03 第三章 植物次生物质研究进展

第三章植物次生物质研究进展一、植物次生物质的性质和种类二、植物次生物质对植物的保护作用三、植物次生物质对害虫的防御作用四、植物次生物质的提取技术五、植物次生物质的化学结构和植物源杀虫剂的开发与应用八、基因工程技术提高药用植物次生物质产量研究进展六、植物细胞培养技术合成次生代谢物质研究进展七、植物的次生代谢途径研究进展一、植物次生物质的性质和种类在植物的新陈代谢过程中产生了各种各样的化学物质，其中有些化合物是维持植物生命活动所必需的，称为初生代谢产物（primarymetabolites），如：蛋白质、糖类、脂类、核酸等。还有一些有机物质，如：单宁、苷类、有机酸、生物碱、香豆素、木质素、蒽醌等，这些物质与植物正常的生长发育没有直接关系，通常认为是次生代谢产物(secondarymetabolites)，称之为植物次生物质。植物体内含有大量无明显生理功能的次生代谢产物，但在调节植物本身适应其生态环境方面却起着重要作用。昆虫是植物生态环境中的一部分，对植物次生性化合物质的演化有直接影响；同时，植物所含的这些化合物质也对昆虫为害施加制约。植物在同昆虫为害的斗争过程中产生了一套防御机制，其中最重要的是化学物质，其次是形态结构。植物次生物质的种类主要有：萜类terpene或类萜terpenoid（单萜、倍半萜、双萜、三萜、四萜、多萜），酚类phenol（简单苯丙酸类、苯丙酸内酯、苯甲酸衍生物类、木质素、类黄酮类、鞣质），含氮次生化合物（生物碱、含氰苷、非蛋白氨基酸）以及聚乙炔类等。其中种类繁多的是生物碱、黄酮类、萜类等。这些物质对昆虫的化学防御作用，主要是忌避作用、抑制取食、抑制生长发育、激素效应、毒杀作用等。二、植物次生物质对植物的保护作用1.防治病害2.防治虫害3.防治杂草，提高植物种间竞争能力1.防治病害棉花中存在酚类化合物可抗黄萎病菌，洋葱等作物表皮层中含有的儿茶酚和儿茶酸等次生物质是抵抗病菌侵染的重要成分，松属植物中含量很高的抗菌物质赤松素能有效地防止心材腐烂。水杨酸能诱导植物对病毒、真菌及细菌等病原物的抗性，还能诱导植物抗热、抗冷、抗旱以及抗紫外线辐射等。植物感染病原微生物后，木质化作用加强，增加木质素以阻止病原菌进一步扩展。植物凝聚素能防治病害，如：小麦、大豆和花生的凝聚素能抑制多种病原菌的菌丝生长和孢子萌发，水稻胚中的凝聚素能使稻瘟病的孢子凝聚成团，甚至破裂。2.防治虫害有些次生物质对昆虫表现为毒杀、忌避、拒食、抗产卵、抑制昆虫生长等作用。目前许多国家研制和开发的以烟碱、苦参碱、鱼藤酮、苦皮藤素为代表的植物次生物质已成功地应用于农林害虫的防治，毒芹、狼毒大戟、北乌头等植物茎叶的丙酮提取物对食叶害虫杨扇舟蛾、舞毒蛾、黄褐天幕毛虫都有毒杀作用。生物碱、非蛋白氨基酸、类黄酮、多炔和强心甙等是大多数昆虫的拒食剂。此外,植物也可产生非毒性但能降低营养价值和忌避昆虫的次生物质以减少被害，如胜红蓟次生物质对小菜蛾田间种群具有明显的控制作用，主要是避忌小菜蛾成虫产卵及降低其生殖能力。许多萜类化合物对多种昆虫有驱避、拒食和毒杀作用，如从黄杜鹃花中分离出的四环二萜化合物对斜纹夜蛾和甜菜夜蛾等都具有强烈的拒食作用和毒杀作用，还对小菜蛾有显著的产卵忌避作用和较明显的杀卵作用。羊蹄甲、细叶桉、飞杨草、假连翘、花椒、荷花玉兰、烟草的乙醇提取物对小菜蛾成虫产卵有较好的驱避效果，驱避率达80%以上，一品红、构树、艾蒿、茶枯垂柳、飞杨草、羊蹄、狗尾草的乙醇提取物对小菜蛾幼虫有较好的拒食作用，48小时拒食率达80%以上。非洲山毛豆、飞机草、大桉的乙醇提取物对荔枝蒂蛀虫产卵的驱避作用效果在80%～90%之间。3.防治杂草，提高植物种间竞争能力植物能通过产生和释放次生物质，抑制邻近的其他植物的生长发育。如水稻叶片中的P—香豆酸含量与水稻抑制稗草生长的关系密切。黑胡桃分泌的胡桃醌能将生长于邻近或其树冠下的番茄和苜蓿毒杀，白叶鼠尾草分泌的桉树脑和樟脑等，能抑制雀麦、狐茅的生长。大豆、黄瓜的某些品系分泌的次生物质能抑制其周围杂草的生长。番茄的根能分泌单宁等次生物质，它会对邻近的作物生长发育产生不良的影响。苹果和梨释放的萜类挥发性物质，能抑制马铃薯的发芽。植物的次生物质不仅能防治病、虫、杂草的危害，还能防治其他植食性动物的危害。如广泛存在于植物界的含氰苷本身无毒，但植物破碎后就会释放出有挥发性的毒物氰化氢HCN，植食性动物如蛇、蛞蝓取食后，产生HCN，呼吸就会被抑制。鞣质有毒，植食性动物吃后明显抑制生长。三、植物次生物质对害虫的防御作用1.植物次生物质的拒食、驱避作用2.植物次生物质对昆虫生长、生殖及存活的抑制作用3.植物次生物质对昆虫的毒杀作用1.植物次生物质的拒食、驱避作用许多害虫有时虽能接近甚至附着在某些植物体上，但却不能取食或者很少取食，其原因是这些植物体内含有抗拒昆虫取食的次生物质。植物体内对昆虫具有拒食作用的次生物质较多，其中常见的有生物碱、类黄酮和萜内脂等。（1）拒食作用楝科植物的提取物及印楝素、川楝素等对褐稻虱具有拒食和忌避作用，对斜纹夜蛾大龄幼虫表现出强烈的拒食作用，5%的苦楝种核乙醇提取物对水稻叶夜蛾5龄幼虫拒食率高达99.8%，2%印楝油对白脉粘虫5龄幼虫拒食率达92%。楝科植物大叶桃花心木和毛麻楝甲醇提取物对稻蝗的拒食率分别为87.4%和86.9%。杜鹃花－花中西施闲折两枝持在手，细看不是人间有。花中此物是西施，芙蓉芍药皆嫫母杜鹃花被称作为杀虫植物，存在于黄杜鹃花中的闹羊花素Ⅲ（rhodojaponin-Ⅲ）、grayantotoxin-I、Ⅲ和kalmanol等成分对马铃薯甲虫、草地夜蛾、杂拟谷盗、菜粉蝶幼虫和斜纹夜蛾等害虫均有显著的拒食作用；其中，闹羊花素-Ⅲ的拒食作用最强，它对马铃薯甲虫4龄幼虫和草地夜蛾3龄幼虫的PC50分别为2.8μg/mm2和6.4μg/mm2。黄铃杜鹃紫背金盘甲醇提取物对菜青虫、斜纹夜蛾和粘虫均表现显著的拒食作用，其中对菜青虫5龄幼虫的非选择性拒食率为80.6%。紫背金盘氯仿提取物氯仿提取物的拒食效果高于甲醇提取物。紫背金盘辣蓼，全草有毒，其中的天然产物蓼二醛具有很好的昆虫拒食活性。萝藦科马利筋属马利筋提取物用作催吐剂及泻药，叶乳汁可治肠内寄生虫，果乳汁可止血。粗提物对玉米叩甲有强烈拒食作用。苦槛蓝科苦槛蓝氯仿萃取物对菜粉蝶4龄、5龄幼虫非选择性拒食率均在94%以上。叶、茎的甲醇和石油醚浸提物对3-5龄菜青虫的各龄试虫均有较好拒食活性；其中，对3龄试虫的24h非选择性拒食率均在90%以上，对4龄试虫的拒食率均在80%-87%之间，而对5龄试虫的拒食率相对较低，为46.49%-63.31%。苦槛蓝病虫害极少，适应性和抗逆性都很强。唐古特瑞香甲醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、苯的抽提物，具有明显的拒食和胃毒活性，对斜纹夜蛾3龄幼虫的拒食率均在80%以上；其中，苯抽提物拒食活性最高，其次是氯仿抽提物。1.植物次生物质的拒食、驱避作用（2）植物次生物质的驱避作用植物体内通过次级代谢产生驱避性物质，在抗拒植食性昆虫为害方面很成功。通常植物产生一些挥发性次生物质，能够引起昆虫负趋向运动和无定向移动，从而可避免或抵御昆虫取食。将柳薄荷、迷迭香、撒尔维亚、亚里香等唇形科植物和豆科植物白荷蓝翘摇间作到蔬菜地内，可以减轻小菜蛾的为害。这5种植物乙醇提取物和精油对小菜蛾产卵有显著的驱避作用。甘蓝乙醇提取物对菜粉蝶有显著的产卵驱避作用，但其水提取物没有驱避作用。非寄主植物的已烷提取物对菜粉蝶产卵有极显著的驱避作用，但水提取物的驱避作用较弱。•万寿菊粗提物对小菜蛾成虫产卵有强烈的忌避作用，在室内的非选择性产卵忌避率为97.33%，室外为56.48%。•番茄枝叶的甲醇和水溶性乙醇提取物对菜粉蝶有显著的产卵忌避作用，其中第1天的忌避率分别为、87.45%、85.1%、50.0%，均达到差异显著水平；番茄枝叶乙醇提取物不仅能显著地忌避菜粉蝶产卵，而且还强烈地干扰其产卵行为。•闹羊花素-Ⅲ和黄杜鹃花乙酸乙酯萃取物对小菜蛾有产卵忌避作用，在非选择性和选择性试验处理72h，闹羊花素-Ⅲ质量浓度0.5g/L的产卵忌避率分别为77.54%和80.13%，EtOAc萃取物质量浓度5g/L的忌避率分别为55.86%和66.01%。2.植物次生物质对昆虫生长、生殖及存活的抑制作用•有些植物可以在体内合成一些抑制昆虫生长发育的次生物质（苯甲酸、水杨酸、棉子酸、芸香酸等），昆虫吞噬后，生活周期延长，增加了暴露给捕食生物、寄生物、病原微生物和不利气候条件的时间，从而减少昆虫的数量，减轻取食压力；或者植物体内含有各种昆虫激素或类似物质（如蜕皮激素、保幼激素、抗保幼激素等），昆虫吞噬后可干扰原来的激素调节机制，使昆虫不能正常发育，甚至死亡。•昆虫的保幼激素起着调节昆虫生长发育的作用。许多植物精油成分是合成保幼激素的重要中间体，例如橙花醇和香叶醇是合成17个碳原子的保幼激素的中间体。另外，菖蒲油能抑制昆虫性腺的发育。双稠哌啶类生物碱有引起昆虫产卵量和卵孵化率下降的作用及印楝提取物有抑制产卵和孵化的作用。•有人用1.0μg/mm2剂量的黄华碱和野靛碱处理的构树枝分别喂饲桑天牛，黄华碱不表现拒食作用，但野靛碱表现出显著的拒食作用。同样剂量条件下，2种生物碱均能使桑天牛的产卵量和孵化率显著下降，但没有引起死亡。•用8.0×10-2、4.0×10-2、2.0×10-2、5.0×10-3μg/mm2剂量的印楝提取物处理的构树枝喂饲桑天牛，前2种剂量引起100%死亡率；2.0×10-2的量引起80%的死亡率，并导致雌虫不产卵；而后2种剂量的死亡率分别为30%和0%，并导致产卵量和卵孵化率较对照急剧下降。•用乙醚、丙酮、乙醇3种有机溶剂浸提苦瓜叶片提取液涂抹白菜叶饲养小菜蛾幼虫。结果表明，3种有机溶剂提取液不同浓度饲喂试虫，随浓度增高，其取食逐渐减少，生长速率减慢，存活率显著下降，其中质量分数50%的乙醚提取液作用最强。•用苦槛蓝氯仿萃取物处理菜粉蝶4龄幼虫后，试虫平均体重的增长显著低于对照，处理后4d，经质量浓度1%氯仿萃取物处理的平均体重仅为对照的36.74%。经质量浓度1%氯仿萃取物处理幼虫后，羽化率仅为3.33%，发育抑制率为88.89%。•用苦槛蓝叶氯仿和甲醇萃取物处理4龄虫72h后，LC50分别是质量浓度6.3、13.9g/L。质量浓度10g/L的苦槛蓝叶氯仿萃取物处理菜粉蝶5龄幼虫4d后，试虫平均体重为对照的36.05%、羽化率为4.00%、发育抑制率达86.15%。胡美英和AliAl-Bashari等人试验表明，苦槛蓝萃取物对菜青虫子的生长发育有显著的影响。•姜黄油对赤拟谷盗既有忌避作用还能干扰其正常的繁殖和发育，使大多数幼虫不能化蛹而死亡，或发育成畸形蛹、畸形成虫。•闹羊花素-Ⅲ和黄杜鹃花乙酸乙酯提取物对亚洲玉米螟3龄幼虫具有强烈的生长抑制作用，其致死中浓度LC50质量分数分别为9.30和39.64mg/kg。3.植物次生物质对昆虫的毒杀作用•植物中含氮次生物质多能引起昆虫中毒，概括起来主要有生物碱（如番茄苷、尼古丁等）、除虫菊酯类、鱼藤酮类。此外，一些多糖、生氰物质、皂苷、特异氨基酸、不饱和异干基酰胺类，也都是常见的对昆虫有毒杀作用的物质。•华南农业大学昆虫毒理研究室从80年代开始探讨川楝素的杀虫作用。在三化螟内吸毒杀试验中发现川楝素具有强的内吸拒食及毒杀活性；在其它试验中，又发现川楝素对白脉粘虫、小菜蛾、亚洲玉米螟均表现出强的拒食及毒杀活性。•肖春旺研究东方粉蝶幼虫对经过不同烟碱浓度喷洒过的结球甘蓝、大白菜、蕹菜和莴苣菜4种蔬菜的觅食行为，以及不同烟碱浓度对东方粉蝶幼虫的毒害作用。研究结果表明：在同一烟碱浓度下，东方粉蝶幼虫对4种蔬菜觅食行为及毒害致死时间差异不显著；不同烟碱浓度显著影响东方粉蝶幼虫对4种蔬菜的觅食量和存活时间；烟碱浓度与东方粉蝶幼虫的觅食数量和对东方粉蝶幼虫的存活时间呈显著的负相关。•罗万春等报道，苦豆子的次生代谢物质为喹诺里西定生物碱类，该生物碱中的野靛碱对萝卜蚜虫有很高的毒杀作用，对其无翅成蚜的致死中浓度LC50为（432.59±2.