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BSM CHEMICAL IMPORT & EXPORT CO.,LTD.

原创天然生物化合物 !突破了化学杀蟎剂抗性的技术瓶颈!

2022-08-03
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杀螨剂是一类广泛应用于农业、工业及其他产业的农药。主要用于防治农业螨虫,或者牲畜或是宠物身上的蜱虫等。每年全球因螨类害虫遭受的损失巨大。根据联合国粮食及农业组织的数据,全球 80% 的牛群都受到蜱虫侵扰,由此造成了全球约为每年73亿美元的经济损失。在南美,受叶螨Mononychellus planki McGregor (Acari: Tetranychidae) 破坏的大豆植物的谷物产量损失约在 18.28%[1]。而在中国,同样有近4000万亩的柑橘受到了Panonychus citri (McGregor)的侵扰。因此杀螨剂的全球市场需求在逐年增加,2018年杀螨剂市场的前八大产品依次为:螺螨酯、螺甲螨酯、丁醚脲、联苯肼酯、哒螨灵、炔螨特、噻螨酮、唑螨酯,它们的销售总额为5.72亿美元,占杀螨剂市场的69.1%,预计到2025年的市场规模将达到20亿美元。而随着全球耕地面积的减少,人口的增加、天然产品需求的增加及可持续农业实践需求的增加,杀螨剂的市场规模可能会更大[2]


而对全球杀螨剂市场的分析表明,叶螨、柑橘全爪螨和乌尔米全爪螨等红蜘蛛是迄今为止最重要的经济物种害螨,占市场的 80% 以上。其他相关的螨类是假叶螨(主要是短叶螨)、锈螨和瘿螨和虻螨。而包括柑橘、葡萄藤、大豆、棉花、玉米在内的蔬菜和水果(占市场的 74%)是杀螨剂主要应用的作物[3]

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图1:蜘蛛螨取食作物叶片示意图[4]

 

但由于叶螨、全爪螨这些植食性害螨生命周期短、可孤雌生殖、独特的代谢工具及环境适应性强等特点让其对于杀螨剂抗性增长极快。据报道,在12种抗性节肢动物中,螨类占了3种。而全球杀螨剂应用中,有机磷酸盐、氨基甲酸酯、有机氯、拟除虫菊酯等常规化学杀螨剂仍占据了主导地位。近年来,虽有联苯肼酯、乙唑螨腈等高效的杀螨剂问世。但是,杀螨剂同质化问题依然严峻,抢登已过专利保护期产品的现象仍未改观。

 

表1 报道的12种抗性节肢动物[5]

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但一方面随着这些杀螨剂长时间、不科学使用,大部分植食性害螨对市面上的化学杀螨剂出现了不同程度的抗性,效果都下降比较明显。另一方面也是随着对环境问题的日益关注和有机农业面积的逐步增大,全球市场对以天然产品保护作物的需求显著增加,因此,开发安全、高效、对环境友好、对天敌伤害小且不易产生抗性的安全新型的生物杀螨剂迫在眉睫。


基于此,充分利用中国的生物资源优势,促进生物源杀螨剂的研发和应用,是行业和产业发展的迫切需要。来自于中国的成都新朝阳作物科学股份有限公司(以下简称″新朝阳″)基于对藜芦这一中草药的高效共同提取技术创新研发,开发出能有效防治植食性螨虫的杀螨剂″0.1%CE藜芦根茎提取物″。


一、 藜芦生物碱研究背景


藜芦(Veratrum nigrum L.),别名山葱,黑藜芦,是一种多年生的药材。具中国国医记载,其根及根茎入药,能催吐、祛痰,主治中风痰壅、癫痫、喉痹等;外用治疥癣、恶疮。

 

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图2:药用植物藜芦及其根茎


关于藜芦杀虫的研究很早就有报道。作为中国本土的杀虫植物,人们常在植被期将其根茎挖出来,煎制成温和汤剂去冷洗绵羊、山羊、牛等家畜,来处理家蝇蛆等寄生虫[6]。而后研究人员陆续发现藜芦对其它害虫也有很好的防治效果。如藜芦根茎的乙酸乙酯提取物对小菜蛾二龄、三龄幼虫杀虫活性很好,分别为225和335ppm[7]。而藜芦生物碱提取物对德国小蠊成虫与四龄幼虫有一定的致死效果[8]。同时研究学者还发现藜芦根茎的不同提取物均有不错的杀螨活性,其中乙醇提取物>氯仿提取物>正丁醇提取物[9]。以上研究为藜芦杀虫、杀螨功能的开发带来了很好的借鉴意义。但如何从藜芦中高效提取活性物质却掣肘了藜芦的产业化发展。


中国的研究人员通常使用氨碱化氯仿超声提取法、水提取法以及乙醇渗滤提取法、超临界CO2提取法等从藜芦根茎中获取活性物质。其中氨碱化氯仿超声 提取法虽然提取率比较高,但大量使用有毒溶剂氯仿;水提取法提取次数多,水用量大,提取率低;而乙醇渗滤提取法中乙醇的消耗量大,提取率偏低。超临界CO2提取法提取藜芦生物碱,不但提取率高、有效成分不被破坏,而且所得到产品的药物活性和有效成份纯度大大提高,另外,CO2无毒无溶剂残留对人体和环境无害,可减缓了传统提取方法对环境的污染,已经被列为植物药效最佳提取分离技术之一。但风险较大的生产过程和较高的成本阻碍了其大规模产业化应用。


二、藜芦生物碱研发进展


(1)藜芦提取工艺研究。经过多年的研发积累,新朝阳首次提出了处方共同提取技术研究思路及方法。通过独有的共同提取技术将藜芦根茎活中的活性物质大幅挖掘,促进多种活性和有益成分的提取,该技术成果于2021年获得中国农业农村部批准的0.1%藜芦根茎提取物可溶液剂产品登记。


共同提取技术以中药材藜芦为主,天然药材为辅,通过混合粉碎、过筛、回流加热、过滤、澄清、浓缩等工艺技术,将存在于天然物质中的藜芦胺、白藜芦醇、藜芦托素等多重活性成分一并制得,同时利用不同溶剂对植物药材进行连续提取,最大化将植物药材中的有效活性成分群分阶段纯化析出。获得从同一批原料中获得不同功能性或相似功能性的化合物群组份。显著提高植物药材原料的利用率,降低生产成本,显著增加市场竞争力。


(2)藜芦活性物质作用机制研究。藜芦根茎提取物是一类混合物,内含藜芦胺、白藜芦醇、藜芦托素及环巴胺、蒜藜芦碱、氧化白藜芦醇等十余种活性成分,主要作用于害虫的神经系统。

 

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图3:CE藜芦根茎提取物主要活性成分

 

据研究报道,其毒性基于打开电压依赖性 Na+ 通道,进而打开电压激活的 Ca2+ 通道,导致神经递质释放。电压门控钠离子通道是神经元和肌肉信号传导的组成部分,藜芦提取物中的活性成分能够引起钠离子通道电流紊乱,导致膜通透性改变,引起虫体震颤休克,最终死亡。


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图4:显微镜下观察藜芦根茎提取物针对柑橘全爪螨防治效果


同时,有法国学者报道称,藜芦生物碱还能与昆虫的乙酰胆碱酯酶(AChE)发生非竞争性抑制[10]。因藜芦生物碱作用机理新颖,可产生多位点攻击,害螨很难通过其自身结构变化来适应该多作用位点的药剂,因此不易产生抗药性。


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图5:对藜芦生物碱作用机制的研究

 

(3)0.1%CE藜芦根茎提取物制剂技术。以先进的提取工艺作为支撑,辅以优异制剂技术,使得药剂表面张力小,能快速包裹虫体,促进药液渗透吸收,增强有效成分效果。入水分散性好,分散后溶液透明,呈均相状态。1000倍稀释,完全润湿透帆布片时间为44秒,可快速润湿渗透。多重光散射稳定性数据显示,0.1%CE藜芦根茎提取物制剂稳定性好,完全满足各种田间施药环境。

 

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图6:0.1%CE藜芦根茎提取物制剂界面接触角及表面张力数据

 

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图7:0.1%CE藜芦根茎提取物制剂多重光散射稳定性数据

 

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图8:0.1%CE藜芦根茎提取物与螺螨酯药液接触角对比


三、0.1%CE藜芦根茎提取物应用技术研究进展


新技术大幅改善了药剂的速效性,与以往技术相比,新朝阳公司的产品降低了单一成分的使用量,通过独有工艺使得产品中成分更加丰富,协同增效作用更加明显。


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图9:0.1%CE藜芦根茎提取物防治木瓜红蜘蛛防治效果

 

 综上,0.1%CE藜芦根茎提取物在中国海南三亚针对木瓜红蜘蛛进行防治,在虫口基数50头/片时,单独施药后20分钟见效,药后1天防效达到99.1%,药后7天仍然能够保持92.9%的虫口减退率,其速效性非常突出。


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图10:0.1%CE藜芦根茎提取物搭配化学农药防治红蜘蛛使用增效

 

同时,搭配现有化学农药一起使用,一是能够显著降低红蜘蛛的虫口基数,减少化学农药用量提高防效,同时对已产生严重抗药性的作物防治对象增效明显。综上,中国广西贺州柑橘柑橘全爪螨高发期,喷施0.1%CE藜芦根茎提取物+30%乙螨唑后20分钟见效,药后3天未见活虫,药后11天防效能够保持在95%以上。而江西瑞金脐橙柑橘全爪螨发生初期,0.1%CE藜芦根茎提取物+30%四螨嗪·联苯肼酯施药后1天虫体全部死亡,药后3天任未见活虫活动,16天后防效接近99%。

 

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图11:0.1%CE藜芦根茎提取物搭配搭配联肼·乙螨唑防治脐橙红蜘蛛


综上,在中国江西赣州市宁都县红蜘蛛爆发的脐橙园(平均每枝梢红蜘蛛数量80头以上)进行0.1%藜芦根茎提取物1000倍搭配联肼·乙螨唑进行防治。可以看出,联肼·乙螨唑对该地脐橙红蜘蛛防治并不理想。单用药后1天防效为82.68%,药后7天下降为65.03%。而在联肼·乙螨唑减量25%的情况下与0.1%藜芦根茎提取物复配后,药后1天防效为94.72%,不仅速效性有所提升,而且持效性也大幅提高,药后7天仍有82.68%的防效,完美的实现了对化学药剂的减量增效作用。


image.png表 2 广西武鸣区防治柑橘全爪螨防效数据

注:虫口基数和活虫数都是每个处理10片叶的总数。

 

而在柑橘全爪螨抗性区域,″0.1%CE藜芦根茎提取物+化学药剂″搭配使用防效同样优异。综上,在中国广西南宁武鸣区虫口基数较大(高发期)的情况下(药前各实验小区所标记叶片平均35头以上),0.1%CE藜芦根茎提取物分别搭配阿维乙螨唑、苯丁锡、炔螨特和矿物油药后1天、3天虫口减退率都在98%以上。药后8天除搭配炔螨特有少量虫卵孵化,减退率为92.33%外,其他三个配方减退率仍在99%以上,防治效果十分显著。


以上田间生测结果表明,在红蜘蛛虫口基数较低或者较高时,单剂使用和与化学药剂复配使用,藜芦根茎提取物对降低红蜘蛛虫口基数、提高化学农药防治效果等方面都表现出了优异的防控效果。同时,藜芦根茎提取物来源于植物,在推荐使用浓度下,对绝大部分植株的萌芽期、花期、幼果期等时期施用安全,对嫩芽、花及果实膨大均无影响。对害螨天敌等非靶标生物安全、对环境友好,与现有杀虫、杀螨剂多无交互抗性,非常适合用于害螨的综合治理(IPM)。且随着化学农药减量使用,柑橘中乙螨唑、螺螨酯、联苯肼酯等化学农药的残留量完全能够达到《中国食品安全国家标准食品中农药最大残留限量》、《欧盟食品中农药残留限量标准》和《美国食品中农药残留限量标准》,为食品安全和农产品质量安全提供坚实的保障。


五、基因编辑技术推动藜芦的产业化发展


藜芦属于常见药材,为百合科(Liliaceae)藜芦属多年生草本植物,生于山野、林内或灌木丛问,分布于中国山西、河北、河南、山东、辽宁、四川、江苏等地,野生资源丰富。经调查,每年药用藜芦产量接近300-500吨,品种包括毛叶藜芦、兴安藜芦、毛穗藜芦、牯岭藜芦等多个品种,各品种间活性组分不经相同。


随着生物技术的快速发展及对藜芦药材的深入研究,利用基因编辑技术对藜芦药材品种进行改良以及对野生藜芦品种进行人工驯化已有阶段性进展。人工培育藜芦品种将大幅减少藜芦采挖对野生种质资源的破坏,进一步推进藜芦在农业领域以及医药领域的产业化发展。


藜芦根茎提取物的研发花费近10年时间,新朝阳从植物中寻找能控制柑橘全爪螨的有效物质,匹配先进的共同提取技术,并申请授权了多项国家专利,使得藜芦根茎提取物防效提升了数倍,成功实现了生物杀螨剂市场的产业化。未来,来源于药用植物的天然藜芦根茎提取物将有望逐步减少传统化学杀螨剂的使用量,对提高农产品品质,提高农产品质量安全,改善农业生态环境和维护生物多样性上做出更大贡献。

 

参考文献:


[1] Arnemann, J. A., Fiorin, R. A., Guedes, J. V. C., Pozebon, H., Marques, R. P., Perini, C. R., & Storck, L. (2018). Assessment of damage caused by the spider mite'Mononychellus planki'(McGregor) on soybean cultivars in South America. Australian Journal of Crop Science, 12(12), 1989-1996.

[2] Mordor Intelligence. ACARICIDES MARKET - GROWTH, TRENDS, COVID-19 IMPACT, AND FORECAST (2022 - 2027). web report, 2022.

[3] Van Leeuwen, T., Tirry, L., Yamamoto, A., Nauen, R., & Dermauw, W. (2015). The economic importance of acaricides in the control of phytophagous mites and an update on recent acaricide mode of action research. Pesticide biochemistry and physiology, 121, 12-21.

[4] Bensoussan, N., Santamaria, M. E., Zhurov, V., Diaz, I., Grbić, M., & Grbić, V. (2016). Plant-herbivore interaction: dissection of the cellular pattern of Tetranychus urticae feeding on the host plant. Frontiers in plant science, 7, 1105.

[5] M.E. Whalon, R.M. Mota-Sanchez, R.M. Hollingworth, L. Duynslager, Arthropods Resistant to Pesticides Database (ARPD). , 2014 (accessed 30.10.14).

[6] R. Z. Yang, & C. S. Tang. (1988). Plants Used for Pest Control in China: A Literature Review. Economic Botany, 42(3), 376–406.

[7] Vanichpakorn, P., Ding, W., & Cen, X. X. (2010). Insecticidal activity of five Chinese medicinal plants against Plutella xylostella L. larvae. Journal of Asia-Pacific Entomology, 13(3), 169-173.

[8] Cai, X., Li, Q., Xiao, L., Lu, H., Tang, J., Huang, J., & Yuan, J. (2018). Insecticidal and acetylcholinesterase inhibition activity of Veratrum nigrum alkaloidal extract against the German Cockroach (Blattella germanica). Journal of Arthropod-Borne Diseases, 12(4), 414.

[9] Qing-Liang, S., Hai-Tang, W., Ping, L., & Zi-Jun, T. (2007). Preliminary Studies on the Insecticidal Activity of Extract from Veratrum nigrum. Natural Product Research & Development, 19(2).

[10] Bucur, M. P., Bucur, B., Marty, J. L., & Radu, G. L. (2014). In vitro investigation of anticholinesterase activity of four biochemical pesticides: spinosad, pyrethrum, neem bark extract and veratrine. Journal of Pesticide Science, D13-062.

 


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