光活化農(nóng)藥作用機(jī)理的研究進(jìn)展

張筑宏，吳接呈，駱焱平

海南大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，海南 海口 570228

光敏劑（photosensitizers，PS）在可見(jiàn)光區(qū)和近紫外光區(qū)能有效吸收光子，對(duì)細(xì)胞、病毒、生物體具有殺傷作用，或能夠誘發(fā)對(duì)此條件敏感的生物分子的化學(xué)修飾作用的一類(lèi)物質(zhì)。由于光敏劑本身無(wú)或有較低的生物毒性，故可利用其在可見(jiàn)光譜區(qū)下毒性增強(qiáng)的特點(diǎn)間接殺死細(xì)胞。光敏劑多用于腫瘤疾病的治療，利用光照激活在癌細(xì)胞上特異性積累的光敏劑，產(chǎn)生活性氧殺死癌細(xì)胞，稱(chēng)為光動(dòng)力治療［1］。2018 年首個(gè)用于臨床的光敏劑是TLD1433（含釕的多吡啶化合物）［2］。在光照和分子氧存在下，如果光敏劑用來(lái)殺死害蟲(chóng)、雜草或病原菌，通常稱(chēng)為光活化農(nóng)藥（photoactivated pesticides）［3］。1978 年Berenbaum［4］報(bào)道了呋喃香豆素類(lèi)化合物——花椒毒素（xanthotoxin）對(duì)亞熱帶黏蟲(chóng)（Spodopteraeridania）幼蟲(chóng)的光活化毒性，表現(xiàn)出生長(zhǎng)抑制作用，至此陸續(xù)從數(shù)千種植物中發(fā)現(xiàn)了植物源光敏化合物，其中不少化合物對(duì)農(nóng)業(yè)昆蟲(chóng)有光毒殺作用，從而引起農(nóng)藥科研工作者對(duì)光活化農(nóng)藥的重視。

1 光活化農(nóng)藥的作用機(jī)理

光活化農(nóng)藥是一類(lèi)具有殺蟲(chóng)、抑菌、除草效果的光敏劑，而光敏劑是一種光敏分子，其一旦受到一定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光或近紫外光照射，便會(huì)吸收光子能量，引起電子躍遷，從基態(tài)單重態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)單重態(tài)。激發(fā)單重態(tài)非常不穩(wěn)定，可通過(guò)發(fā)射光子失去能量從而返回基態(tài)，或發(fā)生系間竄躍，成為較穩(wěn)定的激發(fā)三重態(tài)，激發(fā)三重態(tài)除了以輻射形式發(fā)射光子并釋放能量躍遷回基態(tài)外，也可將激發(fā)三重態(tài)的能量轉(zhuǎn)移到另一個(gè)處于基態(tài)的三重態(tài)分子上。

在光敏反應(yīng)中，光活化農(nóng)藥吸收光子能量受到激發(fā)，轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的光敏化合物，在不同的反應(yīng)環(huán)境下，激發(fā)態(tài)光敏化合物能發(fā)生2 種不同的光敏氧化反應(yīng)，即Ⅰ型和Ⅱ型反應(yīng)［5］（見(jiàn)圖1）。在Ⅰ型反應(yīng)中，激發(fā)態(tài)光敏化合物（單重態(tài)或三重態(tài)）能從鄰近還原劑NADH（nicotinamide adenine dinucleotide）或NADPH（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）中獲得電子，轉(zhuǎn)化為自由基陰離子，或是通過(guò)傳遞氫原子產(chǎn)生自由基［5-6］。產(chǎn)生的自由基和自由基陰離子可進(jìn)一步與氧反應(yīng)，轉(zhuǎn)移電子，產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS），其主要是一些超氧陰離子。盡管這些超氧陰離子不會(huì)直接損害生物系統(tǒng)，但其可以產(chǎn)生過(guò)氧化氫（H2O2），造成機(jī)體很強(qiáng)的氧化損傷。在Ⅱ型反應(yīng)中，光敏化合物同Ⅰ型反應(yīng)一樣首先以光為激發(fā)因子，轉(zhuǎn)變成激發(fā)單重態(tài)，并系間竄越成激發(fā)三重態(tài)。激發(fā)三重態(tài)的光敏劑分子將能量轉(zhuǎn)移至基態(tài)的三線態(tài)氧，生成單線態(tài)氧（1O2），并與底物反應(yīng)生成氧化產(chǎn)物，而激發(fā)態(tài)光敏分子則恢復(fù)到基態(tài)。1O2以生物膜為靶標(biāo)，引起生物膜不飽和脂肪酸、甾醇、游離氨基酸和蛋白質(zhì)中氨基酸殘基的氧化，造成生物膜和細(xì)胞器結(jié)構(gòu)與功能的破壞［7］。這種利用光活化能量催化氧分子形成1O2進(jìn)攻生物大分子的作用方式稱(chēng)為光動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。此外，Ⅱ型反應(yīng)同Ⅰ型反應(yīng)一樣，也能產(chǎn)生ROS，ROS 通過(guò)破壞脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子而誘導(dǎo)細(xì)胞毒性，并通過(guò)凋亡和非凋亡途徑導(dǎo)致細(xì)胞死亡。Ⅰ型和Ⅱ型反應(yīng)可同時(shí)發(fā)生，何種反應(yīng)占主導(dǎo)取決于光敏劑的類(lèi)型、濃度和氧的濃度，以及所涉及的靶標(biāo)細(xì)胞的基因型和抗氧化能力［8］。

Ⅰ型和Ⅱ型反應(yīng)均是光敏劑在有氧氣存在的條件下，與氧反應(yīng)生成氧化產(chǎn)物，故而曾經(jīng)一度認(rèn)為氧氣是光活化毒殺過(guò)程中必不可少的條件。但隨著對(duì)光敏氧化機(jī)理認(rèn)識(shí)的逐步深入，后來(lái)的研究結(jié)果證明即使在無(wú)分子氧存在的條件下，光活化農(nóng)藥也能發(fā)揮其毒殺作用，稱(chēng)為III 型反應(yīng)［6］。即T1光敏劑在無(wú)氧氣的情況下與生物分子直接反應(yīng)。例如，3，4-吡喃酮和含4，5-呋喃雙鍵的呋喃香豆素類(lèi)化合物在紫外光（ultraviolet A，UVA）照射下，在光反應(yīng)位點(diǎn)與胸腺嘧啶的5、6 位置上的雙鍵通過(guò)［2+2］環(huán)加成反應(yīng)，生成DNA 單加合物，而形成的單加合物繼續(xù)吸收第二個(gè)UVA 光子，進(jìn)一步與DNA 互補(bǔ)鏈上的胸腺嘧啶反應(yīng)，產(chǎn)生鏈間交聯(lián)并阻止DNA 的復(fù)制［9］。這種光活化反應(yīng)依賴于吡喃酮和呋喃環(huán)雙鍵的存在，形成的雙加合物僅僅在某些線性構(gòu)型中發(fā)生，并且與核苷酸序列有關(guān)［3］。此外，大多數(shù)Ⅰ型反應(yīng)的光活化農(nóng)藥受光激活后，可與細(xì)胞器和細(xì)胞核反應(yīng)，嵌入DNA雙鏈形成共價(jià)加合物，干擾RNA 轉(zhuǎn)錄與DNA 復(fù)制，產(chǎn)生遺傳性毒性，并伴隨氫原子和電子轉(zhuǎn)移生成自由基和自由基離子。將這種不需氧參與形成具有毒性的中間產(chǎn)物的反應(yīng)，稱(chēng)為光活化誘發(fā)毒性反應(yīng)。

圖1 光敏劑涉及的反應(yīng)［6］Fig.1 Processes involved in photosensitizer

2 光活化農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)類(lèi)型

2.1 5-氨基乙酰丙酸

5-氨 基 乙 酰 丙 酸（5-aminolevulinic acid，δ-ALA）是四氫吡咯的前綴化合物，也是生物體合成葉綠素、血紅素、維生素B12 等必不可少的物質(zhì)［10］，廣泛存在于動(dòng)物、植物及微生物細(xì)胞中。δ-ALA 在生物體內(nèi)可以通過(guò)血紅素、葉綠素等生物合成途徑積累足夠數(shù)量的內(nèi)源性光敏劑四吡咯化合物，并在光照下誘導(dǎo)產(chǎn)生1O2，對(duì)細(xì)胞造成氧化損傷。由于δ-ALA 的光敏特性，在自然界中易降解、無(wú)殘留，對(duì)人畜無(wú)毒性，故其作為一種環(huán)境友好型的光活化農(nóng)藥備受關(guān)注。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于低濃度的δ-ALA 通過(guò)提高硝酸還原酶的活性來(lái)調(diào)節(jié)葉綠素的合成，并提高光的效率、促進(jìn)植株呼吸等基礎(chǔ)生理活性，故δ-ALA 可作為植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑促進(jìn)作物生長(zhǎng)，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)［11］。此外，添加外源δ-ALA 可有效清除植株體內(nèi)的活性氧，降低膜脂過(guò)氧化損傷程度，從而緩解鹽脅迫對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制，提高植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性［12］。

δ-ALA 在生物膜中擴(kuò)散能力差，只有使用高劑量的δ-ALA，才能使其達(dá)到足以進(jìn)行光活化毒殺的水平防治農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)。為此許多文獻(xiàn)報(bào)道了δ-ALA衍生物的研究工作。如通過(guò)添加2，2'-聯(lián)吡啶作為誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)δ-ALA 轉(zhuǎn)化成四氫吡咯2（圖2），可增強(qiáng)對(duì)害蟲(chóng)的光動(dòng)力活性。Rebeiz 等［13］將40 mmol/L δ-ALA 和30 mmol/L 2，2'-聯(lián)吡啶溶液在14 h 光照/10 h 黑暗下處理粉紋夜蛾幼蟲(chóng)，發(fā)現(xiàn)黑暗條件下化合物3（原葉琳IX）在蟲(chóng)體內(nèi)大量富集，87 h 后對(duì)粉紋夜蛾幼蟲(chóng)毒殺效果達(dá)到80%。Kloek 等［14］對(duì)5-氨基乙酰丙酸的羧酸和氨基進(jìn)行修飾，合成出幾種潛在的光敏化合物4（圖2）。Kolossov 等［15］通過(guò)對(duì)羧酸（即R1）用甲基、乙基、丁基修飾，合成具有光敏殺蟲(chóng)和除草活性化合物。

圖2 δ-ALA 及其衍生物的合成途徑Fig.2 Synthesis of δ-ALA and its derivatives

2.2 卟啉類(lèi)化合物

卟啉是一類(lèi)通過(guò)次甲基將4 個(gè)吡咯環(huán)相連形成的共軛骨架大環(huán)化合物，卟啉類(lèi)化合物多為天然產(chǎn)物，在自然界中卟啉化合物構(gòu)成了血紅蛋白、葉綠素及細(xì)胞色素等生物大分子的核心部分，并參與生物體內(nèi)重要的生物合成［16］。由于卟啉類(lèi)化合物含大π共軛骨架，其在紫外可見(jiàn)光區(qū)對(duì)光子有強(qiáng)吸收，能夠產(chǎn)生高量子產(chǎn)率（≥0.7），且長(zhǎng)壽命的激發(fā)三重態(tài)，并產(chǎn)生1O2對(duì)生物體造成光敏損傷，而無(wú)光照時(shí)卟啉類(lèi)化合物無(wú)毒性［17-18］。卟啉類(lèi)化合物大多來(lái)源天然產(chǎn)物，也可進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，合成卟啉類(lèi)衍生物。Tosk 等［19］以血卟啉為基本骨架合成出血卟啉衍生物，發(fā)現(xiàn)在光照下，化合物5（圖3）對(duì)致倦庫(kù)蚊幼蟲(chóng)的毒殺活性顯著。陳志龍等［20-22］對(duì)卟啉進(jìn)行修飾與改造，合成了卟啉類(lèi)似物6、7、8（圖3），這類(lèi)化合物不僅能夠抑制癌細(xì)胞增殖，對(duì)果蠅也有優(yōu)良的毒殺活性。

卟啉類(lèi)化合物葉綠素a 的降解產(chǎn)物脫鎂葉綠酸a、二氫卟吩及紫紅素-18 等衍生物均有較好的光活化特性。吳鐵一等［23］利用激光光解時(shí)間分辨吸收技術(shù)和自旋捕獲EPR 技術(shù)對(duì)葉綠素衍生物9（焦脫鎂葉綠酸-a）的光活化機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該化合物在實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都有較強(qiáng)的吸收，且三重激發(fā)態(tài)的量子產(chǎn)率高，并通過(guò)與基態(tài)氧發(fā)生能量轉(zhuǎn)移生成的1O2造成有效損傷，故焦脫鎂葉綠酸-a 可作為一種較好的光活化農(nóng)藥加以使用（圖4）。沈生榮等［24］研究了焦脫鎂葉綠酸-a 對(duì)粉蚊夜蛾的Tn-5B1-4 細(xì)胞有顯著的光活化毒性，發(fā)現(xiàn)其對(duì)鱗翅目害蟲(chóng)具有顯著胃毒作用。陳志龍等［25］以蠶砂為原料提取葉綠素a，經(jīng)降解處理，制備葉綠素衍生物10（紫紅素-18），表現(xiàn)出較好的光活化殺蟲(chóng)特性。此外，以蠶砂葉綠素為原料，在濃堿溶液中加熱水解后酸化，合成的葉綠素降解產(chǎn)物11（二氫卟吩e6）對(duì)尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）菌絲徑向生長(zhǎng)和分生孢子萌發(fā)具有光敏抑制作用［26］。

圖3 卟啉類(lèi)衍生物的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structures of porphyrin derivatives

圖4 葉綠素衍生物的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structures of chlorophyll derivatives

2.3 噻吩、噻唑、噁唑、噻嗪類(lèi)化合物

2.3.1 噻吩類(lèi) 噻吩類(lèi)化合物大量存在于菊科植物中，對(duì)多種傳病蚊蟲(chóng)、線蟲(chóng)、螨類(lèi)具有很好的光敏殺蟲(chóng)活性，代表性光活化農(nóng)藥是α-三聯(lián)噻吩（α-T），光活化比在18.0～555.6 之間［3］。基于α-T優(yōu)良的光敏特性，國(guó)內(nèi)外研究者以α-T 為先導(dǎo)化合物，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，引入具有良好生物活性的官能團(tuán)或多元雜環(huán)，合成α-三聯(lián)噻吩類(lèi)衍生物，以此提高其光敏毒殺活性和廣譜性。Burkart 等［27］將菊酯類(lèi)二鹵乙烯基連接到噻吩的2 位，合成出5-芳基-2-鹵乙烯基噻吩衍生化合物12（圖5），在紫外光照射下，在100 mg/L 質(zhì)量濃度下，2-（2，2-二溴乙烯基）-4-甲基-5-苯基噻吩粉劑能夠100%殺死二斑葉螨。Burkart 等［28］進(jìn)一步合成了R 為羥基，R1為甲基，R2、R3為苯基時(shí)的噻吩衍生化合物13，研究發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量濃度50 mg/L 條件下，化合物13 在紫外光照射后48 h，能100%殺死對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥產(chǎn)生抗性的二斑葉螨。

圖5 噻吩類(lèi)化合物的結(jié)構(gòu)Fig.5 Structures of thiophene compounds

Morand 等［29］對(duì)α-三聯(lián)噻吩的2 位和2'位進(jìn)行修飾，合成出α-三聯(lián)噻吩衍生化合物14，當(dāng)R1為甲基，R2為氫時(shí)的衍生化合物對(duì)伊蚊幼蟲(chóng)24 h 的急性光活化毒性LC90為0.209 mg/L（圖6）。徐漢虹課題組將氨基甲酸酯類(lèi)的殺蟲(chóng)活性結(jié)構(gòu)引入到噻吩中，設(shè)計(jì)出氨基甲酸多聯(lián)噻吩酯類(lèi)化合物15，該類(lèi)化合物由于兼具氨基甲酸酯的高效殺蟲(chóng)特性和三聯(lián)噻吩的光敏特性，使得此類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)致庫(kù)倦蚊4 齡幼蟲(chóng)的殺蟲(chóng)活性進(jìn)一步增強(qiáng)，并延緩抗藥性產(chǎn)生［30］。該課題組在α-三聯(lián)噻吩中間插入炔鍵，合成了α-三聯(lián)噻吩類(lèi)似化合物16，隨后用苯基和芳基替換兩端的噻吩，合成了系列化合物17、18，并發(fā)現(xiàn)化合物16、17、18 中芳環(huán)含供電子基時(shí)，對(duì)小菜蛾3 齡幼蟲(chóng)具有很好的光敏毒性［31］。該課題組在化合物18 的基礎(chǔ)上，將天然的除蟲(chóng)菊酯結(jié)構(gòu)偶聯(lián)到α-三聯(lián)噻吩類(lèi)似物中，得到菊酯類(lèi)化合物19，并對(duì)斜紋夜蛾細(xì)胞SL 具有很強(qiáng)的光活化毒性，與天然的除蟲(chóng)菊酯活性相比，其對(duì)細(xì)胞的毒性差異不顯著［32］。羅志剛等［33］以α-三聯(lián)噻吩為先導(dǎo)化合物，分別合成兩類(lèi)含3，5-二芳基異噁唑的化合物21 和含3，5-二芳基吡唑啉的化合物22，其中化合物21（R=OCH3）光照前后對(duì)斜紋夜蛾卵巢細(xì)胞毒性差異為64.06倍，而吡唑啉類(lèi)衍生化合物22 整體顯示出較高的細(xì)胞毒殺活性，其中化合物22（R=CH3）光照細(xì)胞毒殺活性為83.9%。袁李青等［34］以2，6-二氯-4-三氟甲基苯胺和溴代噻吩等為起始化合物，合成出12 種未報(bào)道過(guò)的噻吩芳基吡唑類(lèi)化合物23，通過(guò)測(cè)定了化合物的光活化殺蟲(chóng)活性，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)化合物均具有一定的光活化殺蟲(chóng)活性，其中化合物23（R3=Bu）的光照組與黑暗組LC50值差異表現(xiàn)最為明顯，表現(xiàn)出明顯的光活化性質(zhì)。另外，一些噻吩類(lèi)衍生物如2，5-二苯基噻吩在紫外光照射下對(duì)稗草和馬唐有很強(qiáng)的抑制作用［35］。江定心等［36］合成了一系列4 炔基硅烷類(lèi)化合物，其中化合物20 對(duì)4齡伊蚊幼蟲(chóng)具有很強(qiáng)的光化學(xué)毒性，光化學(xué)毒性比原來(lái)增強(qiáng)了69.58 倍。

圖6 α-三聯(lián)噻吩類(lèi)衍生物結(jié)構(gòu)Fig.6 Structures of α-trithiophene derivatives

圖7 噻唑、噁唑類(lèi)衍生物結(jié)構(gòu)Fig.7 Structures of thiazole and oxazole derivatives

2.3.2 噻唑、噁唑類(lèi) 作為噻吩的電子等排體噻唑、噁唑類(lèi)化合物，被設(shè)計(jì)合成并顯示較好的光活化活性。Lutomski 等［37］設(shè)計(jì)合成的化合物24（圖7）在光照下顯示殺蟲(chóng)、殺螨、殺線蟲(chóng)的活性，而在100 mg/L 質(zhì)量濃度下，化合物25 在UV 照射下，對(duì)二斑葉螨有明顯毒殺作用。在前期研究的基礎(chǔ)上，Lutomski 等［38］將炔鍵插入噻唑結(jié)構(gòu)中，合成噻唑衍生化合物26、27，這兩類(lèi)結(jié)構(gòu)具有光動(dòng)力殺螨和殺蟲(chóng)活性，特別是化合物26，當(dāng)R1=Ph、R2=4-ClC6H4、R3=H 時(shí)，在50 mg/L 質(zhì)量濃度下，化合物26 經(jīng)過(guò)48 h 光照后能100%殺死二斑葉螨，并能殺死20%的粉紋夜蛾，其活性比化合物25 有顯著提高。Singh 等［39］合成的噻唑類(lèi)化合物28 與Lutomski 等合成的化合物24 類(lèi)似，不同之處是化合物28是噻唑與噻吩連接修飾的部分較多，此類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)蚊子幼蟲(chóng)有顯著的光化學(xué)毒性。Lutomski 等［40］進(jìn)一步合成了噻吩偶聯(lián)噻唑類(lèi)化合物29，當(dāng)R1=CO2Et、R2=4-CF3時(shí)，在200 mg/L 質(zhì)量濃度下，化合物29 經(jīng)UV 照射后，能有效殺滅70%的粉紋夜蛾。錢(qián)旭紅課題組［41］合成了以噻二唑或噁二唑偶聯(lián)三聯(lián)噻吩類(lèi)似物30，發(fā)現(xiàn)這類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)2 齡南方粘蟲(chóng)有很好的光活化毒性，并對(duì)pBR322 質(zhì)粒DNA 有光裂解效應(yīng)。

2.3.3 吩噻嗪類(lèi)化合物 吩噻嗪類(lèi)化合物由于含有氮和硫原子，電子富集程度高，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，可作為光敏劑使用［42］。如亞甲藍(lán)（methylene blue，31）作為一種光敏藥物在光照下能與病毒核酸的鳥(niǎo)嘌呤結(jié)合，引起病毒核酸鏈斷裂并抑制核酸復(fù)制，從而滅活血漿病毒［43］（圖8）。農(nóng)用活性方面鮮有報(bào)道，Heitz 等［44］報(bào)道了亞甲藍(lán)對(duì)黃粉蟲(chóng)有光活殺毒性，Sobotta 等［45］報(bào)道了吩噻嗪類(lèi)化合物32 和苯并吩噻嗪類(lèi)化合物33 顯示很好的抗菌、抗病毒、抗癌等光敏活性。

2.4 苯炔類(lèi)

苯炔類(lèi)化合物也是一類(lèi)重要的光活化農(nóng)藥，如1-苯基-1，3，5-庚三炔34 表現(xiàn)出優(yōu)越的光化學(xué)活性，對(duì)蚊子、蒼蠅等幼蟲(chóng)有很強(qiáng)的光活化毒性［46］。徐漢虹課題組［47］發(fā)現(xiàn)從豬毛蒿（Artemisia saparia）精油中提取的活性成分茵陳二炔（1-苯基-2，4-己二炔）對(duì)斜紋夜蛾3 齡幼蟲(chóng)有光活化毒殺活性。該課題組將氨基甲酸酯類(lèi)活性基團(tuán)與炔烴相連，設(shè)計(jì)出光活化殺蟲(chóng)劑氨基甲酸多炔苯酯化合物35，該化合物可以提高對(duì)致倦庫(kù)蚊的殺蟲(chóng)活性，并能延緩致倦庫(kù)蚊對(duì)此類(lèi)殺蟲(chóng)劑的抗藥性［30］。此外，還合成了雙苯炔苯類(lèi)化合物36，但其光化學(xué)活性較α-三聯(lián)噻吩差［31］。進(jìn)一步將菊酯類(lèi)農(nóng)藥活性基團(tuán)連接到炔烴上，合成出氯丙炔菊酯的二炔衍生化合物37（圖9），在500 μg/mL 質(zhì)量濃度下處理斜紋夜蛾細(xì)胞，光照24 h 后，表現(xiàn)出良好的抑制活性，抑制率可達(dá)92.95%［48］。

2.5 苝醌類(lèi)化合物

苝醌衍生物是以4，9-二羥基-3，10 苝醌為骨架的一類(lèi)化合物，廣泛分布于真菌及動(dòng)植物體內(nèi)，其光敏特性研究起始于食草動(dòng)物取食金絲桃屬植物后，在光照下表現(xiàn)出發(fā)熱甚至死亡現(xiàn)象。自然界中許多種屬的真菌均能產(chǎn)生苝醌類(lèi)次生代謝產(chǎn)物，其中多種苝醌類(lèi)化合物具有良好的光敏特性，如竹紅菌甲素（hypocrellin A，38）、竹紅菌乙素（hypocrellin B，39）、弗來(lái)菌素（phleichrome，40）、枝孢素（cladodrome，41）、痂囊腔菌素（elsinochrome，42）、尾孢素（cercosporin，43）（圖10）。而植物次生代謝產(chǎn)物金絲桃蒽酮（hypericin，44）、昆蟲(chóng)次生代謝產(chǎn)物喇叭蟲(chóng)素（stentorin，45）和蚜紅素（aphins，46）及 菌 生 素A（hypomycin A，47）、菌 生 素B（hypomycin B，48）也具有一定的光敏特性。其中竹紅菌素類(lèi)作為光活化農(nóng)藥研究較多，張志義等［49］研發(fā)了一種含竹紅菌甲素的殺蟲(chóng)劑，它不僅對(duì)棉鈴蟲(chóng)有很好的防效，而且對(duì)棉花不易產(chǎn)生藥害，對(duì)天敵有保護(hù)作用。張紅雨等［50］研制了一種含多種苝醌衍生物的光敏殺菌劑，可抑制多種病原真菌菌絲生長(zhǎng)，且毒性低，可用于蔬菜、瓜果的病害防治。趙井泉等［51］研發(fā)的一種含竹紅菌乙素的殺蟲(chóng)劑，對(duì)棉鈴蟲(chóng)也有一定防效。盡管苝醌類(lèi)化合物在自然界中廣泛分布，但其量有限；盡管可以通過(guò)化學(xué)合成，但工藝復(fù)雜，成本過(guò)高，故很大程度上限制了苝醌類(lèi)光活化農(nóng)藥的應(yīng)用研究。目前大多通過(guò)發(fā)酵等生物合成方式獲取苝醌類(lèi)化合物，主要在農(nóng)藥復(fù)配中使用。一方面能增強(qiáng)農(nóng)藥藥效，另一方面發(fā)揮光照下光活化毒性效果。

圖8 吩噻嗪類(lèi)衍生化合物Fig.8 Phenothiazine derivatives

圖9 苯炔類(lèi)衍生物結(jié)構(gòu)Fig.9 Structures of phenyne derivatives

圖10 苝醌類(lèi)衍生物的結(jié)構(gòu)Fig.10 Structures of perylene quinones derivatives

2.6 黃素類(lèi)化合物

石炭酸灌木是一種生長(zhǎng)在沙漠中的高大樹(shù)木，會(huì)分泌出一種有毒的油，殺死它附近生長(zhǎng)的所有植被［44］，從該家屬植物中分離出有很好光化學(xué)活性的姜黃素49（圖11）。姜黃素廣泛分布于姜科姜黃屬植物如姜黃、莪術(shù)、郁金等根莖中的天然酚類(lèi)物質(zhì)，具有抗炎、抗氧化、抗菌及抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)等多種藥理作用，多用于醫(yī)療保健［52］。研究發(fā)現(xiàn)姜黃素是一種潛在的光敏劑，其在波長(zhǎng)470 nm LED藍(lán)色光源下，可激活姜黃素發(fā)揮其光敏活性［53］。基于姜黃素良好的光化學(xué)活性，不少研究者將其作為重要的先導(dǎo)化合物。劉志昌等［54］將姜黃素中1，3-二酮修飾成嘧啶結(jié)構(gòu)，合成了姜黃素取代嘧啶類(lèi)衍生物50，在農(nóng)用或獸用中作為殺菌或殺蟲(chóng)劑。黃齊茂等［55］利用姜黃素結(jié)構(gòu)中的酚羥基通過(guò)共價(jià)鍵連接溴代烷烴橋連卟啉，合成了新型姜黃素橋連卟啉光敏劑51，且該光敏劑與DNA 結(jié)合能力較強(qiáng)。

圖11 姜黃素類(lèi)衍生物結(jié)構(gòu)Fig.11 Structures of curcumin derivatives

2.7 呋喃并香豆素類(lèi)化合物

呋喃香豆素類(lèi)化合物廣泛存于自然界中，是蕓香科和傘形科的特征性次生代謝產(chǎn)物，目前分離獲得200 多種呋喃香豆素類(lèi)化合物。Kuske 發(fā)現(xiàn)從佛手柑果實(shí)中分離出的佛手柑內(nèi)酯具有光活化特性，并首次發(fā)現(xiàn)了呋喃香豆素具有光敏活性［56］。隨后，發(fā)現(xiàn)了許多呋喃并香豆素具有光活化毒性，如化合物52、53，呋喃并色酮類(lèi)化合物54等（圖12）。盡管呋喃并香豆素類(lèi)化合物可用于光動(dòng)力治療，但其光敏特性會(huì)損害人體皮膚，甚至引起局部皮膚疾病。一些研究通過(guò)對(duì)呋喃香豆素的兩個(gè)雙鍵進(jìn)行修飾合成呋喃并香豆素類(lèi)衍生物，避免其同時(shí)與DNA 雙鏈上的堿基發(fā)生反應(yīng)形成雙交鏈物，從而避免人體產(chǎn)生癌變、皮膚疾病等副作用。呋喃并香豆素類(lèi)化合物在光活化農(nóng)藥上的研究源于Berenbaum 報(bào)道花椒毒素52 對(duì)亞熱帶黏蟲(chóng)幼蟲(chóng)的光活化毒性，但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)植物源呋喃并香豆素類(lèi)光活化農(nóng)藥對(duì)昆蟲(chóng)的光毒作用不如對(duì)哺乳動(dòng)物顯著。由于天然呋喃并香豆素類(lèi)化合物的農(nóng)用活性不理想，可通過(guò)增加其結(jié)構(gòu)中的π共軛體系，合成呋喃并香豆素類(lèi)衍生物，增強(qiáng)此類(lèi)化合物對(duì)光的吸收，增強(qiáng)光敏活性。

圖12 幾種香豆素類(lèi)化合物Fig.12 Several coumarin compounds

2.8 染料殺蟲(chóng)劑

對(duì)光敏劑殺蟲(chóng)活性的發(fā)現(xiàn)最早是從一些染料光敏性質(zhì)開(kāi)始的，其中殺蟲(chóng)活性最好的是鹵代呫噸類(lèi)染料，此類(lèi)化合物屬于合成類(lèi)光敏毒素，包含伊紅-Y（eosin-Y，55）［57］、伊紅（eosin，56）［58］、赤蘚紅（erythrosine B，57）［59］和玫瑰紅（rose bengal，58）［60］（見(jiàn)圖3）。最早發(fā)現(xiàn)該類(lèi)物質(zhì)對(duì)家蠅有很好的光化學(xué)毒性，隨后對(duì)黃粉蟲(chóng)、象鼻蟲(chóng)的光化學(xué)活性測(cè)試表明，該類(lèi)物質(zhì)在光照下殺蟲(chóng)活性增強(qiáng)。

圖13 幾種鹵代呫噸類(lèi)合成染料Fig.13 Synthetic dyes of several halogenated xanthene

3 展 望

光作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中最基本的環(huán)境因子對(duì)農(nóng)藥藥效有重要影響。由于部分農(nóng)藥見(jiàn)光易降解，導(dǎo)致藥效降低；但隨之出現(xiàn)農(nóng)藥難降解、長(zhǎng)時(shí)間殘留等環(huán)境污染問(wèn)題，使得農(nóng)藥研發(fā)由光穩(wěn)定型向光活化型方向轉(zhuǎn)變。光活化農(nóng)藥以光為激發(fā)因子發(fā)揮其光敏活性，其本身不直接參與毒性反應(yīng)，僅作為傳遞光子能量的介質(zhì)，發(fā)揮活性作用。該過(guò)程也是活性成分本身光降解的過(guò)程，故其環(huán)境兼容性好，避免了在環(huán)境中的持久殘留。此外，由于光活化農(nóng)藥依靠光激發(fā)下產(chǎn)生1O2或自由基，可直接破壞生物膜和生物大分子結(jié)構(gòu)，使其具有高效的毒殺作用，而Ⅰ型和Ⅱ型的獨(dú)特作用方式使活性氧和自由基產(chǎn)生的作用位點(diǎn)多，故昆蟲(chóng)不易產(chǎn)生抗性，同時(shí)也不易與化學(xué)合成農(nóng)藥產(chǎn)生交互抗性。盡管光活化農(nóng)藥具有傳統(tǒng)農(nóng)藥無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但大多數(shù)光活化農(nóng)藥的活性成分只能被紫外光激發(fā)，在陰雨天不能很好發(fā)揮活性，易受天氣限制。國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾，合成了噻吩、苯炔、萘并吡喃類(lèi)衍生物，并發(fā)現(xiàn)了一些光敏毒性較好的光活化農(nóng)藥。此外，對(duì)光敏劑作用機(jī)制研究更深入的是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而在農(nóng)林領(lǐng)域主要是對(duì)蚊蠅等衛(wèi)生害蟲(chóng)做研究，故今后應(yīng)增強(qiáng)對(duì)其他有害生物的毒殺作用研究，并加強(qiáng)在細(xì)胞水平及亞細(xì)胞水平上作用機(jī)制的系統(tǒng)研究，加快光活化農(nóng)藥從試驗(yàn)研究向田間應(yīng)用的轉(zhuǎn)換。