葉德興, 周源琳, 張怡萌, 陳黛妮, 楊新玲

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系 農(nóng)藥創(chuàng)新研究中心，北京 100193)

農(nóng)藥作為農(nóng)業(yè)的重要生產(chǎn)資料，在控制病蟲(chóng)草害、保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全等方面做出了卓越貢獻(xiàn)。農(nóng)藥隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展和環(huán)境安全的要求提高而不斷更新?lián)Q代，以殺蟲(chóng)劑為例，先后經(jīng)歷了低效高毒的無(wú)機(jī)農(nóng)藥、高效高毒的有機(jī)農(nóng)藥、高效低毒的仿生有機(jī)農(nóng)藥和高效低風(fēng)險(xiǎn)的生態(tài)友好型農(nóng)藥時(shí)期 (圖1)。近年來(lái)，一些農(nóng)藥如吡蟲(chóng)啉等新煙堿類(lèi)殺蟲(chóng)劑由于對(duì)蜜蜂產(chǎn)生毒害，已被歐盟、美國(guó)等許多國(guó)家或地區(qū)禁用[1]。此外，魚(yú)尼丁類(lèi)殺蟲(chóng)劑如氯蟲(chóng)苯甲酰胺對(duì)小型甲殼類(lèi) (水蚤) 等水生生物和家蠶等陸生生物具有不同程度的毒性[2]。因此，開(kāi)發(fā)生態(tài)友好型殺蟲(chóng)劑迫在眉睫。2020年，一種源自藍(lán)山漏斗網(wǎng)蜘蛛Hadronyche versuta的多肽類(lèi)殺蟲(chóng)劑Spear?榮獲美國(guó)總統(tǒng)“綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng) (小企業(yè)獎(jiǎng))”，該殺蟲(chóng)劑對(duì)刺吸式口器害蟲(chóng)(蚜蟲(chóng)、薊馬、飛虱等) 高效、對(duì)哺乳動(dòng)物和蜜蜂安全且生態(tài)友好[3]，殺蟲(chóng)活性肽因此成為農(nóng)藥研發(fā)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。本文將主要從來(lái)源和作用方式等角度，綜述近年來(lái)殺蟲(chóng)活性多肽的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)研究趨勢(shì)進(jìn)行展望。

圖1 不同時(shí)期農(nóng)業(yè)背景下的殺蟲(chóng)劑發(fā)展歷程Fig. 1 The development of insecticides in different periods of agriculture

1 殺蟲(chóng)活性多肽簡(jiǎn)介

多肽是由至少兩種以上氨基酸按照一定的排列順序通過(guò)肽鍵結(jié)合而成的化合物，也是蛋白質(zhì)降解的中間產(chǎn)物，其分子量大小介于小分子和蛋白質(zhì)之間。1902 年，英國(guó)倫敦大學(xué)的兩位生理學(xué)家Bayliss 和Starling 在動(dòng)物胃腸里發(fā)現(xiàn)了由27 個(gè)氨基酸殘基組成的促胰液素，具有促進(jìn)胃酸分泌、抑制胃泌素釋放以及抑制腸道蠕動(dòng)等功能，這是人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)的多肽物質(zhì)，他們因此獲得諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)，至此，多肽物質(zhì)正式出現(xiàn)在科學(xué)研究之中[4]。此后人們發(fā)現(xiàn)多肽作為生命體內(nèi)重要的生理調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有多種生物學(xué)功能，如調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能活動(dòng)、作為神經(jīng)遞質(zhì)傳遞信息、作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸工具輸送營(yíng)養(yǎng)等[5]，且具有高活性、低毒性、環(huán)境安全等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)藥、化妝品、保健品及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其是近年來(lái)伴隨著分子生物學(xué)和生物化學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，有關(guān)多肽的研究進(jìn)展迅速。例如，在醫(yī)藥領(lǐng)域，目前有超過(guò)80 余種多肽藥物獲得批準(zhǔn)進(jìn)入市場(chǎng)，在腫瘤、心血管疾病、糖尿病、免疫疾病等方面療效顯著，此外還有50 多種多肽藥物處于臨床開(kāi)發(fā)期，400～600 種多肽藥物正處于臨床前的研究[6]。

鑒于多肽藥物在醫(yī)藥領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，諸多學(xué)者開(kāi)始探索多肽在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的可能性。人們?cè)谔剿鬟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些多肽物質(zhì) (如抗菌肽、昆蟲(chóng)神經(jīng)肽、植物環(huán)肽等) 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可用于作物品質(zhì)改良、動(dòng)物飼料、食品保健、植物病蟲(chóng)害防治等。多肽與傳統(tǒng)殺蟲(chóng)劑相比具有高活性、高選擇性、且降解后對(duì)環(huán)境和非靶標(biāo)生物安全等優(yōu)點(diǎn)，因此具有開(kāi)發(fā)為殺蟲(chóng)劑的巨大潛力。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)了一些成功應(yīng)用的例子，例如來(lái)源于植物環(huán)肽的商品化殺蟲(chóng)劑Sero-X?[7]、以及來(lái)自蜘蛛毒液的商品化多肽殺蟲(chóng)劑Spear?[3]的相繼問(wèn)世并斬獲多項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)，將多肽殺蟲(chóng)劑推向前所未有的浪潮。截止2022年，全球多肽殺蟲(chóng)劑產(chǎn)品登記數(shù)量已有4 種，其中美國(guó)登記產(chǎn)品3 種(http://npirspublic.ceris.purdue.edu/ppis/)，澳大利亞登記產(chǎn)品1 種(https://australianmade.com.au/licensees/innovate-ag/sero-x)。

筆者通過(guò)SciFinder 數(shù)據(jù)庫(kù)，以‘peptide’和‘insecticide’作為檢索詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 (圖2)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自1992 年至2022 年的30 年時(shí)間內(nèi)，以5 年為一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有關(guān)多肽類(lèi)殺蟲(chóng)劑的相關(guān)研究呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，尤其是近5 年就有1 493 篇相關(guān)報(bào)道。1993 年，Bland 等[8]就提出天然殺蟲(chóng)肽具有作為新型農(nóng)藥先導(dǎo)的潛力。2003 年，G?de 等[9]對(duì)昆蟲(chóng)神經(jīng)肽的生理學(xué)和在害蟲(chóng)控制中的潛在應(yīng)用進(jìn)行綜述和展望。2022 年，Gressel[10]提出了設(shè)計(jì)多肽殺蟲(chóng)劑來(lái)作為“不可成藥”靶標(biāo)的活性分子的觀點(diǎn)，使多肽殺蟲(chóng)劑有了更多的發(fā)展空間。由此可見(jiàn)，將多肽作為農(nóng)藥用于害蟲(chóng)防治，正成為越來(lái)越熱門(mén)的研究方向之一。此外，從檢索結(jié)果分析得知，至今已從自然界各種生物中成功分離得到許多具有殺蟲(chóng)活性的多肽，按來(lái)源可以分為動(dòng)物源、植物源和微生物源殺蟲(chóng)活性肽。

圖2 多肽殺蟲(chóng)劑的研究趨勢(shì) (1992—2022 年，數(shù)據(jù)源自Scifinder 數(shù)據(jù)庫(kù))Fig. 2 Research progress in the field of peptide insecticide from 1992 to 2022

2 源于動(dòng)物的殺蟲(chóng)活性多肽

經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，自然界里的一些動(dòng)物、特別是節(jié)肢動(dòng)物 (如蜘蛛、蝎子、螞蟻等) 和海洋動(dòng)物 (如水母、?？?、錐形蝸牛等) 分泌產(chǎn)生了特異性和對(duì)靶標(biāo)高效的毒液[11]，用于捕食獵物、防御天敵以及種內(nèi)交流與競(jìng)爭(zhēng)。這些動(dòng)物毒液是含有多肽和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的復(fù)雜混合物，諸多學(xué)者研究并發(fā)現(xiàn)多種動(dòng)物毒液具有殺蟲(chóng)活性，而毒液中的多肽是發(fā)揮殺蟲(chóng)作用的關(guān)鍵物質(zhì)。這些肽通常具有與傳統(tǒng)化學(xué)殺蟲(chóng)劑不同的作用模式，例如，在螞蟻[12-14]、蜜蜂[15-16]等動(dòng)物的毒液中所發(fā)現(xiàn)的殺蟲(chóng)活性多肽，可以選擇性地靶向某些害蟲(chóng)物種，而不影響有益的昆蟲(chóng)或脊椎動(dòng)物 (包括人類(lèi))，從而最大限度地減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。此外，昆蟲(chóng)自身體內(nèi)的內(nèi)源神經(jīng)肽及其類(lèi)似物也會(huì)影響昆蟲(chóng)的正常生長(zhǎng)發(fā)育等。本文對(duì)有關(guān)動(dòng)物源殺蟲(chóng)活性多肽的不同來(lái)源及其作用的主要靶標(biāo)害蟲(chóng)進(jìn)行了整理，并對(duì)源于動(dòng)物毒液的殺蟲(chóng)活性肽、以及昆蟲(chóng)神經(jīng)肽及其類(lèi)似物進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2.1 源于節(jié)肢動(dòng)物毒液的殺蟲(chóng)活性多肽

2012 年，Schwartz 等[17]綜述了在節(jié)肢動(dòng)物(如蜘蛛、蝎子、螞蟻和蜈蚣等) 毒液中發(fā)現(xiàn)的殺蟲(chóng)活性多肽，它們對(duì)鱗翅目、雙翅目、直翅目、鞘翅目等多種昆蟲(chóng)具有毒殺作用，但對(duì)哺乳動(dòng)物低毒或無(wú)毒。其中，來(lái)自蜘蛛和蝎子毒液的殺蟲(chóng)活性肽一般高達(dá)9 kDa，分子質(zhì)量較大，而且含有大量二硫鍵，可增加多肽在獵物體內(nèi)的穩(wěn)定性和對(duì)蛋白酶的抵抗力，使其降解速率降低。由于這些分子的穩(wěn)定性，它們可以通過(guò)在昆蟲(chóng)的血淋巴中擴(kuò)散而迅速到達(dá)其分子靶標(biāo)并發(fā)揮殺蟲(chóng)作用[18]。從表1 也可以看出，源自節(jié)肢動(dòng)物毒液里的殺蟲(chóng)肽大多是從蜘蛛和蝎子的毒液中提取得到的。

2.1.1 源于蜘蛛毒液的殺蟲(chóng)活性肽 據(jù)報(bào)道，每種蜘蛛毒液含有200 種左右的肽，在現(xiàn)存的10 萬(wàn)種蜘蛛物種里，其蜘蛛毒液保守估計(jì)可能含有多達(dá)2 000 萬(wàn)種生物活性肽，正因?yàn)槠潆y以置信的化學(xué)多樣性，使得蜘蛛毒液廣泛用于藥物與殺蟲(chóng)劑研發(fā)[19]。大多數(shù)蜘蛛毒液的主要成分為富含二硫鍵的小肽，它們通過(guò)靶向突觸前離子通道或突觸后受體殺死昆蟲(chóng)，目前報(bào)道的蜘蛛殺蟲(chóng)肽大部分(40.6%) 是從捕鳥(niǎo)蛛科 (Therafosidae) 家族的蜘蛛中分離出來(lái)的[20]。源自蜘蛛毒液的殺蟲(chóng)活性肽的主要優(yōu)點(diǎn)是它們具有顯著的殺蟲(chóng)效果以及對(duì)分子靶標(biāo)的選擇性。一些殺蟲(chóng)多肽還具有特殊的類(lèi)別選擇性，例如，沙漠灌木蜘蛛Diguetia canity毒液中的多肽β-diguetoxin-Dc1a[21]以及非洲狼蛛Augacephalus ezendami毒液中的多肽μ-theraphotoxin-Ae1a[22]，它們對(duì)德國(guó)蜚蠊Blattella germanica具有強(qiáng)大的殺蟲(chóng)作用，但不會(huì)顯著影響美洲大蠊Periplaneta americana。許多蜘蛛毒液具有胃毒活性[23-25]，如71%的蜘蛛毒液對(duì)果蠅具有胃毒殺蟲(chóng)作用[24]。此外，從地窖蜘蛛Segesteria florentina的毒液中分離出的SF1a 可以通過(guò)與植物凝集素Galanthus nivalis融合而顯著改善口服活性，該凝集素能將肽毒素附著在腸道上皮，并有效地將它們輸送到血細(xì)胞、馬氏管、脂肪體、卵巢和中樞神經(jīng)系統(tǒng)[26]。特別令人興奮的是，美國(guó)韋斯塔隆公司(Vestaron) 近年來(lái)以一種源自藍(lán)山漏斗網(wǎng)蜘蛛Hadronyche versuta毒液的多肽ω/κ-HXTXHv1a 為基礎(chǔ)，采用基因工程技術(shù)成功開(kāi)發(fā)出生態(tài)友好的殺蟲(chóng)肽—GS-ω/κ-HXTX-Hv1a，并以此多肽為活性成分推出兩個(gè)產(chǎn)品Spear?：1) Spear-T，專(zhuān)為溫室使用而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，旨在控制困擾溫室作物的四種主要害蟲(chóng)：薊馬、粉虱、蚜蟲(chóng)和螨蟲(chóng)。2) Spear-Lep，用于田間的水果、蔬菜和高價(jià)值作物的生物殺蟲(chóng)劑，主要防治鱗翅目害蟲(chóng)如毛毛蟲(chóng)、甘藍(lán)銀紋夜蛾、蠕蟲(chóng)。Spear?多肽殺蟲(chóng)劑對(duì)人類(lèi)、其他哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)、魚(yú)類(lèi)和蜜蜂無(wú)毒無(wú)害，且采用微生物發(fā)酵而得，降解產(chǎn)物為氨基酸，因而具有出色的安全性，近來(lái)備受關(guān)注[3]。Spear?與現(xiàn)有殺蟲(chóng)劑作用機(jī)制不同，主要與煙堿乙酰膽堿受體(nAChR)變構(gòu)調(diào)節(jié)劑位點(diǎn)II 結(jié)合，選擇性地作用于目標(biāo)害蟲(chóng)的離子通道[3]，因此，被國(guó)際殺蟲(chóng)劑抗性行動(dòng)委員會(huì) (IRAC) 列入第32 組，與同靶標(biāo)受體 (nAChR) 的第4 組和第5 組的殺蟲(chóng)劑，以及不同靶標(biāo)受體的其他殺蟲(chóng)劑具有較低的交互抗性風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 源于蝎子毒液的殺蟲(chóng)活性肽 蝎子毒液是神經(jīng)毒性肽、粘多糖和其他成分的復(fù)雜混合物[27]，主要成分是由23～80 個(gè)氨基酸組成的肽[28]。其中研究比較多的是針對(duì)鈉離子或鉀離子通道的特異性毒素肽，這些肽作用于具有高親和力和特異性的離子通道，并且還可以區(qū)分昆蟲(chóng)和哺乳動(dòng)物的離子通道[11]，因而具有較好的選擇性。例如特克曼似刺尾蝎Centruroide tecomanus的毒液含有選擇性的殺蟲(chóng)活性肽Ct-IT1 和Ct-IT2，可導(dǎo)致蟋蟀在低劑量下癱瘓并最終死亡[28]。從黃肥尾蝎Androctonus australis毒液中分離得到的AaIT 是一種選擇性殺蟲(chóng)肽，能作用于昆蟲(chóng)的鈉離子通道，從而導(dǎo)致害蟲(chóng)的快速興奮性麻痹甚至死亡[29]。由于其嚴(yán)格的毒性選擇性和高生物活性，AaIT 被廣泛應(yīng)用于探索害蟲(chóng)生物防治的試驗(yàn)中。研究發(fā)現(xiàn)，AaIT 在桿狀病毒或真菌中的重組表達(dá)可以增加其對(duì)害蟲(chóng)的毒性，將AaIT 應(yīng)用到轉(zhuǎn)基因作物，可使作物具有顯著的抗蟲(chóng)能力[29]。因此，AaIT 作為一種有效的毒素，具有開(kāi)發(fā)為商業(yè)殺蟲(chóng)劑的巨大潛力。2007 年，Gurevitz 等闡述了來(lái)自蝎子的β-毒素與昆蟲(chóng)的鈉離子通道具有高親和力的結(jié)合，并研究了二者的相互作用模式，這些信息對(duì)設(shè)計(jì)抗昆蟲(chóng)的選擇性肽模擬物很有幫助[30]。

2.2 源于海洋動(dòng)物的殺蟲(chóng)活性肽

由于獨(dú)特的環(huán)境條件和廣闊的空間，海洋棲息地比陸地環(huán)境孕育了更豐富的生物資源，因此針對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)利用將有力地促進(jìn)多肽殺蟲(chóng)劑的發(fā)展。目前關(guān)于海洋生物來(lái)源的殺蟲(chóng)活性肽研究主要集中在水母[31-33]、?？鸞34-37]、錐形蝸牛 (芋螺)[38-42]等海洋動(dòng)物中，但尚未有商品化的品種問(wèn)世，在此僅對(duì)這3 類(lèi)海洋生物來(lái)源的殺蟲(chóng)活性肽稍作簡(jiǎn)介。

2.2.1 源于水母的殺蟲(chóng)活性肽 水母是最為豐富的海洋生物之一，李鵬程課題組[31]發(fā)現(xiàn)野村水母Nemopilema nomurai的毒液NnFV 對(duì)紅蜘蛛Tetranychus cinnabarinus表現(xiàn)出較好的殺蟲(chóng)活性，NnFV 通過(guò)影響紅蜘蛛體壁導(dǎo)致其嚴(yán)重萎縮而死亡，田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NnFV 對(duì)柑桔全爪螨Panonychus citri具有較強(qiáng)的藥效[32]，而且NnFV 對(duì)蠶沒(méi)有毒性，具有環(huán)境安全性。李鵬程團(tuán)隊(duì)[33]還發(fā)現(xiàn)來(lái)自水母Rhopilema esculentum觸手的多肽毒液對(duì)杜鵑冠網(wǎng)蝽Stephanitis pyri和蚜蟲(chóng) (如花生蚜Acyrthosiphon medicaginis、桃蚜Myzus persicae)具有殺蟲(chóng)活性，其對(duì)杜鵑冠網(wǎng)蝽S. pyri48 h 后的校正死亡率達(dá)到97.86%，LC50值為123.1 μg/mL，該發(fā)現(xiàn)為從海洋生物中開(kāi)發(fā)生物殺蟲(chóng)劑奠定了良好的開(kāi)端。

2.2.2 源于?？臍⑾x(chóng)活性肽 海葵家族是一個(gè)研究和開(kāi)發(fā)殺蟲(chóng)肽的寶庫(kù)，Bosmans 等[34]報(bào)道了?？疽褐袑?duì)昆蟲(chóng)具有選擇性的毒素肽,并發(fā)現(xiàn)其作用于昆蟲(chóng)鈉離子通道，劉少華等[35]從舟山黃?？侄疽褐屑兓Y選出殺蟲(chóng)肽GF1，對(duì)脊尾白蝦和黃粉蟲(chóng)具有高活性、但對(duì)哺乳動(dòng)物小鼠低活性。來(lái)自溝迎風(fēng)海葵Anemonia viridis的殺蟲(chóng)多肽Av3 對(duì)害蟲(chóng)鈉離子通道表現(xiàn)出特異性[36]，當(dāng)Av3 和蘇云金芽孢桿菌中的蛋白質(zhì)Cry1Ac 融合表達(dá)形成融合蛋白Cry1Acv3，可顯著提高Av3 的殺蟲(chóng)活性[37]。

2.2.3 源于錐形蝸牛的殺蟲(chóng)活性肽 錐形蝸牛是一大類(lèi)掠食性腹足類(lèi)動(dòng)物，其毒液中含有無(wú)與倫比的藥理活性和結(jié)構(gòu)多樣性的多肽化合物，但到目前為止所研究的毒液化合物尚不到總數(shù)的0.1%[38]，這些肽毒素可以作用于鈉、鉀、鈣離子通道以及煙堿乙酰膽堿受體 (nAChRs)[39]。Bruce等[40]把來(lái)自錐形蝸牛的毒素TxVIA 注射到鱗翅目(卷心菜蛾) 和雙翅目 (家蠅) 幼蟲(chóng)體內(nèi)時(shí)，顯示出殺蟲(chóng)活性。高炳淼等[41]通過(guò)高通量篩選的方法開(kāi)發(fā)潛在生物殺蟲(chóng)劑，首先構(gòu)建了215 個(gè)芋螺毒素轉(zhuǎn)錄本的綜合文庫(kù)，然后基于具有殺蟲(chóng)活性的ImI 肽序列，采用同源對(duì)比法從庫(kù)中篩選出6 種具有殺蟲(chóng)潛力的芋螺毒素，進(jìn)一步通過(guò)生物測(cè)定發(fā)現(xiàn)其中兩種毒素對(duì)黃粉蟲(chóng)具有很高的殺蟲(chóng)活性。海洋多肽CTx-btg01 具有良好的抑制昆蟲(chóng)細(xì)胞生長(zhǎng)、高效的殺蟲(chóng)活性和較弱的哺乳動(dòng)物毒性作用，可為研發(fā)新型高效安全的多肽類(lèi)生物殺蟲(chóng)劑奠定基礎(chǔ)[42]。

2.3 昆蟲(chóng)神經(jīng)肽及其模擬物

2.3.1 昆蟲(chóng)神經(jīng)肽 昆蟲(chóng)神經(jīng)肽(insect neuropeptide，簡(jiǎn)稱(chēng)IN) 通常由5～80 個(gè)氨基酸組成，由昆蟲(chóng)大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)分泌、合成，通過(guò)神經(jīng)細(xì)胞或者體液在昆蟲(chóng)體內(nèi)傳遞的小分子活性肽。早在1922年，波蘭科學(xué)家Kope? 就首次報(bào)道大腦中的神經(jīng)肽物質(zhì)控制著昆蟲(chóng)蛻皮和蛻變[43]。此后，美洲大蠊體內(nèi)的直腸肽與蝗蟲(chóng)體內(nèi)的脂肪動(dòng)力激素(AKH) 這兩種昆蟲(chóng)神經(jīng)肽相繼被報(bào)道。隨著基因組學(xué)、現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程技術(shù)等的快速發(fā)展與應(yīng)用，已有4 780 余種昆蟲(chóng)神經(jīng)肽被發(fā)現(xiàn)[44]。昆蟲(chóng)神經(jīng)肽根據(jù)其功能主要分為：促前胸腺素 (prothoracicotropic hormone, PPTH)[45]和抑前胸腺素 (prothoracicostatic hormone, PTSH)[46]、促咽側(cè)體素 (allatotropins, ATs) 和抑咽側(cè)體素(allatostatins, ASTs)[47]、羽化激素 (eclosion hormone, EH)[48]、滯育激素 (diapause hormone,DH)[49]、信息素生物合成激活肽 (pheromone biosynthesis activating neuropeptides, PBAN)[48-50]、利尿激素 (diuretic hormone, DH) 和抗利尿激素(antidiuretic hormone, ADH)[51]、直腸肽 (proctolin)[52]、昆蟲(chóng)激肽 (insect kinins, IKs) 或稱(chēng)為肌動(dòng)肽(myokinins)[53]、速激肽 (tachykinins)[54]等。這些神經(jīng)肽在昆蟲(chóng)體內(nèi)扮演著十分重要的角色，其通過(guò)調(diào)控昆蟲(chóng)體內(nèi)器官或腺體的活動(dòng)，進(jìn)而影響昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育、利尿、蛻皮、肌肉合成、信號(hào)傳導(dǎo)等重要的生理生化過(guò)程。

昆蟲(chóng)神經(jīng)肽具有很多優(yōu)點(diǎn)：活性高，選擇性強(qiáng)，對(duì)人畜無(wú)毒，降解后為氨基酸對(duì)環(huán)境無(wú)污染，綠色安全，因而引起研究者的青睞。目前，人們對(duì)4 類(lèi)不同的昆蟲(chóng)神經(jīng)肽進(jìn)行了較為深入的研究，它們是信息素生物合成激活神經(jīng)肽 (PBAN)、直腸肽、激肽 (IKs) 和抑咽側(cè)體素 (ASTs)，確定了它們的生物活性序列，并測(cè)試了這4 種神經(jīng)肽對(duì)不同昆蟲(chóng)的殺蟲(chóng)效果[44]。來(lái)自谷實(shí)夜蛾、棉鈴蟲(chóng)、甘藍(lán)夜蛾等昆蟲(chóng)體內(nèi)的PBAN 是一種具有多重功能的昆蟲(chóng)神經(jīng)肽，主要調(diào)節(jié)雌蛾性信息素的產(chǎn)生，其通過(guò)和性信息素腺體細(xì)胞膜上的受體結(jié)合，經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)傳遞途徑，最終影響昆蟲(chóng)體內(nèi)性信息素的合成和釋放[44]。直腸肽是一種內(nèi)源性五肽，最早于1975 年從美洲大蠊Periplanata Americana里發(fā)現(xiàn)，廣泛分布在節(jié)肢動(dòng)物中，具有調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)后腸、生殖、骨骼以及心臟肌肉收縮的功能，其作為昆蟲(chóng)體內(nèi)的興奮性神經(jīng)調(diào)節(jié)劑，可以增加動(dòng)作電位的頻率并調(diào)節(jié)肌肉收縮的幅度[44]。由蝗蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元產(chǎn)生的直腸肽，能調(diào)節(jié)果蠅的爬行等行為[55]。昆蟲(chóng)激肽于1984 年從馬德拉蟑螂Leucophaea maderae腦提取物中首次發(fā)現(xiàn)，迄今人們已分離并鑒定出40 多種不同的昆蟲(chóng)激肽，其功能主要有促進(jìn)肌肉收縮和馬氏管扭動(dòng)、調(diào)節(jié)消化系統(tǒng)和協(xié)同利尿作用等，有些激肽還可以影響脂肪和蛋白質(zhì)的合成、唾液腺的分泌等[56]。抑咽側(cè)體素(ASTs)是一類(lèi)由昆蟲(chóng)腦神經(jīng)細(xì)胞分泌的昆蟲(chóng)神經(jīng)肽，最早于1989 年從未交配的雌性太平洋折翅蠊Diploptera punctata的大腦提取物中發(fā)現(xiàn)，此外從果蠅、黏蟲(chóng)、蝗蟲(chóng)、蟋蟀、麗蠅和小龍蝦等動(dòng)物中都發(fā)現(xiàn)了ASTs，其功能主要通過(guò)作用于咽側(cè)體進(jìn)而抑制保幼激素(JH)合成與釋放[57]?；诶ハx(chóng)神經(jīng)肽的這些重要生理功能和諸多優(yōu)點(diǎn)，它們被認(rèn)為是一類(lèi)潛在的害蟲(chóng)控制劑的先導(dǎo)化合物，可以應(yīng)用于有害生物的防治。

2.3.2 昆蟲(chóng)神經(jīng)肽模擬物 天然昆蟲(chóng)神經(jīng)肽容易被昆蟲(chóng)體內(nèi)的酶降解、在有機(jī)和水溶液中的溶解度較差，存在生物利用性低、藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)差、生產(chǎn)成本昂貴等不足。因此，運(yùn)用模擬肽學(xué)、生物技術(shù)等方法對(duì)天然昆蟲(chóng)神經(jīng)肽進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾和改造，以期克服上述缺陷并保持優(yōu)異的生物活性，從而發(fā)現(xiàn)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的新型綠色殺蟲(chóng)劑就成為多肽殺蟲(chóng)劑研發(fā)的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外許多研究者從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、生物穩(wěn)定性、活性提高等角度出發(fā)，通過(guò)模擬肽學(xué)的方法對(duì)昆蟲(chóng)神經(jīng)肽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修飾和改造，得到許多神經(jīng)肽模擬物并進(jìn)行了構(gòu)效關(guān)系研究，部分模擬物表現(xiàn)出良好的藥效學(xué)和藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，包括生物活性、代謝穩(wěn)定性等。

鑒于PBAN 的穩(wěn)定性差及穿透性差的問(wèn)題，Nachman 等[58]用非肽代替PBAN 結(jié)構(gòu)里的部分天然多肽，可以增加其穩(wěn)定性及穿透性，從而提高生物活性。Harinton 等[59]用D 型苯丙氨酸取代L 型氨基酸并將主鏈環(huán)化，得到了高選擇性且代謝穩(wěn)定的環(huán)化PBAN 類(lèi)似物，可抑制雌性點(diǎn)實(shí)夜蛾Heliothis peltigera性信息素的合成，Nachman等對(duì)PBAN 模擬物進(jìn)行了更多介紹[60]，本文就不再贅述。Noronha[61]曾報(bào)道2 位氨基酸被α-甲基化或N-甲基化的直腸肽模擬物可以用作激動(dòng)劑和拮抗劑。Scherkenbeck 等[62]報(bào)道，將直腸肽的Tyr2和Leu3之間的一個(gè)NH 替換為O 后的模擬物可以使東亞飛蝗Locusta migratoria的肌肉收縮失去活性(1 mmol/L)，直腸肽的環(huán)化模擬物(cycloproctolin)可作為有效拮抗劑阻止第二信使InsP3(胰島素P3)和InsP4(胰島素P4)產(chǎn)生直腸肽。Konopinska[63]曾介紹了直腸肽的80 種模擬物以及它們對(duì)美洲大蠊、東亞飛蝗等生物的活性。本課題組針對(duì)天然AST 易酶解的不足，利用模擬肽學(xué)和分子設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)現(xiàn)H17[64]、K15[65]、K24[65]、P5[66]、B1[67]、II12[68]和A6[69]等一系列具有高活性的AST 模擬肽化合物，并對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于AST 模擬物的研究工作進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)[70]。

然而，有關(guān)昆蟲(chóng)激肽結(jié)構(gòu)及其模擬物的相關(guān)綜述報(bào)道較少，在此對(duì)昆蟲(chóng)激肽模擬物的研究進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹。昆蟲(chóng)激肽 (Insect Kinins, IKs)的C 末端均含有特征性的進(jìn)化保守五肽序列Phe-Xaa1-Xaa2- Trp-Gly-NH2(Xaa1=His, Asn, Phe, Ser或Tyr；Xaa2=Pro, Ser 或Ala)。Nachman 等[71]發(fā)現(xiàn)五肽序列Phe-Tyr-Ser-Trp-Gly-NH2與其天然母肽 leucokinin-VIII 具有水平相當(dāng)?shù)碾x體蜚蠊后腸肌親和活性，而序列短于五肽的片段均失去親和活性；Holman 等也發(fā)現(xiàn)五肽序列 Phe-Tyr-Pro-Trp-Gly-NH2在離體后腸肌親和活性試驗(yàn)[72]和蟋蟀利尿試驗(yàn)[73]中均表現(xiàn)出與天然母肽相當(dāng)?shù)幕钚?。以上研究表明，該核心五肽片段是昆蟲(chóng)激肽保持生物活性所必須的最短序列，也是其主要的功能區(qū)[53]。昆蟲(chóng)激肽家族成員均易被昆蟲(chóng)體內(nèi)的組織結(jié)合肽酶 (例如血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(ACE)等) 所水解而失活[74]，天然昆蟲(chóng)激肽中的兩個(gè)酶解位點(diǎn)也已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，其中主要的酶解位點(diǎn)位于活性核心五肽序列 Phe1-Tyr2-Pro3-Trp4-Gly5-NH2的Pro3和Trp4之間，次級(jí)酶解位點(diǎn)位于Phe1的N 末端[75-76]。Nachman 團(tuán)隊(duì)采用模擬肽學(xué)的方法，在酶解位點(diǎn)引入非天然氨基酸，得到的昆蟲(chóng)激肽模擬物抗酶降解能力顯著提高，而且這些模擬物的活性與天然的昆蟲(chóng)激肽活性相當(dāng)甚至更高。通過(guò)構(gòu)象分析，Nachman[77]提出了昆蟲(chóng)激肽活性構(gòu)象及與受體相互作用模型，并推測(cè)Phe1-Trp4形成的β轉(zhuǎn)角是其活性構(gòu)象。此外，研究發(fā)現(xiàn)C 末端酰胺化是昆蟲(chóng)激肽活性所必需的[78]，而十分有趣的是，當(dāng)C 末端由酰胺基變?yōu)槿┗蟮哪M物能引起棉鈴蟲(chóng)幼蟲(chóng)死亡、以及家蠅的抗利尿作用[79]。董守良課題組[80-82]通過(guò)在酶解位點(diǎn)引入可光致異構(gòu)化的硫代酰胺鍵Ψ[CS-N]、可誘導(dǎo) cis/trans 異構(gòu)變化的偽脯氨酸 (ΨPro)，設(shè)計(jì)合成了多個(gè)系列的昆蟲(chóng)激肽模擬物，并研究了它們的構(gòu)象與活性的關(guān)系。Zubrzak 等[75]將β氨基酸引入到昆蟲(chóng)激肽特定序列位點(diǎn)，所得到的昆蟲(chóng)激肽模擬物保持了一定的生物活性，且抗酶降解能力遠(yuǎn)高于天然肽。Smagghe等[83]發(fā)現(xiàn)昆蟲(chóng)激肽模擬物對(duì)豌豆蚜Acyrthosiphon pisum具有明顯殺蚜活性。筆者以六肽類(lèi)似物KAib-1 作為先導(dǎo)化合物，通過(guò)對(duì)昆蟲(chóng)激肽1、3、5 位進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾和優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)多個(gè)具有良好活體殺蚜活性的激肽模擬物如II-1[84]和IV-3[85]，而且這些化合物表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。最近，筆者[86-87]利用模擬肽學(xué)手段針對(duì)昆蟲(chóng)激肽關(guān)鍵位點(diǎn)Phe2和Trp4進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)了殺蚜活性?xún)?yōu)異且對(duì)蜜蜂低毒的模擬肽化合物L(fēng)25和M1，這為新型綠色蚜蟲(chóng)控制劑的創(chuàng)制提供了新的策略。

不同動(dòng)物來(lái)源的殺蟲(chóng)活性多肽及其作用的主要靶標(biāo)害蟲(chóng)詳見(jiàn)表1。

表1 不同動(dòng)物來(lái)源的殺蟲(chóng)活性多肽及其作用的主要靶標(biāo)害蟲(chóng)Table 1 The insecticidal peptides from different animals and their main target pests

續(xù)表1Table 1 (Continued)

續(xù)表1Table 1 (Continued)

3 源于植物的殺蟲(chóng)活性多肽

在植物中分離出對(duì)害蟲(chóng)有毒、對(duì)非靶標(biāo)生物安全的多肽，可為綠色作物保護(hù)提供新的策略。植物源殺蟲(chóng)活性多肽是植物自身合成的、對(duì)害蟲(chóng)有殺蟲(chóng)活性的一類(lèi)小分子多肽。關(guān)于植物源殺蟲(chóng)活性多肽及其作用靶標(biāo)已有諸多報(bào)道，它們大多來(lái)源于茜草科、豆科、堇菜科、茄科和葫蘆科等植物中，包括環(huán)肽、豌豆白蛋白、防御素及重組肽等，對(duì)棉鈴蟲(chóng)、蚜蟲(chóng)、煙粉虱、谷象及線蟲(chóng)等具有良好的防效，其中植物環(huán)肽、豌豆白蛋白因具有突出的殺蟲(chóng)活性，得到人們的廣泛關(guān)注，在此作為重點(diǎn)介紹。

3.1 植物環(huán)肽

環(huán)肽是一系列植物來(lái)源的肽家族，它們由26 至37 個(gè)氨基酸以及6 個(gè)保守的半胱氨酸殘基組成，這些半胱氨酸殘基由3 個(gè)分子間二硫鍵連接，形成稱(chēng)為環(huán)胱氨酸結(jié) (cyclic cysteine knot，CCK) 的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[155]。環(huán)肽獨(dú)特的拓?fù)浠瘜W(xué)結(jié)構(gòu)使其不易被酶降解，不受溫度變化和化學(xué)物質(zhì)的影響[156]，引起很多科學(xué)研究工作者的廣泛重視與探究。植物環(huán)肽廣泛存在于葫蘆科、豆科、茜草科、茄科、堇菜科等植物中[157]，這些環(huán)肽具有廣泛的生物活性，如抗菌、殺蟲(chóng)、殺線蟲(chóng)、殺軟體動(dòng)物等[158]，可為植物提供自然保護(hù)使其免受各種病蟲(chóng)害的侵害，利用該特性可以將具有殺蟲(chóng)或殺線蟲(chóng)活性的環(huán)肽配制成相應(yīng)的生物農(nóng)藥，用于農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害的防治。

2017 年，澳大利亞的Innovate Ag 公司開(kāi)發(fā)出一種無(wú)毒、蜜蜂友好的世界首個(gè)植物環(huán)肽類(lèi)生物殺蟲(chóng)劑—Sero-X?[6]，其是從蝴蝶豌豆Clitoria ternatea中提取出來(lái)的環(huán)肽混合物，對(duì)棉鈴蟲(chóng)Helicoverpaarmigera、煙粉虱Bemesia tabaci和稻綠蝽Nezara viridula等多種害蟲(chóng)有著良好的防治效果，且對(duì)非靶標(biāo)生物沒(méi)有影響[159]。百花蛇舌草Oldenlandia affinis中的環(huán)肽kalata B1[160]與kalata B2[161]可以殺死鱗翅目害蟲(chóng)棉鈴蟲(chóng)H. armigera，蝴蝶豌豆Clitoria ternatea中環(huán)肽cter M 也對(duì)棉鈴蟲(chóng)具有殺蟲(chóng)活性[162]。環(huán)肽cycloviolacin O1、kalata B1、kalata B2、kalata B7 對(duì)一系列軟體動(dòng)物如福壽螺Pomacea canaliculata顯示殺滅活性[163]。Colgrave等[164]發(fā)現(xiàn)環(huán)肽cycloviolacin O14 、kalata B1、kalata B6 具有殺線蟲(chóng)活性。Pinto 等[165]發(fā)現(xiàn)從茜草科植物Palicourea rigida分離的環(huán)肽 paragidinbr1 會(huì)影響甘蔗害蟲(chóng)小蔗螟Diatraea saccharalis幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda也有一定防效。最近研究發(fā)現(xiàn)四種環(huán)肽cycloviolacin O2、cycloviolacin O3、cycloviolacin O13 以及cycloviolacin O19 對(duì)桃蚜的取食行為具有阻礙作用[166]。

大多數(shù)殺蟲(chóng)環(huán)肽可引起害蟲(chóng)的腸道上皮細(xì)胞腫脹、損傷并最終破裂[167]，kalata B1 就是通過(guò)破壞棉鈴蟲(chóng)腸道上皮細(xì)胞從而發(fā)揮殺蟲(chóng)作用[168]，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)肽通過(guò)破壞桃蚜中腸和消化道細(xì)胞來(lái)抑制桃蚜的取食行為[166]。對(duì)二斑葉螨Tetranychus urticae喂食特定的環(huán)肽后，環(huán)肽會(huì)作用于螨消化道并影響螨的正常生長(zhǎng)[169]?？傊?，生物活性環(huán)肽通過(guò)與靶膜結(jié)合并發(fā)生相互作用，最后將其破壞，從而殺死昆蟲(chóng)。作用機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，這些環(huán)肽化合物有特定的氨基酸殘基形成的疏水性表面，對(duì)其生物活性起著至關(guān)重要的作用，例如具有高效殺蟲(chóng)活性的環(huán)肽kalata B1、kalata B2、cycloviolacin O2 和cycloviolacin O14 結(jié)構(gòu)中都含有疏水表面[170]。

3.2 豌豆白蛋白

1986 年，豌豆白蛋白(pea albumin 1b，PA1b)首次從豌豆種子中分離與鑒定[171]。PA1b 是由37個(gè)氨基酸組成的肽，其中含有6 個(gè)半胱氨酸參與構(gòu)成3 個(gè)分子內(nèi)的二硫鍵，二硫鍵的形成使得PA1b 具有耐酶降解性和熱穩(wěn)定性[172]。PA1b 作為一種有效的殺蟲(chóng)活性肽，可以防治儲(chǔ)糧害蟲(chóng)和蔬菜中的主要害蟲(chóng)，如PA1b 對(duì)儲(chǔ)糧害蟲(chóng)米象Sitophilus oryzae、谷象Sitophilus granarius和玉米象Sitophylus zeamays具有殺蟲(chóng)活性[172]，對(duì)某些種類(lèi)的蚜蟲(chóng)如豌豆蚜A. pisum[173]也有一定活性。此外還發(fā)現(xiàn)其對(duì)媒介害蟲(chóng)蚊子如尖音庫(kù)蚊Culex pipiens[174]和埃及伊蚊Aedes aegypti表現(xiàn)出殺蟲(chóng)活性 (表2)。電生理學(xué)和生化的相關(guān)研究表明，PA1b靶向一種名為液泡-ATP 酶 (V-ATP 酶) 的多聚體蛋白質(zhì)復(fù)合物[175]。V-ATP 酶大小約為1 MDa，由ATP 水解結(jié)構(gòu)域 (V1) 與質(zhì)子跨膜結(jié)構(gòu)域 (V0) 組成[176]，主要存在于昆蟲(chóng)的馬氏管、中腸和唾液腺等器官的上皮細(xì)胞質(zhì)膜上，對(duì)昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育有著重要作用[177]。PA1b 是在植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)V-ATP 酶肽抑制劑，通過(guò)與質(zhì)子跨膜結(jié)構(gòu)域(V0) 的亞基c 和e 結(jié)合[178]阻斷昆蟲(chóng)中腸上的VATP 酶活性，導(dǎo)致昆蟲(chóng)死亡。一些疏水性殘基(如Phe-10、Ile-23、Arg-21 和Leu-27) 對(duì)PA1b 發(fā)揮生物活性至關(guān)重要[179]。研究發(fā)現(xiàn)，PA1b 對(duì)蜜蜂等有益昆蟲(chóng)沒(méi)有影響且對(duì)哺乳動(dòng)物低毒[180]。由于PA1b 具有對(duì)昆蟲(chóng)的獨(dú)特選擇性，且可以從大豆和豌豆等常見(jiàn)植物中提取，是一種很有前途的殺蟲(chóng)活性多肽。

3.3 其他植物源殺蟲(chóng)肽

源于豌豆、蘿卜和大麥等一些植物組織中的γ-硫堇蛋白防御素為富半胱氨酸家族，是由45～54 個(gè)氨基酸組成的堿性肽，具有多種生物活性，如抗菌、抗蟲(chóng)、抑制α-淀粉酶和蛋白酶的活性[181]。Chen 等[182]報(bào)道了從綠豆中獲得的新穎防御素VrCRP 對(duì)綠豆象Callosobruchus chinensis有殺蟲(chóng)活性，尤其是含有0.2% VrCRP 的種子可以完全阻礙豆象發(fā)育。Choi 等[183]在水稻體內(nèi)表達(dá)來(lái)自蕪菁Brassica rapa的植物防御素BrD1，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表達(dá)BrD1 的轉(zhuǎn)基因水稻品系表現(xiàn)出明顯的抗褐飛虱Nilaparvata lugens的能力，這些研究表明植物防御素在抗蟲(chóng)作物的開(kāi)發(fā)中會(huì)有很好的前景。此外，有研究表明，由刀豆Canavalia ensiformis中的刀豆毒素衍生而來(lái)的重組多肽jaburetox-2Ec，對(duì)秘魯皮蠹Dysdercus peruvianus和四紋豆象Callosobruchus maculatus具有良好的殺蟲(chóng)活性，此活性是因刀豆毒素被昆蟲(chóng)組織蛋白酶水解產(chǎn)生10 kDa 殺蟲(chóng)肽pepcanatox 所致[184]。Mulinari 等[185]通過(guò)異源體系 (大腸桿菌) 產(chǎn)生相當(dāng)于pepcanatox的重組肽jaburetox-2Ec，生測(cè)活性研究表明，草地貪夜蛾3 齡幼蟲(chóng)攝食含有16.3μmol/L jaburetox-2Ec 的飼料2 d 后，蟲(chóng)體變小 (比對(duì)照小20%)，若攝取47 μmol/L 的jaburetox-2Ec 后，則全部死亡。

有關(guān)不同植物來(lái)源的殺蟲(chóng)活性多肽及其作用的主要靶標(biāo)害蟲(chóng)詳見(jiàn)表2。

表2 不同植物來(lái)源的殺蟲(chóng)活性多肽及其作用的主要靶標(biāo)害蟲(chóng)Table 2 The insecticidal peptides from different plants and their main target pests

續(xù)表2Table 2 (Continued)

4 源于微生物的殺蟲(chóng)活性多肽

微生物源多肽是一類(lèi)重要的活性物質(zhì)，主要來(lái)源于真菌和細(xì)菌，具有豐富的化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物活性。早在1939 年，杜博斯 (René Jules Dubos)在微生物中發(fā)現(xiàn)短桿菌肽具有良好的抗菌作用，此后許多學(xué)者在微生物中發(fā)現(xiàn)具有多種功能的多肽[186]。筆者以‘microbial peptides’為檢索詞在SciFinder 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)，近30 年發(fā)表微生物多肽的相關(guān)文獻(xiàn)量有18 248 篇。這些微生物多肽按照其功能可以分為8 類(lèi)，分別為抗真菌、抗細(xì)菌、抗病毒、抗癌、抗藻、免疫抑制、抗瘧疾以及殺蟲(chóng)活性等 (圖3)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，微生物多肽的作用以抗細(xì)菌、免疫抑制、抗病毒以及抗真菌為主，占比達(dá)90%，而有關(guān)微生物殺蟲(chóng)肽的報(bào)道非常少，僅占3%。但隨著糧食需求的增加以及全球提倡綠色農(nóng)藥的大背景下，有關(guān)微生物殺蟲(chóng)肽的研究會(huì)逐漸成為研究熱點(diǎn)。

圖3 不同功能微生物多肽的發(fā)文量占比(1992—2022 年，數(shù)據(jù)源自Scifinder 數(shù)據(jù)庫(kù))Fig. 3 Proportion of publications about microbial peptides with different functions from 1992 to 2022

已有文獻(xiàn)報(bào)道，一些源自真菌的多肽具有良好的殺蟲(chóng)活性。例如，綠僵菌的代謝產(chǎn)物-綠僵菌素是由5 個(gè)氨基酸和1 個(gè)羧基酸殘基形成的一類(lèi)六元環(huán)縮肽化合物[187]，目前已經(jīng)被廣泛用于防治鱗翅目、同翅目、雙翅目、等翅目、直翅目和鞘翅目等多種昆蟲(chóng)。Mochizuki 等[188]從白僵菌中提取到的Beauveriolide I 可以殺死斜紋夜蛾Spodoptera litura和綠豆象Callosobruchus chinensis，杜豐玉[189]等發(fā)現(xiàn)來(lái)自白僵菌的另一種菌株Beauveria felinaEN-135 中的環(huán)肽iso-isariin D 具有殺蟲(chóng)活性。周立剛課題組[190]綜述了635 種真菌環(huán)二肽(也稱(chēng)2,5-二酮哌嗪類(lèi))，并根據(jù)其生物合成起源和結(jié)構(gòu)特征把這些環(huán)二肽分為6 類(lèi)：色氨酸-脯氨酸、色氨酸-色氨酸、色氨酸-Xaa (Xaa 表示為未指定的氨基酸)、脯氨酸-Xaa、非色氨酸-非脯氨酸和硫代類(lèi)似物，并分別介紹了其結(jié)構(gòu)和生物活性，其中部分化合物對(duì)谷實(shí)夜蛾Helicoverpa zea有較好活性。此外報(bào)道了縮羧酸環(huán)肽 (cyclic depsipeptides，CDPs)如環(huán)狀三肽、環(huán)狀四肽、環(huán)狀五肽等的相關(guān)研究進(jìn)展，并介紹了其殺蟲(chóng) (如斜紋夜蛾Spodoptera litura、綠豆象Callosobruchus chinensis等) 活性的相關(guān)探索[191]。

一些源于細(xì)菌的多肽也具有良好的殺蟲(chóng)活性，例如， Mohamed 等[192]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)枝木霉菌株Trichoderma longibrachiatumRIFAI 的2 種線性肽longibrachin A-I 和longibrachinA-II-b 可以殺死紅頭麗蠅Calliphora vomitoria。來(lái)自鏈霉菌屬Streptomyces laindensisH008 的多肽 SLP1 具有殺死菜縊管蚜Lipaphis erysimi的活性[193]。Moreira等[194]發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌中提取到的表面活性素家族的2 種環(huán)肽pumilacidin 和pumilacidin C 對(duì)埃及伊蚊Aedes aegypti有良好的活性。最近，Vestaron 公司以蘇云金芽孢桿菌庫(kù)斯塔克亞種 (Bt kurstaki strain) EVB-113-19 株系為活性成分開(kāi)發(fā)上市的Bt 生物殺蟲(chóng)劑Leprotec?，在美國(guó)50 個(gè)州均獲得了登記。該產(chǎn)品為液態(tài)劑型，可有效防治多種大田或溫室作物的鱗翅目害蟲(chóng)，其與Spear?-Lep 聯(lián)合使用效果更理想。

5 天然殺蟲(chóng)肽的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

天然殺蟲(chóng)肽在實(shí)際應(yīng)用中存在一些局陷性：1) 天然殺蟲(chóng)肽的穩(wěn)定性差，易被昆蟲(chóng)體內(nèi)的一些酶降解，也會(huì)受到外界環(huán)境條件(如溫度、光照、濕度)的影響。2) 一些天然殺蟲(chóng)肽的生物活性較弱，或具有一定的毒性。3) 部分殺蟲(chóng)肽生產(chǎn)成本較高，影響市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，將天然殺蟲(chóng)活性肽開(kāi)發(fā)為殺蟲(chóng)劑需要綜合考慮其田間穩(wěn)定性、生物利用度、施用方法、安全性、生產(chǎn)成本等多方面因素，如基于其合成成本及穩(wěn)定性差等問(wèn)題，可以從生產(chǎn)合成 (化學(xué)合成、生物合成) 及性能優(yōu)化(模擬肽技術(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、劑型優(yōu)化、遞送系統(tǒng)優(yōu)化) 等方面進(jìn)行改良，基于天然殺蟲(chóng)肽的安全性，需要評(píng)估其對(duì)人類(lèi)和其他脊椎動(dòng)物、以及其它非靶標(biāo)生物 (如傳粉媒介昆蟲(chóng)和目標(biāo)害蟲(chóng)的天敵) 的安全性等。

5.1 生產(chǎn)合成

天然殺蟲(chóng)活性肽的生產(chǎn)合成以化學(xué)合成以及生物合成途徑為主。

5.1.1 化學(xué)合成 多肽化學(xué)合成主要通過(guò)氨基酸縮合反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其可以分為固相合成和液相合成，目前多以固相合成來(lái)制備殺蟲(chóng)活性肽。1963年，Merrifield 首次提出了固相合成多肽方法，并因此獲得1984 年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[195]。研究最多的環(huán)肽kalata B1，目前已使用SPSS 方法有效合成[196]。此外，具有殺蟲(chóng)活性的昆蟲(chóng)神經(jīng)肽類(lèi)似物等均使用SPSS 的方法進(jìn)行合成。值得注意的是，使用SPPS 方法合成的肽不宜超過(guò)50 個(gè)氨基酸殘基，若肽鏈過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致低產(chǎn)率和低純度[197]。

5.1.2 生物合成 多肽的生物合成方法主要包括發(fā)酵法和基因工程法。Narayani 等[196]介紹了利用微生物系統(tǒng) (如大腸桿菌系統(tǒng)、酵母菌系統(tǒng)) 以及基于植物系統(tǒng) (植物本身、植物細(xì)胞與組織培養(yǎng)物) 合成環(huán)肽的生物技術(shù)。Rivera-de-Torre 等[18]報(bào)道了動(dòng)物毒素的異源表達(dá)、合成及純化的多種方法。已經(jīng)商品化的Spear?殺蟲(chóng)劑是經(jīng)乳酸克魯維酵母發(fā)酵生產(chǎn)，其成本可以與市場(chǎng)現(xiàn)有殺蟲(chóng)劑相媲美[3]。因此使用合成生物學(xué)或微生物發(fā)酵的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多肽固相合成方法來(lái)制備多肽殺蟲(chóng)劑，是值得深入研究的方向。生物合成方法原料雖然具備來(lái)源廣泛和成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些技術(shù)不成熟，存在不易分離、產(chǎn)率低等問(wèn)題[197]，目前仍處于發(fā)展階段。

5.2 性能優(yōu)化

目前主要通過(guò)模擬肽技術(shù)或基因工程技術(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、劑型加工技術(shù)、遞送系統(tǒng)優(yōu)化等措施來(lái)改善天然殺蟲(chóng)活性多肽的穩(wěn)定性和提高其生物利用度等。

5.2.1 天然殺蟲(chóng)活性多肽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 對(duì)殺蟲(chóng)活性多肽進(jìn)行化學(xué)修飾或改性可以提高其生物活性和藥效穩(wěn)定性，如天然昆蟲(chóng)神經(jīng)肽易受溫度、pH 等因素的影響。因此，國(guó)內(nèi)外諸多團(tuán)隊(duì) (如Nachman 團(tuán)隊(duì)、楊新玲團(tuán)隊(duì)、董守良團(tuán)隊(duì)等) 通過(guò)對(duì)天然昆蟲(chóng)神經(jīng)肽進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)的修飾改造，從而得到穩(wěn)定性與活性都顯著提高的模擬肽化合物[77-87]。此外，通過(guò)基因工程技術(shù)對(duì)天然多肽進(jìn)行修飾也可以獲得更高活性和穩(wěn)定性的多肽，如美國(guó)韋斯塔隆公司(Vestaron Corporation)采用基因工程技術(shù)將甘氨酸-絲氨酸二肽的核苷酸密碼子添加至天然蜘蛛毒肽ω/κ-HXTX-Hv1a 的基因序列，最終發(fā)現(xiàn)了兼具化學(xué)殺蟲(chóng)劑的有效性和生物制品的低風(fēng)險(xiǎn)性的多肽殺蟲(chóng)劑GS-ω/κ-HXTX-Hv1a (商品名Spear?)，有望為農(nóng)業(yè)和公共衛(wèi)生領(lǐng)域害蟲(chóng)防控提供一種持續(xù)有效的綠色新工具[198]。

5.2.2 劑型優(yōu)化 將天然活性肽設(shè)計(jì)成不同劑型，可以提高藥劑的使用效果和使用價(jià)值,并達(dá)到提高穩(wěn)定性、延緩抗性、降低毒性、減少環(huán)境污染、降低成本等效果。通過(guò)改進(jìn)劑型 (如增添具有分散、潤(rùn)濕和穩(wěn)定等作用的功能性助劑) 的方法促進(jìn)多肽透過(guò)害蟲(chóng)表皮進(jìn)入體內(nèi)與靶標(biāo)位點(diǎn)結(jié)合，增強(qiáng)藥效穩(wěn)定性 (如抗光解、耐雨水沖刷等性能)[198]。

5.2.3 遞送系統(tǒng)優(yōu)化 藥物遞送系統(tǒng) (Drug Delivery System，DDS) 可以將適量的藥物遞送到正確的位置，從而增加藥物的利用效率，提高療效，減少毒副作用，降低成本。Nakasu 等[199]將殺蟲(chóng)活性肽融合到植物凝集素或病毒外套蛋白中，殺蟲(chóng)肽的利用率和殺蟲(chóng)活性得到提高。Herzig 等[200]使用轉(zhuǎn)基因昆蟲(chóng)病原體 (例如桿狀病毒，蘇云金芽孢桿菌或綠僵菌) 來(lái)輸送殺蟲(chóng)毒素，其在感染昆蟲(chóng)的同時(shí)可以表達(dá)殺蟲(chóng)毒素，從而顯示出協(xié)同殺蟲(chóng)作用。因此，今后可以利用生物融合、昆蟲(chóng)病原體等方法改善天然殺蟲(chóng)活性肽的活性。此外，可以開(kāi)發(fā)與其它作用機(jī)制的生物農(nóng)藥或化學(xué)農(nóng)藥的復(fù)配，通過(guò)不同作用機(jī)制的活性成分協(xié)同發(fā)揮增效作用、擴(kuò)大殺蟲(chóng)譜和延緩害蟲(chóng)抗藥性。

5.3 安全性評(píng)價(jià)

殺蟲(chóng)劑的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)及使用的整個(gè)過(guò)程中都需要進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，包括其使用情況、理化性質(zhì)、環(huán)境行為特征以及對(duì)非靶標(biāo)生物的毒性，其中對(duì)非靶標(biāo)生物的毒性是安全性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，殺蟲(chóng)多肽也不例外。動(dòng)物毒液是由多肽、蛋白質(zhì)等多種物質(zhì)組合而成的混合物，這些毒液具有一定的毒性，但并不一定意味著它們會(huì)對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生影響[18]。殺蟲(chóng)活性多肽是從毒液分離出的一種或幾種化合物，安全評(píng)價(jià)研究發(fā)現(xiàn)這些殺蟲(chóng)肽對(duì)蜂、鳥(niǎo)、魚(yú)、蠶等非靶標(biāo)生物是安全的[20-21,33,159,180]。另一方面，天然殺蟲(chóng)肽由氨基酸縮合而成且其半衰期較短，能夠在環(huán)境中快速降解為氨基酸而不會(huì)達(dá)到對(duì)非靶標(biāo)生物產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)，例如，源于蜘蛛毒液的商品化Spear?殺蟲(chóng)劑的急性毒性試驗(yàn)結(jié)果表明，其在最高施用劑量下對(duì)哺乳動(dòng)物、環(huán)境生物 (蜜蜂、家蠶) 及水生生物無(wú)顯著影響，高劑量(896.7 g/hm2) 未觀察到對(duì)植物出苗和營(yíng)養(yǎng)活力的毒害作用[188]。此外，Grover 等[158]發(fā)現(xiàn)具有殺蟲(chóng)活性的植物環(huán)肽 (如cycloviolacin O1、kalata B1、kalata B2、kalata B7 等) 具有低溶血毒性和低細(xì)胞毒性。

6 總結(jié)及展望

隨著世界人口的日益增長(zhǎng)，耕地面積的急劇減少，全球氣候的惡化，提高單位面積農(nóng)作物產(chǎn)量是保障糧食安全的重要策略。農(nóng)藥的使用可以大幅度減少因病、蟲(chóng)、草害所造成的損失，保障了農(nóng)作物安全，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中做出了巨大貢獻(xiàn)。但由于人們對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)藥的不合理使用以及其自身固有的一些缺陷，導(dǎo)致環(huán)境污染、害蟲(chóng)抗藥性的產(chǎn)生以及影響非靶標(biāo)生物等一系列問(wèn)題，阻礙了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。多種來(lái)源于動(dòng)物、植物或微生物的多肽物質(zhì)具有開(kāi)發(fā)為生物殺蟲(chóng)劑的潛力，其具有高效低毒、在環(huán)境中降解為氨基酸、對(duì)非靶標(biāo)生物安全等優(yōu)點(diǎn)，是極具應(yīng)用前景的綠色防控手段。針對(duì)殺蟲(chóng)活性肽合成成本和穩(wěn)定性問(wèn)題，深化天然殺蟲(chóng)活性肽的生產(chǎn)合成、提高天然殺蟲(chóng)多肽的生物活性、創(chuàng)制新農(nóng)藥等方面的創(chuàng)新性研究顯得尤為重要。

尋求農(nóng)藥減量、發(fā)展高效低毒環(huán)保的生物農(nóng)藥已是全球趨勢(shì)。殺蟲(chóng)活性多肽作為一種高效低毒、無(wú)殘留、且對(duì)人畜安全的一類(lèi)生物農(nóng)藥，有益于保護(hù)生態(tài)平衡、保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著分子生物學(xué)、生物化學(xué)、合成生物學(xué)以及基因工程等技術(shù)的飛速發(fā)展，將會(huì)極大地推進(jìn)天然活性肽的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。相信在未來(lái)的可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，殺蟲(chóng)活性多肽一定會(huì)成為防治害蟲(chóng)的重要手段之一，在植物保護(hù)中發(fā)揮重要作用。

謹(jǐn)以此文慶賀中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)藥學(xué)學(xué)科成立70 周年。

Dedicated to the 70th Anniversary of Pesticide Science in China Agricultural University.

作者簡(jiǎn)介：

葉德興，男，碩士研究生。2021年6 月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)制藥工程(農(nóng)藥方向) 專(zhuān)業(yè)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位。2021 年9 月至今在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院農(nóng)藥學(xué)專(zhuān)業(yè)攻讀碩士學(xué)位，主要從事多肽類(lèi)農(nóng)藥的創(chuàng)制及其作用機(jī)制的研究。

楊新玲，教授，博士生導(dǎo)師，綠色農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。1995 年于北京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)藥學(xué)專(zhuān)業(yè)獲得理學(xué)博士學(xué)位。1995年至今在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)從事教學(xué)科研工作，研究領(lǐng)域?yàn)樾罗r(nóng)藥分子設(shè)計(jì)與合成、化學(xué)生物學(xué)，主要研究方向包括靶標(biāo)導(dǎo)向的新型昆蟲(chóng)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的創(chuàng)制、以昆蟲(chóng)源或植物源活性物質(zhì)為模型的新型害蟲(chóng)行為控制劑研究等，先后主持或參加國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技支撐計(jì)劃、973 計(jì)劃、農(nóng)業(yè)部公益行業(yè)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等課題10 余項(xiàng)。曾獲IUPAC 農(nóng)藥化學(xué)‘農(nóng)藥科學(xué)特殊貢獻(xiàn)獎(jiǎng)’，現(xiàn)任北京農(nóng)藥學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)，中國(guó)農(nóng)藥工業(yè)協(xié)會(huì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任委員，中國(guó)化工學(xué)會(huì)農(nóng)藥專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)化學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)化學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)生化制藥工業(yè)協(xié)會(huì)多肽分會(huì)專(zhuān)家委員會(huì)委員等。擔(dān)任Pest Management Science等期刊編委，現(xiàn)任《農(nóng)藥學(xué)學(xué)報(bào)》常務(wù)編委。