中國(guó)綠色農(nóng)藥的研究和發(fā)展

邵旭升，杜少卿，李 忠，錢旭紅*

(1.華東理工大學(xué) 藥學(xué)院，上海市化學(xué)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237；2.華東理工大學(xué) 生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237)

1 綠色農(nóng)藥

1.1 綠色農(nóng)藥的定義

農(nóng)藥研究和工業(yè)的快速發(fā)展確保了我國(guó)糧食安全、食品安全和貿(mào)易安全。目前，中國(guó)是農(nóng)藥的主要用戶、生產(chǎn)商和出口商。973計(jì)劃(國(guó)家基礎(chǔ)研究計(jì)劃)、863計(jì)劃(國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及到 2020年農(nóng)藥使用零增長(zhǎng)行動(dòng)計(jì)劃等重大項(xiàng)目大大促進(jìn)了中國(guó)綠色農(nóng)藥的發(fā)展。2002年9月，“第188屆香山科學(xué)大會(huì)”在北京舉行，會(huì)議的主題是“綠色農(nóng)藥”，與會(huì)者討論了農(nóng)藥研發(fā)的未來趨勢(shì)和挑戰(zhàn)。受“綠色化學(xué)”的啟發(fā)，科學(xué)家們提出了“綠色農(nóng)藥”概念，鼓勵(lì)科學(xué)家開始綠色農(nóng)藥創(chuàng)新。結(jié)合“綠色化學(xué)”和“綠色工程”的定義，提出了“綠色農(nóng)藥”的定義：⑴ 高活性。在田間對(duì)靶標(biāo)昆蟲具有超高活性，并且用量低。⑵ 選擇性好。對(duì)有益物種或天敵的毒性低或無毒性。⑶ 低風(fēng)險(xiǎn)。不影響正在生長(zhǎng)的植物或農(nóng)作物。⑷ 無殘留。農(nóng)產(chǎn)品或環(huán)境中無殘留，易降解為無毒物質(zhì)。⑸ 清潔生產(chǎn)。使用無毒的起始原料，在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生廢物。

1.2 中國(guó)綠色農(nóng)藥的研究與發(fā)展概況

中國(guó)的綠色農(nóng)藥研究在過去10年中發(fā)展迅速。中國(guó)現(xiàn)已有約20家農(nóng)藥研究相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)和公司(圖1)。中國(guó)政府對(duì)農(nóng)藥研發(fā)的投入逐年增長(zhǎng)，并實(shí)施了一些重大的綠色農(nóng)藥項(xiàng)目。華東理工大學(xué)錢旭紅院士主持的2個(gè)973計(jì)劃大大提升了我國(guó)綠色農(nóng)藥的創(chuàng)新能力，貴州大學(xué)宋寶安院士和華東理工大學(xué)李忠教授主持的2個(gè)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)研究綠色農(nóng)藥的開發(fā)和應(yīng)用。通過這些項(xiàng)目的實(shí)施，我國(guó)已經(jīng)建立了較為完整的農(nóng)藥研發(fā)體系(圖2)，共發(fā)表論文約1 600篇，申請(qǐng)專利500多項(xiàng)，12個(gè)農(nóng)藥新品種獲得正式登記。

2 中國(guó)綠色農(nóng)藥的基礎(chǔ)研究

2.1 計(jì)算化學(xué)在農(nóng)藥研究中的應(yīng)用

2.1.1 基于突變的生物大分子定量結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系

南開大學(xué)席真等提出了一種基于突變的生物大分子定量結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系方法，該方法可以定量預(yù)測(cè)生物體內(nèi)存在的其他結(jié)構(gòu)的突變化學(xué)抗性和選擇性。該模型可以為農(nóng)藥設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的 3D信息，為酶的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系提供了新的見解[1,2]。

2.1.2 農(nóng)藥發(fā)現(xiàn)的Web平臺(tái)

華中師范大學(xué)楊光富教授致力于農(nóng)藥的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以及開發(fā)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)促進(jìn)農(nóng)藥研發(fā)(圖3)。建立了多個(gè)農(nóng)藥成藥性預(yù)測(cè)平臺(tái)，以加快靶標(biāo)識(shí)別、先導(dǎo)發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和候選化合物搜索。農(nóng)藥及其作用靶標(biāo)缺乏足夠的信息支撐是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)最重要挑戰(zhàn)之一。因此，確定農(nóng)藥靶標(biāo)對(duì)農(nóng)藥設(shè)計(jì)具有重要意義。反向?qū)邮且环N強(qiáng)大的目標(biāo)識(shí)別方法，他們開發(fā)了自動(dòng)共識(shí)逆向?qū)覹eb服務(wù)器，以搜索給定小分子的潛在結(jié)合靶標(biāo)[3-5]

錢旭紅院士還開發(fā)了農(nóng)藥與靶標(biāo)相互作用數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，該平臺(tái)包括13 740個(gè)農(nóng)藥與4 240個(gè)蛋白質(zhì)之間的相互作用數(shù)據(jù)。此平臺(tái)還收集了1 340個(gè)農(nóng)藥完整的生態(tài)毒理學(xué)和毒理學(xué)數(shù)據(jù)。該平臺(tái)是一個(gè)基于Web的數(shù)據(jù)庫(kù)，已被開發(fā)為可識(shí)別農(nóng)藥目標(biāo)并設(shè)計(jì)新型農(nóng)藥的計(jì)算平臺(tái)。

圖1 中國(guó)農(nóng)藥創(chuàng)制研究公司和機(jī)構(gòu)的分布

圖2 中國(guó)農(nóng)藥研究機(jī)構(gòu)的研究方向

圖3 楊教授以計(jì)算化學(xué)生物學(xué)進(jìn)行農(nóng)藥發(fā)現(xiàn)的研究

2.2 農(nóng)藥靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)

大連理工大學(xué)楊青教授的課題組針對(duì)亞洲玉米螟(Ostrinia furnacalis)的3種幾丁質(zhì)分解酶家族成員進(jìn)行分子表征和生物學(xué)功能分析。解析了鱗翅目昆蟲所有關(guān)鍵幾丁質(zhì)代謝酶的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，包括幾丁質(zhì)水解酶(Hex1、ChtI、ChtII、Cht-h)和幾丁質(zhì)修飾酶(CDA1、CDA8)，還解析了與抑制劑復(fù)合的2種酶的晶體結(jié)構(gòu)[6]。

2.3 基于天然產(chǎn)物的農(nóng)藥衍生化

中國(guó)幅員遼闊，植物、微生物和海洋生物種類繁多，其中一些動(dòng)植物僅在中國(guó)發(fā)現(xiàn)。這是一個(gè)巨大的天然產(chǎn)品庫(kù)。如基于天然產(chǎn)物寶庫(kù)，我國(guó)已經(jīng)開發(fā)了4種殺菌劑(圖4)。

西北農(nóng)林科技大學(xué)吳文君教授開發(fā)了一種由殺蟲植物苦皮藤(Celastrus angulatusMaxim)制成的殺蟲產(chǎn)品，其中的活性化合物對(duì)鱗翅目昆蟲具有高活性，并作用于新型靶標(biāo) V-ATPase[7]。南開大學(xué)汪清民教授對(duì)海洋天然產(chǎn)物進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了一系列活性化合物，如蘆竹堿(gramines)類似物[8]和匹普利寧(pimprinine)[9]生物堿具有良好的抗病毒活性。西北農(nóng)林科技大學(xué)徐暉教授對(duì)苦參堿進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，發(fā)現(xiàn)苦參堿的內(nèi)酰胺環(huán)對(duì)電壓門控鈉離子通道的作用至關(guān)重要，并發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)白蟻具有出色殺蟲活性(LC50=0.19 mg/L)的化合物。他們對(duì)從植物鬼臼中分離出來的鬼臼毒素進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾并制備了多種具有殺蟲活性的衍生物[10]。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.4.1 中間體衍生法

沈陽(yáng)化工研究院劉長(zhǎng)令研究員開發(fā)了用于農(nóng)藥創(chuàng)制的中間體衍生方法。該方法主要包含：⑴ 普通中間體法；⑵ 末端基團(tuán)置換方法；⑶ 活性化合物衍生化方法。基于該方法，他們開發(fā)了多個(gè)商品化品種如殺菌劑丁香菌酯、唑菌酯、唑胺菌酯和殺螨劑嘧螨胺均已獲得農(nóng)藥正式登記[11]。

2.4.2 雙酰胺殺蟲劑的結(jié)構(gòu)修飾

南開大學(xué)李正名院士研究發(fā)現(xiàn)氟蟲酰胺與小菜蛾魚尼丁受體中的亮氨酸和絲氨酸殘基結(jié)合，但不能有效結(jié)合兔的RyR1?；诖?，他們對(duì)商品化殺蟲劑進(jìn)行了系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化[12,13]。其中活性較好的化合物在10 mg/L的濃度下對(duì)黏蟲幼蟲的殺死率可以達(dá)到100%。

圖4 4種基于天然產(chǎn)物的殺菌劑

2.4.3 含苯并雜環(huán)的二酰基肼類化合物

基于棉鈴蟲蛻皮激素受體的晶體結(jié)構(gòu)，南開大學(xué)汪清民教授設(shè)計(jì)并合成了一系列新型的雙酰肼衍生物(圖5)。對(duì)甜菜夜蛾、小菜蛾和玉米螟的經(jīng)口毒性表明雙酰肼類似物對(duì)不同的鱗翅目害蟲具有明顯的選擇性[14]。

2.4.4 苯甲酰脲類昆蟲生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑

南開大學(xué)汪清民教授基于除蟲脲的SUR蛋白結(jié)合位點(diǎn)，合成了含有磺酸鹽、酰胺基和肟醚基以及異噁唑啉和異噁唑部分的新苯甲酰脲化合物(圖6)。這些化合物對(duì)東方黏蟲、蚊、小菜蛾、甜菜黏蟲和玉米螟具有極好的殺蟲活性[15-18]。此外，通過關(guān)鍵中間體合成了 2個(gè)系列含肟醚部分的新型 2,4-二苯基-1,3-噁唑啉-二氟苯甲酰胺。生物測(cè)定結(jié)果表明，4-苯基對(duì)位取代的化合物具有優(yōu)異的殺螨活性[19,20]。

2.4.5 作用于蚜蟲化學(xué)信息通訊系統(tǒng)的新型害蟲行為控制劑

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)楊新玲教授基于蚜蟲化學(xué)信息通訊系統(tǒng)，以該系統(tǒng)中的重要?dú)馕督Y(jié)合蛋白(OBP)為靶標(biāo)，以蚜蟲報(bào)警信息素(E)-β-法尼烯(EBF)為先導(dǎo)，設(shè)計(jì)了多種EBF類似物，并測(cè)試了它們與OBP的蛋白結(jié)合能力和驅(qū)避活性。結(jié)果表明，部分含酯基的EBF類似物對(duì)蚜蟲具有明顯的驅(qū)避活性；除了已報(bào)道的ApisOBP3外，該課題組首次發(fā)現(xiàn)，ApisOBP7和/或ApisOBP9也能介導(dǎo)EBF及其類似物的感知。分子對(duì)接的研究結(jié)果表明，化合物和OBP之間的疏水相互作用有利于驅(qū)避活性[21,22]。

圖5 雙酰肼衍生物改造思路

圖6 高活性苯甲酰脲類似物的分子設(shè)計(jì)

3 中國(guó)原創(chuàng)農(nóng)藥

迄今為止，中國(guó)已開發(fā)出 16個(gè)商品化殺蟲劑(圖 7)、22個(gè)商品化殺菌劑(圖 8)、7個(gè)商品化除草劑(圖9)和4個(gè)其他類型的農(nóng)藥(圖9)。

圖7 中國(guó)開發(fā)的殺蟲劑結(jié)構(gòu)

圖8 中國(guó)開發(fā)的殺菌劑結(jié)構(gòu)

毒氟磷是由貴州大學(xué)宋寶安院士開發(fā)的氨基膦酸酯類化合物，是第一個(gè)針對(duì)南方稻黑條矮病毒(SRBSDV)的防治藥劑。毒氟磷是植物抗病毒劑，對(duì)煙草花葉病毒(TMV)、黃瓜花葉病毒和馬鈴薯Y病毒具有良好的抗病毒活性。毒氟磷是系統(tǒng)獲得性抗藥性(SAR)的免疫激活劑，可通過調(diào)節(jié)茉莉酸賦予細(xì)胞抗病毒活性信號(hào)通路[23]。

南開大學(xué)李正名院士發(fā)現(xiàn)的單嘧磺隆是一種磺酰脲類除草劑，可以有效防除谷子田雜草，而對(duì)谷子幼苗安全。Cyclopyriofenone是一種HPPD抑制劑，它對(duì)常規(guī)除草劑具有抗性的看麥娘具有良好的功效，多個(gè)省份的田間試驗(yàn)證實(shí)了其良好的防治效果。丁香菌酯是沈陽(yáng)化工研究院劉長(zhǎng)令開發(fā)的殺菌劑，它對(duì)蘋果樹腐爛病和水稻紋枯病具有優(yōu)異的防治效果。疏螺體素(borrelidin)是東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向文勝教授開發(fā)的十八元環(huán)大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，可用于控制大豆疫病，其IC95為0.026 g/mL，比甲霜靈(IC95=6.85 g/mL)高263.5倍。

華東理工大學(xué)李忠教授課題組致力于研究順式新煙堿類殺蟲劑，以解決抗性和蜂毒問題[24]。該課題組合成了一系列新穎新煙堿類殺蟲劑，例如多環(huán)類似物[25]、氧雜或氮雜橋接的新煙堿[26]和螺環(huán)新煙堿[27](圖 10)[28]，開發(fā)了哌蟲啶(paichongding)和環(huán)氧蟲啶(cycloxaprid) 2個(gè)新煙堿殺蟲劑，并獲得農(nóng)藥正式登記，其中環(huán)氧蟲啶對(duì)半翅目害蟲具有優(yōu)異的殺蟲活性，同時(shí)對(duì)抗性昆蟲(如褐飛虱和煙粉虱)的活性比吡蟲啉高30～100倍。

圖9 中國(guó)開發(fā)的除草劑和其他農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)

圖10 順式新煙堿的分子設(shè)計(jì)以及paichongding和cycloxaprid的結(jié)構(gòu)

4 未來趨勢(shì)

中國(guó)每年受到害蟲、雜草和植物病原菌侵害的作物種植總面積達(dá)12 190億平方米。中國(guó)的農(nóng)業(yè)病蟲害有1 648種，其中包括724種植物病害、838種昆蟲(線蟲)、64種雜草和22種嚙齒動(dòng)物。盡管中國(guó)已成為農(nóng)藥的最大生產(chǎn)國(guó)、出口國(guó)，但中國(guó)綠色農(nóng)藥創(chuàng)制能力仍然落后，未來的目標(biāo)是建立具有中國(guó)特色的農(nóng)藥研發(fā)體系，針對(duì)中國(guó)特色作物(例如綠豆、蕎麥和青稞)病蟲草害防治藥劑的創(chuàng)制是未來的研究方向。

中國(guó)幅員遼闊，植物、微生物和海洋生物種類繁多，其中一些僅在中國(guó)發(fā)現(xiàn)，這是巨大的天然產(chǎn)物寶庫(kù)。以殺菌劑為例，在中國(guó)，已報(bào)道有殺菌活性的植物有400多種，已經(jīng)從天然產(chǎn)物中開發(fā)了 6種商品化的殺菌劑。因此，基于天然產(chǎn)物庫(kù)的農(nóng)藥研發(fā)是中國(guó)未來綠色農(nóng)藥研究的方向之一。