鑒定：水稻-麥黃酮、稻殼酮內酯，小麥-異羥基肟酸，高粱-高粱醌[23]。從3 000 多種燕麥（Avena sativa）品種中篩選出的燕麥化感品種能分泌6-甲基-7 -羥基香豆素，燕麥化感品種和商業品種相比，能產生3 倍以上的6-甲基-7-羥基香豆素[25]。蘆竹堿、皂甙和刀豆氨、芥子油苷分別是大麥（Hordeum vulgare）、苜蓿、油菜（Brassica campestris）化感品種分泌的化感物質[26-28]。另外，一些植物的分泌物也被報道具有抑草效應，如棉花根系分泌的一種醌類化合物獨腳金萌素具有很高的除草活性，并以人工合成多個化合物廣泛用于防除高粱、甘蔗田及玉米田的獨腳金（Striga asiatica）[29]；實葶蔥（Allium galanthum）根系分泌物被證實對雀麥（Bromus japonicus）、駱駝蓬（Peganum harmala）的生長有抑制效果，大蒜（Allium sativum）根系分泌物抑制生菜、黃瓜的萌發和幼苗生長，番茄（Lycopersicon esculentum）的根系能分泌單寧等物質影響番茄附近的植物生長，稗草（Echinochloa crus-galli）也能分泌出化感物質丁布影響水稻生長[30-33]。還有些植物揮發性物質如β-蒎烯，從松脂中蒸餾出來的一種揮發性化感物質，通過破壞膜的完整性抑制了小子虉草（Phalaris minor）、稗草和望江南（Cassia occidentalis）的根系生長[34]。

2.3 植物腐解

植物凋落物腐解是一個基本的生物化學循環過程，影響生態系統功能的正常運行和群落組成。在自然環境下，腐解產生的化感物質能影響植物種子的萌發、幼苗的生長以及種群的發展[35]。早期研究發現，在小麥與棉花的田間輪作試驗中，前茬小麥殘留的秸稈能影響后茬作物棉花種子的萌發，前茬種植過小麥后的棉花種子萌發率顯著低于未栽培過小麥的棉田棉花種子萌發率；而且不同品種的棉花種子對小麥殘株化感作用的響應情況不同，品種為A-cala A246的棉花種子萌發率下降了21%，而品種Paymaster 404的棉花種子萌發率僅減少9%[36]。銀合歡（Leucaena leucocephala）葉片凋落腐解后能抑制狗牙根（Cynodon dactylon）和苜蓿的生長[37]。有機種植的玉米-西蘭花輪作中添加的玉米殘留物可以造成后續作物（西蘭花）的雜草生物量減少22%～47%[38]。一些植物腐解提取物不僅能有效抑制雜草生長，還能提高作物產量。如有報道表明大麥和黑麥的腐解物不僅能抑制稗草的生長，還能提高甜菜（Beta vulgaris）的產量；油菜田間作白梨（Pyrus bretschneideri）等植物后，其落葉腐解產生的化感物質不僅能抑制雜草的發生，還促進了油菜的生長發育[39-40]。植物腐解化感物是植物材料與土壤微生物共同作用下產生的，這種失去生命活性的植物的化感作用通常與具有生命力植物的化感作用不一樣。植物腐解產生的化感物質是植物與土壤微生物互作情況下產生，其結構更加新穎，實際應用潛力大[41]。赤松（Pinus densiflora）凋落物能有效抑制馬唐（Digitaria sanguinalis）等地面植被的生長，經檢測其凋落物酚酸含量高，其中脫落酸β-D-吡喃葡萄糖酯等其主要的化感物質[42]。矢車菊的凋落物在沙壤土中分解產生了5 種酚酸：羥基苯甲酸、香草酸、原兒茶酸、p-香豆酸和阿魏酸，矢車菊伴生植物受到這些化感物質的抑制[43]。棉花秸稈腐解產生的4-羥基- 4-甲基-2-戊酮、棕櫚酸等24 種物質對棉花種子的萌發及生長產生了抑制作用[44]。半夏（Pinellia ternata）植株腐解后產生了2，6-二叔丁基對甲酚等物質，推測與半夏連作障礙的有重要關系[45]。田間試驗結果表明，黑麥在覆蓋腐解中會向土壤中釋放酚酸類物質抑制后茬植物的生長，其中香豆素的含量最高，接著是香草酸，4-水楊酸，結果證實了利用植物腐解作用產生的化感物質可以為雜草綜合管理提供新的方法和思路[46]。

3 植物源除草劑的研發挑戰

因為其來源的特殊性，植物源除草劑本身具備了化學特性和生物特性的雙重性[47]。雖然植物源除草劑具有眾多的優點，但植物源除草劑的應用研發發展依舊緩慢，主要是由于以下幾個方面。

3.1 植物源物質提取不穩定

植物源材料，無論是植物提取物、分泌物還是腐解物，其化感物質的產出與植物生長發育階段、生長的地理位置等條件的不同而不同，因此，可能同種植物同樣處理但重復不出相同的試驗結果。如有研究表明，不同種油菜或同株不同部位的油菜提取物中化感物質芥子油苷的含量也不同，其中葉片中的含量最高[48]。來自世界6 個不同地區的矢車菊，因所生長的環境差異導致不同地方種群的矢車菊體內的主要化感物質倍半萜內酯含量各有不同[49]。

3.2 植物源化感物質易降解

植物源化感物質大多是植物的次級代謝產物，在植物中存在，但有些物質化學性質不穩定易，如兒茶酸在土壤中會迅速聚合成無毒物質，降低化感毒性和持久性[43]。紅球菌（RhodococcusSP.）具有利用間苯三酚作為唯一碳源的潛力，因此化感物質間苯三酚容易在土壤中被降解[50]。胡桃樹下土壤中分離出的假單胞菌（Pseudomonas putida）能將胡桃落葉的化感物質胡桃醌逐步分解為3-羥基胡桃醌、2,3-二羥基苯甲酸酯、2-羥基-6-氧-2,4-已二烯酸[51]。

3.3 植物次級代謝提取費用高或者化學結構復雜，難合成

有些具有除草活性的植物代謝產物，含量低，提取所需費用昂貴[52]。而有些化感物質結構新穎，但過于復雜，難以人工合成[53]。另外，在植物源農藥的研發過程中也暴露出一些其他問題。張興[54]認為植物源農藥研發中植物資源開發的盲目性和缺乏植物源農藥生物防效評價標準，限制了植物源農藥的發展。這些挑戰都阻礙了植物源除草劑的研發和發展。

4 展 望

化學除草目前仍然是我國農田雜草防控中最有效的手段，然而化學除草劑的過度使用造成雜草抗藥性迅猛發展，抗性雜草的發生和發展給雜草防控帶來了新的挑戰。植物源除除草劑具有高效、安全低毒、不易引起抗藥性等特點，在綠色農業生產和有機農業發展中具有廣闊的應用前景。從現有研究可以看出，植物源除草劑的研究發展極為迅速，2000 余種植物的次級代謝物都已被報道具有除草活性，但植物分泌物和植物腐解化感作用的研究主要集中在作物或綠肥，其他植物的分泌物和腐解產物仍有廣闊的研究空間。另外，除草活性化合物作用機制的研究為新型除草劑作用靶標的開發提供了依據，將是未來植物源除草劑研究的熱點。