植物源除草劑的研發(fā)現(xiàn)狀

楊浩娜，王立峰，鄔臘梅

（湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所，湖南 長沙 410125）

我國農(nóng)田雜草種類多、發(fā)生面積廣，又因雜草與作物外形相似、生育期重疊等特征，導(dǎo)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(jīng)濟損失超過1 200 億元。近50 a 來，防控農(nóng)田雜草主要依賴于化學(xué)除草劑的應(yīng)用，但這些合成除草劑的使用不僅對環(huán)境和人類健康造成了不良影響，還加速了雜草抗藥性的發(fā)生和發(fā)展[1]。以生物天然化合物或代謝產(chǎn)物為基礎(chǔ)的植物源除草劑，具有作用靶標(biāo)新穎、選擇性強、環(huán)境降解快、對環(huán)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(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段[2]。黨的“十九”大以來，中央對農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展提出了更高要求，加大了綠色農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的投入，有效促進(jìn)了綠色農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出農(nóng)藥減量增效，持續(xù)推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)發(fā)展。中共中央、國務(wù)院明確指出“應(yīng)推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，持續(xù)推進(jìn)化肥農(nóng)藥減量增效，推廣農(nóng)作物病蟲害綠色防控產(chǎn)品和技術(shù)”以及“推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綠色發(fā)展”。這些都為植物源除草劑的發(fā)展提供了良好的契機和巨大的發(fā)展空間。因此，總結(jié)歸納植物源除草劑的研發(fā)現(xiàn)狀、研發(fā)資源和研發(fā)過程中的挑戰(zhàn)，對植物源除草劑的深入研究和發(fā)展具有理論借鑒和助推作用。

1 我國植物源除草劑的研發(fā)情況

植物源除草劑因其自身優(yōu)勢，在農(nóng)田作物、瓜果蔬菜經(jīng)濟作物、中草藥等特種作物有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了人們廣泛的關(guān)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(nóng)藥之一[3]。植物源除草劑開發(fā)原理之一是基于植物之間的化感作用，從能產(chǎn)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(zhì)，直接開發(fā)成植物源除草劑或通過化學(xué)修飾合成新型植物源除草劑。一般而言，開發(fā)新的化學(xué)除草劑產(chǎn)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(tǒng)化學(xué)除草劑的研發(fā)，利用這種天然產(chǎn)物研發(fā)新型除草劑的方式，具有研發(fā)投入費用低、研究定向性強、研制時間短的優(yōu)點[4]。

近十余年來，雖然我國已經(jīng)擁有了一系列具有知識產(chǎn)權(quán)的生物除草劑技術(shù)和生物除草成果，可是農(nóng)藥市場中仍缺乏成熟商品化了的生物除草劑產(chǎn)品。根據(jù)白小寧等[5-9]統(tǒng)計的我國在2017—2021 年登記的新農(nóng)藥的數(shù)據(jù)分析（見表1），發(fā)現(xiàn)我國生物農(nóng)藥蓬勃發(fā)展，但植物源農(nóng)藥的發(fā)展還有待加強，5 a 內(nèi)共登記有4 個植物源農(nóng)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(xì)胞膜、細(xì)胞核膜以及線粒體膜等，能防治水稻稻瘟??；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(nóng)藥數(shù)量相對來說很少，表明我國植物源農(nóng)藥發(fā)展空間很大。

2 植物源除草劑的研發(fā)資源

植物化感作用和化感物質(zhì)是研究植物源除草劑的有力保障，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和有機農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了強大潛力[10]。據(jù)報道，現(xiàn)在能夠產(chǎn)生一種或多種除草活性的化感物質(zhì)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(fā)、植物幼苗的生長發(fā)育，以及影響種群的分布和發(fā)展。植物源活性化合物的研發(fā)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(zhì)，通過這種方式獲得到的化感物質(zhì)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(yōu)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(zhì)，包括植物根系分泌物、植物揮發(fā)物和淋溶物等，此種方式獲得的化感物質(zhì)通常具有一定的專一性；三是植物凋落物的腐解產(chǎn)物，通常是作物的秸稈或綠肥等對下茬或當(dāng)季作物有抑制作用，從植物腐解物中可獲得結(jié)構(gòu)新穎的控草化感物質(zhì)。無論通過哪種方式獲得的化感物質(zhì)，有些可以直接應(yīng)用于農(nóng)田雜草管理，或者可為新型除草劑的開發(fā)和合成提供先導(dǎo)化合物[11]。下面將對這三種植物資源進(jìn)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(nèi)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(fā)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(tǒng)，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(fā)芽均有較強的抑制作用，經(jīng)過物質(zhì)分離和結(jié)構(gòu)鑒定，主要化感物質(zhì)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(huán)庚草醚的研發(fā)提供了先導(dǎo)化合物，環(huán)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(zhì)在這些作物體內(nèi)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(zhì)[22]，這些植物分泌物也是研發(fā)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(zhì)資源的選育上，以及相應(yīng)的化感物質(zhì)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(zhì)或其衍生物，綜合必要的生態(tài)調(diào)控方法和農(nóng)藝栽培措施，以實現(xiàn)農(nóng)田作物生態(tài)綠色生產(chǎn)[23-24]。經(jīng)過多年研究，主要糧食作物的化感物質(zhì)已被鑒定：水稻-麥黃酮、稻殼酮內(nèi)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(yè)品種相比，能產(chǎn)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(zhì)[26-28]。另外，一些植物的分泌物也被報道具有抑草效應(yīng)，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(fā)和幼苗生長，番茄（Lycopersicon esculentum）的根系能分泌單寧等物質(zhì)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(zhì)丁布影響水稻生長[30-33]。還有些植物揮發(fā)性物質(zhì)如β-蒎烯，從松脂中蒸餾出來的一種揮發(fā)性化感物質(zhì)，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(xué)循環(huán)過程，影響生態(tài)系統(tǒng)功能的正常運行和群落組成。在自然環(huán)境下，腐解產(chǎn)生的化感物質(zhì)能影響植物種子的萌發(fā)、幼苗的生長以及種群的發(fā)展[35]。早期研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)，前茬種植過小麥后的棉花種子萌發(fā)率顯著低于未栽培過小麥的棉田棉花種子萌發(fā)率；而且不同品種的棉花種子對小麥殘株化感作用的響應(yīng)情況不同，品種為A-cala A246的棉花種子萌發(fā)率下降了21%，而品種Paymaster 404的棉花種子萌發(fā)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(xù)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(chǎn)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(chǎn)量；油菜田間作白梨（Pyrus bretschneideri）等植物后，其落葉腐解產(chǎn)生的化感物質(zhì)不僅能抑制雜草的發(fā)生，還促進(jìn)了油菜的生長發(fā)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(chǎn)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(chǎn)生的化感物質(zhì)是植物與土壤微生物互作情況下產(chǎn)生，其結(jié)構(gòu)更加新穎，實際應(yīng)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(jīng)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(zhì)[42]。矢車菊的凋落物在沙壤土中分解產(chǎn)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(zhì)的抑制[43]。棉花秸稈腐解產(chǎn)生的4-羥基- 4-甲基-2-戊酮、棕櫚酸等24 種物質(zhì)對棉花種子的萌發(fā)及生長產(chǎn)生了抑制作用[44]。半夏（Pinellia ternata）植株腐解后產(chǎn)生了2，6-二叔丁基對甲酚等物質(zhì)，推測與半夏連作障礙的有重要關(guān)系[45]。田間試驗結(jié)果表明，黑麥在覆蓋腐解中會向土壤中釋放酚酸類物質(zhì)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(jié)果證實了利用植物腐解作用產(chǎn)生的化感物質(zhì)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(fā)挑戰(zhàn)

因為其來源的特殊性，植物源除草劑本身具備了化學(xué)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(yōu)點，但植物源除草劑的應(yīng)用研發(fā)發(fā)展依舊緩慢，主要是由于以下幾個方面。

3.1 植物源物質(zhì)提取不穩(wěn)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(zhì)的產(chǎn)出與植物生長發(fā)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(fù)不出相同的試驗結(jié)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(zhì)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(qū)的矢車菊，因所生長的環(huán)境差異導(dǎo)致不同地方種群的矢車菊體內(nèi)的主要化感物質(zhì)倍半萜內(nèi)酯含量各有不同[49]。

3.2 植物源化感物質(zhì)易降解

植物源化感物質(zhì)大多是植物的次級代謝產(chǎn)物，在植物中存在，但有些物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定易，如兒茶酸在土壤中會迅速聚合成無毒物質(zhì)，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(zhì)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(zhì)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(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難合成

有些具有除草活性的植物代謝產(chǎn)物，含量低，提取所需費用昂貴[52]。而有些化感物質(zhì)結(jié)構(gòu)新穎，但過于復(fù)雜，難以人工合成[53]。另外，在植物源農(nóng)藥的研發(fā)過程中也暴露出一些其他問題。張興[54]認(rèn)為植物源農(nóng)藥研發(fā)中植物資源開發(fā)的盲目性和缺乏植物源農(nóng)藥生物防效評價標(biāo)準(zhǔn)，限制了植物源農(nóng)藥的發(fā)展。這些挑戰(zhàn)都阻礙了植物源除草劑的研發(fā)和發(fā)展。

4 展 望

化學(xué)除草目前仍然是我國農(nóng)田雜草防控中最有效的手段，然而化學(xué)除草劑的過度使用造成雜草抗藥性迅猛發(fā)展，抗性雜草的發(fā)生和發(fā)展給雜草防控帶來了新的挑戰(zhàn)。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(nóng)業(yè)生產(chǎn)和有機農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。從現(xiàn)有研究可以看出，植物源除草劑的研究發(fā)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(chǎn)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(biāo)的開發(fā)提供了依據(jù)，將是未來植物源除草劑研究的熱點。