光活化農藥作用機理的研究進展

張筑宏，吳接呈，駱焱平

海南大學植物保護學院，海南 ?？?570228

光敏劑（photosensitizers，PS）在可見光區和近紫外光區能有效吸收光子，對細胞、病毒、生物體具有殺傷作用，或能夠誘發對此條件敏感的生物分子的化學修飾作用的一類物質。由于光敏劑本身無或有較低的生物毒性，故可利用其在可見光譜區下毒性增強的特點間接殺死細胞。光敏劑多用于腫瘤疾病的治療，利用光照激活在癌細胞上特異性積累的光敏劑，產生活性氧殺死癌細胞，稱為光動力治療［1］。2018 年首個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，如果光敏劑用來殺死害蟲、雜草或病原菌，通常稱為光活化農藥（photoactivated pesticides）［3］。1978 年Berenbaum［4］報道了呋喃香豆素類化合物——花椒毒素（xanthotoxin）對亞熱帶黏蟲（Spodopteraeridania）幼蟲的光活化毒性，表現出生長抑制作用，至此陸續從數千種植物中發現了植物源光敏化合物，其中不少化合物對農業昆蟲有光毒殺作用，從而引起農藥科研工作者對光活化農藥的重視。

1 光活化農藥的作用機理

光活化農藥是一類具有殺蟲、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的可見光或近紫外光照射，便會吸收光子能量，引起電子躍遷，從基態單重態轉變為激發單重態。激發單重態非常不穩定，可通過發射光子失去能量從而返回基態，或發生系間竄躍，成為較穩定的激發三重態，激發三重態除了以輻射形式發射光子并釋放能量躍遷回基態外，也可將激發三重態的能量轉移到另一個處于基態的三重態分子上。

在光敏反應中，光活化農藥吸收光子能量受到激發，轉變為激發態的光敏化合物，在不同的反應環境下，激發態光敏化合物能發生2 種不同的光敏氧化反應，即Ⅰ型和Ⅱ型反應［5］（見圖1）。在Ⅰ型反應中，激發態光敏化合物（單重態或三重態）能從鄰近還原劑NADH（nicotinamide adenine dinucleotide）或NADPH（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）中獲得電子，轉化為自由基陰離子，或是通過傳遞氫原子產生自由基［5-6］。產生的自由基和自由基陰離子可進一步與氧反應，轉移電子，產生活性氧（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直接損害生物系統，但其可以產生過氧化氫（H2O2），造成機體很強的氧化損傷。在Ⅱ型反應中，光敏化合物同Ⅰ型反應一樣首先以光為激發因子，轉變成激發單重態，并系間竄越成激發三重態。激發三重態的光敏劑分子將能量轉移至基態的三線態氧，生成單線態氧（1O2），并與底物反應生成氧化產物，而激發態光敏分子則恢復到基態。1O2以生物膜為靶標，引起生物膜不飽和脂肪酸、甾醇、游離氨基酸和蛋白質中氨基酸殘基的氧化，造成生物膜和細胞器結構與功能的破壞［7］。這種利用光活化能量催化氧分子形成1O2進攻生物大分子的作用方式稱為光動力學反應。此外，Ⅱ型反應同Ⅰ型反應一樣，也能產生ROS，ROS 通過破壞脂質、蛋白質和核酸等生物大分子而誘導細胞毒性，并通過凋亡和非凋亡途徑導致細胞死亡。Ⅰ型和Ⅱ型反應可同時發生，何種反應占主導取決于光敏劑的類型、濃度和氧的濃度，以及所涉及的靶標細胞的基因型和抗氧化能力［8］。

Ⅰ型和Ⅱ型反應均是光敏劑在有氧氣存在的條件下，與氧反應生成氧化產物，故而曾經一度認為氧氣是光活化毒殺過程中必不可少的條件。但隨著對光敏氧化機理認識的逐步深入，后來的研究結果證明即使在無分子氧存在的條件下，光活化農藥也能發揮其毒殺作用，稱為III 型反應［6］。即T1光敏劑在無氧氣的情況下與生物分子直接反應。例如，3，4-吡喃酮和含4，5-呋喃雙鍵的呋喃香豆素類化合物在紫外光（ultraviolet A，UVA）照射下，在光反應位點與胸腺嘧啶的5、6 位置上的雙鍵通過［2+2］環加成反應，生成DNA 單加合物，而形成的單加合物繼續吸收第二個UVA 光子，進一步與DNA 互補鏈上的胸腺嘧啶反應，產生鏈間交聯并阻止DNA 的復制［9］。這種光活化反應依賴于吡喃酮和呋喃環雙鍵的存在，形成的雙加合物僅僅在某些線性構型中發生，并且與核苷酸序列有關［3］。此外，大多數Ⅰ型反應的光活化農藥受光激活后，可與細胞器和細胞核反應，嵌入DNA雙鏈形成共價加合物，干擾RNA 轉錄與DNA 復制，產生遺傳性毒性，并伴隨氫原子和電子轉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物的反應，稱為光活化誘發毒性反應。

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

2 光活化農藥的結構類型

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［10］，廣泛存在于動物、植物及微生物細胞中。δ-ALA 在生物體內可以通過血紅素、葉綠素等生物合成途徑積累足夠數量的內源性光敏劑四吡咯化合物，并在光照下誘導產生1O2，對細胞造成氧化損傷。由于δ-ALA 的光敏特性，在自然界中易降解、無殘留，對人畜無毒性，故其作為一種環境友好型的光活化農藥備受關注。在農業生產中，由于低濃度的δ-ALA 通過提高硝酸還原酶的活性來調節葉綠素的合成，并提高光的效率、促進植株呼吸等基礎生理活性，故δ-ALA 可作為植物生長調節劑促進作物生長，進而提高作物產量與品質［11］。此外，添加外源δ-ALA 可有效清除植株體內的活性氧，降低膜脂過氧化損傷程度，從而緩解鹽脅迫對植株生長的抑制，提高植物對環境的適應性［12］。

δ-ALA 在生物膜中擴散能力差，只有使用高劑量的δ-ALA，才能使其達到足以進行光活化毒殺的水平防治農業害蟲。為此許多文獻報道了δ-ALA衍生物的研究工作。如通過添加2，2'-聯吡啶作為誘導劑誘導δ-ALA 轉化成四氫吡咯2（圖2），可增強對害蟲的光動力活性。Rebeiz 等［13］將40 mmol/L δ-ALA 和30 mmol/L 2，2'-聯吡啶溶液在14 h 光照/10 h 黑暗下處理粉紋夜蛾幼蟲，發現黑暗條件下化合物3（原葉琳IX）在蟲體內大量富集，87 h 后對粉紋夜蛾幼蟲毒殺效果達到80%。Kloek 等［14］對5-氨基乙酰丙酸的羧酸和氨基進行修飾，合成出幾種潛在的光敏化合物4（圖2）。Kolossov 等［15］通過對羧酸（即R1）用甲基、乙基、丁基修飾，合成具有光敏殺蟲和除草活性化合物。

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 卟啉類化合物

卟啉是一類通過次甲基將4 個吡咯環相連形成的共軛骨架大環化合物，卟啉類化合物多為天然產物，在自然界中卟啉化合物構成了血紅蛋白、葉綠素及細胞色素等生物大分子的核心部分，并參與生物體內重要的生物合成［16］。由于卟啉類化合物含大π共軛骨架，其在紫外可見光區對光子有強吸收，能夠產生高量子產率（≥0.7），且長壽命的激發三重態，并產生1O2對生物體造成光敏損傷，而無光照時卟啉類化合物無毒性［17-18］。卟啉類化合物大多來源天然產物，也可進行結構修飾，合成卟啉類衍生物。Tosk 等［19］以血卟啉為基本骨架合成出血卟啉衍生物，發現在光照下，化合物5（圖3）對致倦庫蚊幼蟲的毒殺活性顯著。陳志龍等［20-22］對卟啉進行修飾與改造，合成了卟啉類似物6、7、8（圖3），這類化合物不僅能夠抑制癌細胞增殖，對果蠅也有優良的毒殺活性。

卟啉類化合物葉綠素a 的降解產物脫鎂葉綠酸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］利用激光光解時間分辨吸收技術和自旋捕獲EPR 技術對葉綠素衍生物9（焦脫鎂葉綠酸-a）的光活化機制進行了研究，發現該化合物在實驗檢測的波長范圍內都有較強的吸收，且三重激發態的量子產率高，并通過與基態氧發生能量轉移生成的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藥加以使用（圖4）。沈生榮等［24］研究了焦脫鎂葉綠酸-a 對粉蚊夜蛾的Tn-5B1-4 細胞有顯著的光活化毒性，發現其對鱗翅目害蟲具有顯著胃毒作用。陳志龍等［25］以蠶砂為原料提取葉綠素a，經降解處理，制備葉綠素衍生物10（紫紅素-18），表現出較好的光活化殺蟲特性。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物11（二氫卟吩e6）對尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）菌絲徑向生長和分生孢子萌發具有光敏抑制作用［26］。

圖3 卟啉類衍生物的結構Fig.3 Structures of porphyrin derivatives

圖4 葉綠素衍生物的結構Fig.4 Structures of chlorophyll derivatives

2.3 噻吩、噻唑、噁唑、噻嗪類化合物

2.3.1 噻吩類 噻吩類化合物大量存在于菊科植物中，對多種傳病蚊蟲、線蟲、螨類具有很好的光敏殺蟲活性，代表性光活化農藥是α-三聯噻吩（α-T），光活化比在18.0～555.6 之間［3］?；讦?T優良的光敏特性，國內外研究者以α-T 為先導化合物，對其結構進行修飾，引入具有良好生物活性的官能團或多元雜環，合成α-三聯噻吩類衍生物，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］進一步合成了R 為羥基，R1為甲基，R2、R3為苯基時的噻吩衍生化合物13，研究發現在質量濃度50 mg/L 條件下，化合物13 在紫外光照射后48 h，能100%殺死對有機磷農藥產生抗性的二斑葉螨。

圖5 噻吩類化合物的結構Fig.5 Structures of thiophene compounds

Morand 等［29］對α-三聯噻吩的2 位和2'位進行修飾，合成出α-三聯噻吩衍生化合物14，當R1為甲基，R2為氫時的衍生化合物對伊蚊幼蟲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的殺蟲活性結構引入到噻吩中，設計出氨基甲酸多聯噻吩酯類化合物15，該類化合物由于兼具氨基甲酸酯的高效殺蟲特性和三聯噻吩的光敏特性，使得此類結構對致庫倦蚊4 齡幼蟲的殺蟲活性進一步增強，并延緩抗藥性產生［30］。該課題組在α-三聯噻吩中間插入炔鍵，合成了α-三聯噻吩類似化合物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，并發現化合物16、17、18 中芳環含供電子基時，對小菜蛾3 齡幼蟲具有很好的光敏毒性［31］。該課題組在化合物18 的基礎上，將天然的除蟲菊酯結構偶聯到α-三聯噻吩類似物中，得到菊酯類化合物19，并對斜紋夜蛾細胞SL 具有很強的光活化毒性，與天然的除蟲菊酯活性相比，其對細胞的毒性差異不顯著［32］。羅志剛等［33］以α-三聯噻吩為先導化合物，分別合成兩類含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）光照前后對斜紋夜蛾卵巢細胞毒性差異為64.06倍，而吡唑啉類衍生化合物22 整體顯示出較高的細胞毒殺活性，其中化合物22（R=CH3）光照細胞毒殺活性為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 種未報道過的噻吩芳基吡唑類化合物23，通過測定了化合物的光活化殺蟲活性，發現目標化合物均具有一定的光活化殺蟲活性，其中化合物23（R3=Bu）的光照組與黑暗組LC50值差異表現最為明顯，表現出明顯的光活化性質。另外，一些噻吩類衍生物如2，5-二苯基噻吩在紫外光照射下對稗草和馬唐有很強的抑制作用［35］。江定心等［36］合成了一系列4 炔基硅烷類化合物，其中化合物20 對4齡伊蚊幼蟲具有很強的光化學毒性，光化學毒性比原來增強了69.58 倍。

圖6 α-三聯噻吩類衍生物結構Fig.6 Structures of α-trithiophene derivatives

圖7 噻唑、噁唑類衍生物結構Fig.7 Structures of thiazole and oxazole derivatives

2.3.2 噻唑、噁唑類 作為噻吩的電子等排體噻唑、噁唑類化合物，被設計合成并顯示較好的光活化活性。Lutomski 等［37］設計合成的化合物24（圖7）在光照下顯示殺蟲、殺螨、殺線蟲的活性，而在100 mg/L 質量濃度下，化合物25 在UV 照射下，對二斑葉螨有明顯毒殺作用。在前期研究的基礎上，Lutomski 等［38］將炔鍵插入噻唑結構中，合成噻唑衍生化合物26、27，這兩類結構具有光動力殺螨和殺蟲活性，特別是化合物26，當R1=Ph、R2=4-ClC6H4、R3=H 時，在50 mg/L 質量濃度下，化合物26 經過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］合成的噻唑類化合物28 與Lutomski 等合成的化合物24 類似，不同之處是化合物28是噻唑與噻吩連接修飾的部分較多，此類結構對蚊子幼蟲有顯著的光化學毒性。Lutomski 等［40］進一步合成了噻吩偶聯噻唑類化合物29，當R1=CO2Et、R2=4-CF3時，在200 mg/L 質量濃度下，化合物29 經UV 照射后，能有效殺滅70%的粉紋夜蛾。錢旭紅課題組［41］合成了以噻二唑或噁二唑偶聯三聯噻吩類似物30，發現這類結構對2 齡南方粘蟲有很好的光活化毒性，并對pBR322 質粒DNA 有光裂解效應。

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

2.4 苯炔類

苯炔類化合物也是一類重要的光活化農藥，如1-苯基-1，3，5-庚三炔34 表現出優越的光化學活性，對蚊子、蒼蠅等幼蟲有很強的光活化毒性［46］。徐漢虹課題組［47］發現從豬毛蒿（Artemisia saparia）精油中提取的活性成分茵陳二炔（1-苯基-2，4-己二炔）對斜紋夜蛾3 齡幼蟲有光活化毒殺活性。該課題組將氨基甲酸酯類活性基團與炔烴相連，設計出光活化殺蟲劑氨基甲酸多炔苯酯化合物35，該化合物可以提高對致倦庫蚊的殺蟲活性，并能延緩致倦庫蚊對此類殺蟲劑的抗藥性［30］。此外，還合成了雙苯炔苯類化合物36，但其光化學活性較α-三聯噻吩差［31］。進一步將菊酯類農藥活性基團連接到炔烴上，合成出氯丙炔菊酯的二炔衍生化合物37（圖9），在500 μg/mL 質量濃度下處理斜紋夜蛾細胞，光照24 h 后，表現出良好的抑制活性，抑制率可達92.95%［48］。

2.5 苝醌類化合物

苝醌衍生物是以4，9-二羥基-3，10 苝醌為骨架的一類化合物，廣泛分布于真菌及動植物體內，其光敏特性研究起始于食草動物取食金絲桃屬植物后，在光照下表現出發熱甚至死亡現象。自然界中許多種屬的真菌均能產生苝醌類次生代謝產物，其中多種苝醌類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）。而植物次生代謝產物金絲桃蒽酮（hypericin，44）、昆蟲次生代謝產物喇叭蟲素（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。其中竹紅菌素類作為光活化農藥研究較多，張志義等［49］研發了一種含竹紅菌甲素的殺蟲劑，它不僅對棉鈴蟲有很好的防效，而且對棉花不易產生藥害，對天敵有保護作用。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，且毒性低，可用于蔬菜、瓜果的病害防治。趙井泉等［51］研發的一種含竹紅菌乙素的殺蟲劑，對棉鈴蟲也有一定防效。盡管苝醌類化合物在自然界中廣泛分布，但其量有限；盡管可以通過化學合成，但工藝復雜，成本過高，故很大程度上限制了苝醌類光活化農藥的應用研究。目前大多通過發酵等生物合成方式獲取苝醌類化合物，主要在農藥復配中使用。一方面能增強農藥藥效，另一方面發揮光照下光活化毒性效果。

圖8 吩噻嗪類衍生化合物Fig.8 Phenothiazine derivatives

圖9 苯炔類衍生物結構Fig.9 Structures of phenyne derivatives

圖10 苝醌類衍生物的結構Fig.10 Structures of perylene quinones derivatives

2.6 黃素類化合物

石炭酸灌木是一種生長在沙漠中的高大樹木，會分泌出一種有毒的油，殺死它附近生長的所有植被［44］，從該家屬植物中分離出有很好光化學活性的姜黃素49（圖11）。姜黃素廣泛分布于姜科姜黃屬植物如姜黃、莪術、郁金等根莖中的天然酚類物質，具有抗炎、抗氧化、抗菌及抑制癌細胞生長等多種藥理作用，多用于醫療保?。?2］。研究發現姜黃素是一種潛在的光敏劑，其在波長470 nm LED藍色光源下，可激活姜黃素發揮其光敏活性［53］?；诮S素良好的光化學活性，不少研究者將其作為重要的先導化合物。劉志昌等［54］將姜黃素中1，3-二酮修飾成嘧啶結構，合成了姜黃素取代嘧啶類衍生物50，在農用或獸用中作為殺菌或殺蟲劑。黃齊茂等［55］利用姜黃素結構中的酚羥基通過共價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 結合能力較強。

圖11 姜黃素類衍生物結構Fig.11 Structures of curcumin derivatives

2.7 呋喃并香豆素類化合物

呋喃香豆素類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物，目前分離獲得200 多種呋喃香豆素類化合物。Kuske 發現從佛手柑果實中分離出的佛手柑內酯具有光活化特性，并首次發現了呋喃香豆素具有光敏活性［56］。隨后，發現了許多呋喃并香豆素具有光活化毒性，如化合物52、53，呋喃并色酮類化合物54等（圖12）。盡管呋喃并香豆素類化合物可用于光動力治療，但其光敏特性會損害人體皮膚，甚至引起局部皮膚疾病。一些研究通過對呋喃香豆素的兩個雙鍵進行修飾合成呋喃并香豆素類衍生物，避免其同時與DNA 雙鏈上的堿基發生反應形成雙交鏈物，從而避免人體產生癌變、皮膚疾病等副作用。呋喃并香豆素類化合物在光活化農藥上的研究源于Berenbaum 報道花椒毒素52 對亞熱帶黏蟲幼蟲的光活化毒性，但后續研究發現植物源呋喃并香豆素類光活化農藥對昆蟲的光毒作用不如對哺乳動物顯著。由于天然呋喃并香豆素類化合物的農用活性不理想，可通過增加其結構中的π共軛體系，合成呋喃并香豆素類衍生物，增強此類化合物對光的吸收，增強光敏活性。

圖12 幾種香豆素類化合物Fig.12 Several coumarin compounds

2.8 染料殺蟲劑

對光敏劑殺蟲活性的發現最早是從一些染料光敏性質開始的，其中殺蟲活性最好的是鹵代呫噸類染料，此類化合物屬于合成類光敏毒素，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］（見圖3）。最早發現該類物質對家蠅有很好的光化學毒性，隨后對黃粉蟲、象鼻蟲的光化學活性測試表明，該類物質在光照下殺蟲活性增強。

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

3 展 望

光作為農田生態系統中最基本的環境因子對農藥藥效有重要影響。由于部分農藥見光易降解，導致藥效降低；但隨之出現農藥難降解、長時間殘留等環境污染問題，使得農藥研發由光穩定型向光活化型方向轉變。光活化農藥以光為激發因子發揮其光敏活性，其本身不直接參與毒性反應，僅作為傳遞光子能量的介質，發揮活性作用。該過程也是活性成分本身光降解的過程，故其環境兼容性好，避免了在環境中的持久殘留。此外，由于光活化農藥依靠光激發下產生1O2或自由基，可直接破壞生物膜和生物大分子結構，使其具有高效的毒殺作用，而Ⅰ型和Ⅱ型的獨特作用方式使活性氧和自由基產生的作用位點多，故昆蟲不易產生抗性，同時也不易與化學合成農藥產生交互抗性。盡管光活化農藥具有傳統農藥無法比擬的優點，但大多數光活化農藥的活性成分只能被紫外光激發，在陰雨天不能很好發揮活性，易受天氣限制。國內外研究者通過化學結構修飾，合成了噻吩、苯炔、萘并吡喃類衍生物，并發現了一些光敏毒性較好的光活化農藥。此外，對光敏劑作用機制研究更深入的是在醫學領域，而在農林領域主要是對蚊蠅等衛生害蟲做研究，故今后應增強對其他有害生物的毒殺作用研究，并加強在細胞水平及亞細胞水平上作用機制的系統研究，加快光活化農藥從試驗研究向田間應用的轉換。