師東梅, 蔣志洋, 鄒雪君, 黃家興, 段紅霞

(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)

0 引言

海藻糖是由兩分子葡萄糖通過(guò)α-1,1 糖苷鍵相連的非還原性二糖[1]，其廣泛分布于除脊椎動(dòng)物外的昆蟲、真菌、細(xì)菌以及植物等眾多生物體內(nèi)，具有重要的生物學(xué)功能[2]。在真菌、細(xì)菌和植物體內(nèi)，海藻糖不僅能夠作為儲(chǔ)能物質(zhì)參與生物體的能量代謝，而且具有抵抗環(huán)境脅迫的功能；此外，海藻糖還能影響真菌的孢子萌發(fā)和作為毒力因子決定病原微生物的致病性[3-7]。在昆蟲體內(nèi)，海藻糖作為昆蟲的“血糖”，除具有儲(chǔ)能和抗脅迫功能外，其代謝過(guò)程還可調(diào)節(jié)昆蟲幾丁質(zhì)的生物合成，進(jìn)而調(diào)控昆蟲的生長(zhǎng)發(fā)育。此外，昆蟲飛行肌中的海藻糖還可為其飛行提供能量[8-11]。

在昆蟲和植物病原真菌體內(nèi)，海藻糖的主要代謝過(guò)程如圖1 所示。尿苷二磷酸葡萄糖 (UDPG)與葡萄糖-6-磷酸 (G6P) 在海藻糖-6-磷酸合成酶催化下生成海藻糖-6-磷酸 (T6P)，T6P 經(jīng)海藻糖-6-磷酸磷酸酯酶催化生成海藻糖，海藻糖再經(jīng)海藻糖酶水解，最終生成兩分子葡萄糖以參與糖代謝和能量代謝，為生物體的重要生理活動(dòng)供能[2,12]。在昆蟲和植物病原真菌的海藻糖代謝過(guò)程中，海藻糖酶是唯一負(fù)責(zé)海藻糖不可逆水解的重要功能酶，對(duì)海藻糖含量的調(diào)控至關(guān)重要[2,13]。正是由于海藻糖酶具有重要的生物學(xué)功能，且憑借著其在昆蟲、真菌及哺乳動(dòng)物體內(nèi)生物學(xué)功能的差異，尤其是以海藻糖酶為靶標(biāo)的商品化殺菌劑井岡霉素的廣范應(yīng)用，使其成為對(duì)植物和哺乳動(dòng)物安全的新型殺蟲劑/殺菌劑開發(fā)中的候選靶標(biāo)[14-15]。

圖1 昆蟲和植物病原真菌體內(nèi)海藻糖代謝通路及其功能Fig. 1 Trehalose metabolic pathway and its functions in insects and plant pathogenic fungi

目前已發(fā)現(xiàn)的海藻糖酶抑制劑主要為糖基和擬糖基類抑制劑，鮮有非糖基類抑制劑的報(bào)道。本課題組前期篩選發(fā)現(xiàn)了一類對(duì)草地貪夜蛾Spodoptera frugipera海藻糖酶有較好抑制活性的新型胡椒堿衍生物，這表明胡椒堿類化合物可作為海藻糖酶潛在的抑制劑骨架[16]。此外，在醫(yī)藥研究領(lǐng)域中，已有許多關(guān)于胡椒堿生物活性的報(bào)道，如抗菌、抗腫瘤、抗癌、抗氧化、抗腹瀉、保肝及增效等[17-18]。近年來(lái)，在農(nóng)藥研究領(lǐng)域，胡椒堿也逐漸受到人們關(guān)注。眾多研究表明，胡椒堿及其類似物不僅對(duì)鞘翅目、直翅目、雙翅目、鱗翅目和同翅目等多種農(nóng)業(yè)害蟲均具有殺蟲活性[19-22]，而且對(duì)致病疫霉菌Phytophthora infestans、稻瘟病菌Pyricularia grisea等植物致病真菌還表現(xiàn)出殺菌活性[23-24]。然而，目前尚未見關(guān)于胡椒堿類化合物農(nóng)用活性的綜述報(bào)道。

本文擬對(duì)近年來(lái)報(bào)道的海藻糖酶晶體結(jié)構(gòu)、底物/抑制劑結(jié)合模式以及酶抑制劑在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的活性研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。鑒于胡椒堿類化合物不僅可作為海藻糖酶的潛在抑制劑，而且具有多重生物活性，因此，本文著重介紹了胡椒堿及其類似物在昆蟲海藻糖酶抑制作用等方面的多種農(nóng)用活性研究進(jìn)展，以期為靶向海藻糖酶結(jié)構(gòu)開發(fā)新型胡椒堿類結(jié)構(gòu)的農(nóng)用化學(xué)品提供參考。

1 海藻糖酶結(jié)構(gòu)及其與抑制劑/底物的互作機(jī)制研究進(jìn)展

1.1 海藻糖酶的結(jié)構(gòu)

糖苷水解酶 (GHs) 是糖代謝過(guò)程中的重要功能酶，主要負(fù)責(zé)生物體內(nèi)雙糖、多糖及其他糖類復(fù)合物的水解。根據(jù)糖苷水解酶的氨基酸序列保守度可分為168 個(gè)家族，即GH1-GH168[25]。此外，有報(bào)道指出，GHs 存在兩種催化機(jī)理，即保留或反轉(zhuǎn)催化機(jī)制[26]。海藻糖酶則屬于GHs 中的GH15、GH37 或GH65 家族，且其遵循反轉(zhuǎn)催化機(jī)制[27]。

相關(guān)研究表明，昆蟲體內(nèi)含有兩種形式的海藻糖酶，即可溶性海藻糖酶和膜結(jié)合海藻糖酶，均屬于GH37 家族。此外，大多數(shù)真菌或細(xì)菌海藻糖酶也同屬于GH37 家族。 GH37 家族中的海藻糖酶結(jié)構(gòu)普遍具有較高的序列同源性，尤其是在酶催化活性中心的殘基Glu-Asp 更為保守，這兩個(gè)殘基可分別作為親核試劑和質(zhì)子供體完成海藻糖的水解。目前，僅有小部分真菌和古細(xì)菌海藻糖酶被劃分至GH15 和GH65 家族，與GH37家族海藻糖酶不同的是，GH15 和GH65 家族內(nèi)海藻糖酶均以催化中心的一個(gè)Glu 殘基為質(zhì)子供體，而分別以Glu 殘基和水分子作為親核試劑行使其催化功能[13,28]。

截至目前，已有來(lái)自4 種生物的13 個(gè)海藻糖酶的晶體結(jié)構(gòu)被成功解析和報(bào)道 (表1)。通過(guò)分析現(xiàn)有海藻糖酶晶體結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，不同物種海藻糖酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)具有一定相似性，即均由氮端結(jié)構(gòu)域、Ca2+結(jié)合域 (CaBD) 和高度保守的催化域 (CD)3 部分組成。

表1 目前已報(bào)道的不同物種海藻糖酶晶體結(jié)構(gòu)信息Table 1 The crystal structures of trehalase from different species

本文以釀酒酵母S.cerevisiae海藻糖酶的晶體結(jié)構(gòu) (PDB ID: 5N6N) 為例介紹海藻糖酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)[32]。如圖2 所示，海藻糖酶的氮端結(jié)構(gòu)域包括兩個(gè)亞結(jié)構(gòu)，且每個(gè)亞結(jié)構(gòu)中都存在一個(gè)磷酸化位點(diǎn)，即殘基Ser60 和Ser83，它們可以激活海藻糖酶的催化活性。海藻糖酶的CaBD 部分則是由3 個(gè)α螺旋和2 個(gè)反向平行的β-折疊片組成的，其中Ca2+可參與海藻糖酶活性的調(diào)控，并與其相鄰殘基Asp114、Asp116、Asn118 和Asp125 的側(cè)鏈配位互作。海藻糖酶的CD 部分則折疊成一個(gè)典型且高度保守的 (α/α6) -桶型結(jié)構(gòu)，其中海藻糖酶的活性中心就位于該桶型結(jié)構(gòu)內(nèi)部。海藻糖酶的催化位點(diǎn)通常由兩個(gè)葡萄糖結(jié)合亞位點(diǎn)組成，即識(shí)別位點(diǎn)和催化位點(diǎn) (分別稱為 -1 位點(diǎn)和 +1位點(diǎn))，催化位點(diǎn)附近的氨基酸殘基Asp478 和Glu674 是海藻糖酶行使催化功能的關(guān)鍵殘基。此外，在這個(gè)獨(dú)特桶型結(jié)構(gòu)的外部還有一個(gè)類似于“桶蓋”的長(zhǎng)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，包含一對(duì)保守的Glu-Tyr，其位于CaBD 和CD 之間，將海藻糖酶的催化中心包裹在內(nèi)，分別參與底物的結(jié)合與催化。

圖2 釀酒酵母S. cerevisiae 海藻糖酶的晶體結(jié)構(gòu) (PDB ID: 5N6N)[32]Fig. 2 The crystal structures of trehalase from S. cerevisiae (PDB ID:5N6N)[32]

1.2 海藻糖酶與抑制劑/底物的互作機(jī)制

目前，已被解析的海藻糖酶與配體的復(fù)合物結(jié)構(gòu)中僅包括CD 部分，其配體均為糖基抑制劑或底物海藻糖。進(jìn)一步分析海藻糖酶與配體復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，不同物種的海藻糖酶CD 部分的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分保守，且其中配體的結(jié)合位點(diǎn)和結(jié)合模式高度相似。如圖3A 所示，海藻糖酶抑制劑井崗羥胺A (VDM)、1-噻妥唑啉 (TTZ) 及木麻黃素的葡萄糖衍生物在大腸桿菌海藻糖酶中的結(jié)合構(gòu)象十分相似，尤其是這些抑制劑中的葡萄糖環(huán)或假葡萄糖環(huán)部分，幾乎以同一構(gòu)象嵌入海藻糖酶催化中心的 +1 位點(diǎn)，其催化位點(diǎn)附近的Arg152、Trp159、Asn196、Arg277、Glu279 和Gly310 可與其配體形成氫鍵互作，在酶與抑制劑的結(jié)合中發(fā)揮關(guān)鍵作用[29]。釀酒酵母海藻糖酶與底物海藻糖的復(fù)合物結(jié)構(gòu) (PDB ID: 5M4A) 也顯示海藻糖的兩個(gè)葡萄糖環(huán)分別占據(jù)了 +1 和 -1 位點(diǎn)，與酶活性中心的殘基Trp309、Asp310、Asn346 和Gly476以氫鍵結(jié)合 (圖3B)[32]。如圖3C 所示，陰溝腸桿菌Enterobacter cloacae海藻糖酶與VDM 也具有類似的結(jié)合模式，即VDM 可與海藻糖酶活性中心的殘基Trp160、Arg277、Gly310 和Asp312 形成氫鍵相互作用[33]。

圖3 不同類型的抑制劑或天然底物與不同物種海藻糖酶的結(jié)合模式[29,32-33]Fig. 3 The binding modes of different inhibitors or substrates to trehalases from different species[29,32-33]

可見，不同物種的海藻糖酶的催化域結(jié)構(gòu)相對(duì)保守，且與糖基抑制劑或底物海藻糖都具有相似的結(jié)合模式，這為靶向海藻糖酶開發(fā)廣譜性殺蟲 (菌) 劑提供了重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)。此外，海藻糖酶與抑制劑互作的關(guān)鍵氨基酸殘基也可為基于海藻糖酶結(jié)構(gòu)的新型抑制劑設(shè)計(jì)和改造提供借鑒。

2 海藻糖酶抑制劑研究進(jìn)展

自從以海藻糖酶為靶標(biāo)的低毒殺菌劑——井岡霉素問(wèn)世以來(lái)，許多天然的和人工合成的具有海藻糖酶抑制活性的海藻糖類似物被陸續(xù)報(bào)道。主要包括井岡霉素、天然產(chǎn)物salbostatin 和trehazolin及其合成類似物、脫氧野尻霉素及其合成類似物、天然生物堿及其合成類似物。這些抑制劑對(duì)家蠶Bombyx mori、裂腹搖蚊Chironomus riparius、立枯絲核菌Rhizoctonia solani等多種昆蟲或真菌海藻糖酶表現(xiàn)出一定抑制活性。最近本課題組研究發(fā)現(xiàn)，胡椒堿衍生物對(duì)草地貪夜蛾海藻糖酶具有較好抑制活性，成為一類新型海藻糖酶抑制劑候選物[16]。鑒于前期Matassini 等已對(duì)糖基、擬糖基和氨基糖類海藻糖酶抑制劑結(jié)構(gòu)及其醫(yī)用活性進(jìn)行了綜述[15]，本文主要對(duì)具有農(nóng)用殺蟲或殺菌活性的海藻糖酶抑制劑結(jié)構(gòu)及其農(nóng)用活性進(jìn)行介紹，并重點(diǎn)介紹胡椒堿及其類似物在昆蟲海藻糖酶抑制活性等方面的農(nóng)用研究進(jìn)展。

2.1 商品化殺菌劑——井岡霉素

二十世紀(jì)70 年代，研究人員從吸水鏈霉菌亞種Streptomyces hygroscopicus中分離出一類天然的抗生素，其有效成分為井岡霉素A (Val A，圖4，1)。目前，井岡霉素是防治水稻紋枯病最常用、最有效的農(nóng)藥品種，同時(shí)它還可與丙環(huán)唑、戊唑醇和三唑酮等多種殺菌劑混配用于防治小麥紋枯病、小麥赤霉病以及稻曲病等[34]。表2 總結(jié)了井岡霉素類化合物對(duì)昆蟲和真菌海藻糖酶的抑制活性。

1974 年，研究者首次發(fā)現(xiàn)Val A 對(duì)水稻紋枯病菌Pellicularia sasakii菌絲的生長(zhǎng)無(wú)顯著抑制作用，且對(duì)菌株蛋白質(zhì)或核酸含量也無(wú)影響，而是通過(guò)改變菌絲的形態(tài)間接抑制菌絲的擴(kuò)增，但該研究中并無(wú)有關(guān)Val A 靶標(biāo)和作用機(jī)制的報(bào)道[35]。1985 年，Trinci 等發(fā)現(xiàn)，葡萄糖可阻斷Val A 對(duì)禾谷絲核菌Rhizoctonia cerealis的抑制活性，由此推測(cè)Val A 的靶標(biāo)可能與糖代謝有關(guān)[36]。直至1987年，Asano 等測(cè)定了Val A 及validoxylamine A(VDM，圖4，2) 對(duì)立枯絲核菌中提取出的不同糖苷水解酶的抑制作用，發(fā)現(xiàn)Val A 及VDM 對(duì)海藻糖酶表現(xiàn)出顯著的抑制活性，其IC50值分別為7.2 ×10-5和1.4 × 10-7mol/L，但對(duì)纖維素酶、果膠酶和幾丁質(zhì)酶等其他糖苷水解酶并無(wú)抑制活性，由此推斷，Val A 可能是先被運(yùn)輸?shù)骄z后被水解為VDM，最終作用于海藻糖酶而發(fā)揮殺菌作用[37]。1992 年，Shigemoto 等研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)基中添加葡萄糖和蔗糖等糖類物質(zhì)時(shí)會(huì)顯著降低Val A對(duì)立枯絲核菌的抑菌活性，再一次證明了Val A 作為海藻糖酶抑制劑可以影響植物病原真菌的糖代謝[38]。

圖4 井岡霉素類化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig. 4 The chemical structures of validamycin analogues

除立枯絲核菌外，有許多研究也報(bào)道了Val A對(duì)其他植物病原真菌的抑制活性。1996 年，Ishikawa 等研究發(fā)現(xiàn)，Val A 在50 μg/mL 下對(duì)青枯假單胞菌Pseudomonas sollanacearum的生長(zhǎng)具有抑制作用，且盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，Val A 對(duì)青枯病具有顯著的治療效果，其在250 μg/mL 下可使其發(fā)病率降低47.4%[39]。2019 和2021 年，Bian 等和Li 等均研究了Val A 對(duì)禾谷鐮孢菌Fusariumgraminearum的抑菌機(jī)制，表明Val A 能通過(guò)抑制海藻糖酶活性進(jìn)而調(diào)控糖酵解過(guò)程中丙酮酸激酶的活性，以抑制脫氧雪腐鐮刀菌烯醇 (deoxynivalenol,DON) 的產(chǎn)生，最終抑制禾谷鐮孢菌的侵染。此外，上述研究還發(fā)現(xiàn)，Val A 不僅可以抑制DON的生物合成，還可以誘導(dǎo)宿主對(duì)禾谷鐮孢菌的抗性反應(yīng)[40-41]。

鑒于海藻糖酶在昆蟲體內(nèi)重要的生物學(xué)功能，許多研究者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)Val A 也可作為昆蟲海藻糖酶抑制劑表現(xiàn)出一定殺蟲活性。1978 年，K a m e d a 團(tuán)隊(duì)研究，指出V D M 對(duì)斜紋夜蛾Spodoptera litura海藻糖酶具有顯著的抑制活性(IC50=4.8 × 10-8mol/L)，且高于Val A 對(duì)該酶的抑制活性 (IC50=3.7 × 10-7mol/L)[42]。1995 年，Takahashi 等通過(guò)顯微注射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Val A 能顯著抑制家蠅Musca domestica、肉蠅Sarcophagidae和寬麗蠅Calliphora nigribarbis體內(nèi)的海藻糖酶活性，使得海藻糖在其血淋巴中積累。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)注射2.5 μg 的Val A可造成30%供試家蠅的死亡，但對(duì)其他兩種蠅類則無(wú)致死效果[43]。2009 年，Jin 等研究發(fā)現(xiàn)除Val A 和VDM 外，井岡霉素B (validamycin B, 圖4，3) 和validoxylamine B (圖4，4) 對(duì)白蟻termites 海藻糖酶也具有顯著抑制活性 (表2)，且酶促動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，Val A等井岡霉素類化合物對(duì)白蟻海藻糖酶的親和力要強(qiáng)于其底物海藻糖[44]。上述研究結(jié)果表明，Val A可作為白蟻海藻糖酶的潛在抑制劑，值得進(jìn)一步關(guān)注。2016 年，Tatun 等通過(guò)飼喂和注射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Val A 可通過(guò)腸道上皮細(xì)胞進(jìn)入其血淋巴中，從而顯著抑制赤擬谷盜T. castaneum海藻糖酶的活性。此外，該研究還指出Val A 可通過(guò)抑制赤擬谷盜海藻糖酶的活性，進(jìn)而抑制其幾丁質(zhì)合成，從而影響赤擬谷盜的化蛹和羽化過(guò)程，最終導(dǎo)致成蟲的畸形和死亡[45]。Tang 等向褐飛虱N.lugens體內(nèi)注射Val A 后，發(fā)現(xiàn)其可通過(guò)抑制褐飛虱可溶性海藻糖酶和膜結(jié)合海藻糖酶的活性，進(jìn)而調(diào)節(jié)褐飛虱體內(nèi)幾丁質(zhì)的代謝，并顯著影響其幾丁質(zhì)代謝相關(guān)基因的mRNA 表達(dá)水平，最終導(dǎo)致供試褐飛虱種群的死亡和畸形[46]。近年來(lái)，Marten 等研究發(fā)現(xiàn)Val A 也可降低埃及伊蚊Aedes aegypti體內(nèi)葡萄糖的含量，進(jìn)而造成其發(fā)育延遲和飛行嚴(yán)重受阻，這表明Val A 作為海藻糖酶抑制劑也可用于衛(wèi)生害蟲的防治[47]。2022 年，Yu 等通過(guò)代謝組學(xué)分析等手段研究Val A 對(duì)斜紋夜蛾的殺蟲機(jī)制，發(fā)現(xiàn)Val A 可以通過(guò)抑制斜紋夜蛾中糖代謝和幾丁質(zhì)的合成發(fā)揮殺蟲活性，該研究為應(yīng)用Val A 防治斜紋夜蛾奠定了重要理論基礎(chǔ)[48]。

表2 井岡霉素類化合物對(duì)不同物種的海藻糖酶抑制活性匯總表Table 2 Summary of inhibitory activities of validamycin against trehalases from different species

綜上所述，Val A 作為唯一以海藻糖酶為靶標(biāo)的商品化殺菌劑，通過(guò)內(nèi)吸方式進(jìn)入植物病原菌絲后可被水解為VDM，進(jìn)而作用于海藻糖酶，對(duì)立枯絲核菌、青枯假單胞菌和禾谷鐮刀菌等眾多植物病原菌具有良好的防效。此外，Val A 也被證明可作為昆蟲海藻糖酶的潛在抑制劑，但其殺蟲活性普遍不佳，這極大限制了其應(yīng)用。

2.2 天然產(chǎn)物salbostatin、trehazolin 及其合成類似物

20 世紀(jì)90 年代初期，研究者發(fā)現(xiàn)，從白色鏈霉菌Streptomyces albus中提取出的salbostatin (圖5，5) 對(duì)家蠶和豬腎海藻糖酶均具有顯著的抑制活性[49-50]，但可能由于其對(duì)哺乳動(dòng)物選擇性差，因而無(wú)后續(xù)相關(guān)報(bào)道。與此同時(shí)，Ando 等研究發(fā)現(xiàn)，從小單胞菌屬M(fèi)icromonospora的SANK 62390菌株中分離出來(lái)的trehazolin (圖5，6)，可作為家蠶海藻糖酶的潛在抑制劑，且對(duì)其他糖苷轉(zhuǎn)移酶具有良好的選擇性[51]。1995 年，Ando 等首次測(cè)試了trehazolin 的殺蟲活性。結(jié)果表明，當(dāng)向家蠶幼蟲體內(nèi)注射50 和100 μg/蟲的trehazolin 時(shí)，可分別造成70%和100%供試家蠶幼蟲的死亡。值得注意的是，trehazolin 除具有明顯的殺蟲活性外，其對(duì)立枯絲核菌海藻糖酶也具有一定的抑制活性，且與Val A 相當(dāng)[52]。2003 年，研究者發(fā)現(xiàn)，tre 對(duì)蝗蟲Locusta migratoria肌肉中的海藻糖酶具有顯著的抑制效果，其Ki值在8～10 nmol/L 范圍內(nèi)，注射試驗(yàn)結(jié)果表明，trehazolin 表現(xiàn)出優(yōu)異的殺蟲活性：在24 h 內(nèi)50 μg/mL 的trehazolin 即可殺死50% 的供試?yán)ハx[11]。2001 年，Qian 等對(duì)trehazolin 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，得到了結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的化合物7 (圖5)，其在200 mg/L 下對(duì)黑腹果蠅Drosophila melanogaster有顯著的殺蟲活性和抑制其飛行的效果，但該化合物對(duì)豬腎海藻糖酶也表現(xiàn)出中等的抑制活性[53]。隨后，研究者發(fā)現(xiàn)，trehazolin 的類似物1-thiatrehazolin (圖5，8) 對(duì)豬腎海藻糖酶的抑制活性遠(yuǎn)低于trehazolin[54]，且Gibson 等解析了1-thiatrehazolin 與大腸桿菌海藻糖酶的二元復(fù)合蛋白晶體結(jié)構(gòu)，深入闡明了其對(duì)海藻糖酶的抑制機(jī)制[29]，但目前尚未見該化合物對(duì)昆蟲或真菌海藻糖酶抑制活性和農(nóng)用活性報(bào)道。

2.3 脫氧野尻霉素及其合成類似物

1994 年，Asano 等首先報(bào)道了脫氧野尻霉素(DNJ，圖5，9) 和1,4-二脫氧-1,4-亞氨基-D-阿拉伯糖醇 (DAB-1，圖5，10) 可作為金黃色毛殼菌Trichoderma aureus海藻糖酶的抑制劑[55-56]。直至2007 年，Konno 等才研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的DNJ 和DAB-1 對(duì)蝴蝶幼蟲 (caterpillars) 具有顯著的殺蟲活性[57]。2010 年，研究者發(fā)現(xiàn)，DNJ 雖然對(duì)裂腹搖蚊的膜結(jié)合海藻糖酶和豬腎海藻糖酶均表現(xiàn)出抑制活性，但其對(duì)二者的酶促動(dòng)力學(xué)存在顯著差異，表明其可以作為開發(fā)靶向海藻糖酶的殺蟲劑先導(dǎo)。因此，研究者隨后合成了一系列DNJ 類似物，其中僅化合物11 (圖5) 對(duì)豬腎海藻糖酶具有安全性[58]。DNJ 雖然具有較好的昆蟲海藻糖酶抑制效果但其對(duì)豬腎海藻糖酶選擇性差，為進(jìn)一步解決此問(wèn)題，研究者設(shè)計(jì)并合成了多個(gè)DNJ 類似物，發(fā)現(xiàn)化合物12 和13 (圖5) 均對(duì)裂腹搖蚊海藻糖酶具有選擇性[59-60]。此外，1983 年，有研究者發(fā)現(xiàn)DNJ 的類似物1,5-二脫氧-1,5-亞氨基-D-甘露醇 (DMJ，圖5，14) 對(duì)麻蠅Sarcophaga barbata海藻糖酶具有一定抑制活性[61]，雖然其抑制效果低于DNJ，但其對(duì)哺乳動(dòng)物海藻糖酶并無(wú)抑制活性，具有更高的安全性。1995 年，有研究報(bào)道了2R,5R-二羥甲脲-3R,4R-二羥基吡咯烷 (DMDP，圖5，15) 對(duì)小菜蛾P(guān)luttella xylostella和棒狀桿菌Corynebacteriumsp.的海藻糖酶均具有抑制活性，且該化合物在1 mmol/L 下對(duì)豬腎海藻糖酶無(wú)抑制作用[62]?？梢?，上述抑制劑對(duì)昆蟲海藻糖酶均具有較好的抑制活性，但其對(duì)哺乳動(dòng)物的安全性仍有待考量，且鮮有其對(duì)農(nóng)用殺蟲活性的報(bào)道。因此，這些抑制劑能否成為潛在殺蟲劑還值得進(jìn)一步探討。

圖5 已報(bào)道的海藻糖酶抑制劑結(jié)構(gòu)Fig. 5 The chemical structures of inhibitors against trehalases

2.4 天然生物堿及其合成類似物

除糖基和擬糖基類抑制劑外，一些天然的生物堿及其類似物也被報(bào)道具有昆蟲或真菌海藻糖酶的抑制活性。1996 年，Asano 等從茄科植物提取物中分離鑒定出了幾種莨菪烷生物堿，發(fā)現(xiàn)其中 calystegine A3(圖5，16)、Calystegine B2(圖5，17) 和calystegine B4(圖5，18) 對(duì)眾多昆蟲和植物病原菌 (家蠶、斜紋夜蛾和立枯絲核菌等) 的海藻糖酶均具有抑制活性，但這些化合物對(duì)大鼠和豬等哺乳動(dòng)物體內(nèi)的海藻糖酶同樣具有抑制活性(表3)，這表明這些化合物缺乏安全性[63]。2003年，木麻黃堿 (圖5，19) 和6-O-α-D-葡萄糖苷(圖5，20) 被報(bào)道具有豬腎海藻糖酶抑制活性[64]，隨后，2010 年，研究者又發(fā)現(xiàn)木麻黃堿也可顯著抑制裂腹搖蚊的海藻糖酶活性[58]。同年， Cardona等對(duì)6-O-α-D-葡萄糖苷結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，發(fā)現(xiàn)合成的化合物21 和22 (圖5) 對(duì)大腸桿菌和裂腹搖蚊的海藻糖酶抑制效果不及其母體化合物6-O-α-D-葡萄糖苷 (Ki值分別為12 和0.66 nmol/L)，但對(duì)豬腎海藻糖酶卻表現(xiàn)出良好的安全性[30]。(-)-uniflorine A(圖5，23) 是從桃金娘科植物Myrtaceae Juss.的葉子中分離出來(lái)的一種天然生物堿，2015 年，D’Adamio等合成(-)-uniflorine A 類似物7-deoxy-uniflorine A(圖5，24)，并發(fā)現(xiàn)(-)-uniflorine A 和7-deoxy-uniflorine A 對(duì)裂腹搖蚊和棉葉蟲Spodoptera littoralis海藻糖酶均具有顯著的抑制活性，且對(duì)豬腎海藻糖具有安全性，但顯微注射結(jié)果卻顯示這些化合物對(duì)棉葉蟲的生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)顯著影響，推測(cè)可能是該抑制劑在體內(nèi)不穩(wěn)定容易快速降解所致[65]。

表3 化合物對(duì)不同物種海藻糖酶抑制活性信息表Table 3 Information on inhibitory activities of inhibitors against trehalases from different species

2.5 胡椒堿及其類似物

胡椒堿，又名1-胡椒酰哌啶1-piperylpiperidine，其化學(xué)名為1-(5-(1,3-苯并二氧雜環(huán)戊烯-5-基)-1-氧代-2,4-戊二烯基-(E,E)-)哌啶) (結(jié)構(gòu)式見圖6)。

圖6 胡椒堿的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig. 6 Chemical structure of piperine

最近本課題組首次研究發(fā)現(xiàn)胡椒堿類化合物可顯著抑制草地貪夜蛾海藻糖酶活性，使其幾丁質(zhì)代謝通路紊亂，并延緩草地貪夜蛾的生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致草地貪夜蛾的蛻皮困難和生長(zhǎng)發(fā)育異常而死，這表明胡椒堿結(jié)構(gòu)可作為靶向海藻糖酶的新型潛在抑制劑或殺蟲劑候選物骨架值得深入研究[16]。此外，胡椒堿類化合物作為一類含有1,3-苯并二氧雜環(huán)獨(dú)特骨架的化合物，還具有抗腫瘤、抗癌、抗氧化、抗腹瀉、殺蟲活性、抗菌活性和協(xié)同增效作用等多種生物活性[17,20,23]。胡椒堿具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和便于改造的特點(diǎn)，近年來(lái)胡椒堿類化合物的設(shè)計(jì)與改造受到研究者們的廣泛關(guān)注。如圖6 所示，胡椒堿的主要結(jié)構(gòu)包括3 部分，即胡椒環(huán) (1,3-苯并二氧雜環(huán)) A、橋鏈B 和哌啶環(huán)C[66]。目前，相關(guān)研究大多針對(duì)胡椒堿的B 和C 部分進(jìn)行改造，且發(fā)現(xiàn)改造后化合物具有一定農(nóng)用活性。以下就胡椒堿及其類似物的結(jié)構(gòu)、農(nóng)用殺蟲、殺菌或增效活性方面的研究進(jìn)展展開綜述。

2.5.1 胡椒堿及其類似物殺蟲活性研究進(jìn)展 天然胡椒堿類化合物種類眾多，如：胡椒堿、guineensine (圖7，25) 和Pipercide (圖7，26) 等。截止目前，已有多種天然的胡椒堿類化合物被報(bào)道其對(duì)鞘翅目、鱗翅目、雙翅目和同翅目等類害蟲有殺蟲活性。1977 年，Su 首先發(fā)現(xiàn)胡椒堿對(duì)米象甲Sitophilus oryzae和綠豆象Callosobruchus chinensis有一定的殺蟲活性[67]。1978 年，Scott 等研究表明，黑胡椒提取物對(duì)3～5 齡的棉鈴象鼻蟲Anthonomus grandis表現(xiàn)為高毒，其LD50值為9.6 μg/蟲[68]。1981 年，Su 等人發(fā)現(xiàn)，guineensine (圖7，25)和pipercide (圖7，26) 對(duì)綠豆象有觸殺毒性，且對(duì)其腿部肌肉有麻痹作用[69]。1993 年，Gbewonyo等發(fā)現(xiàn)，從胡椒根中提取的化合物25、26 和guineensinamide (圖7，27) 具有神經(jīng)毒劑的作用特點(diǎn)，并對(duì)家蠅表現(xiàn)出擊倒和致死活性，其中擊倒活性和致死活性的排序分別為： 化合物25＞27＞26 和化合物26＞25＞27[19]。此外，Akinbuluma 等報(bào)道了5%的化合物25和胡椒堿在96 h 內(nèi)對(duì)玉米象Sitophilus zeamais有顯著的致死效果，且與對(duì)照甲基硫磷無(wú)顯著差異。此外，上述化合物還可影響玉米象的產(chǎn)卵且對(duì)其具有驅(qū)避活性 (驅(qū)避率為70%)，因此，胡椒堿類化合物作為倉(cāng)儲(chǔ)糧食保護(hù)劑值得進(jìn)一步研究[22]。1999 年，Jacobs 等研究了6 種胡椒堿類化合物，即化合物25、26、28、29、30、31 (圖7) 在100 mg/L 下對(duì)埃及伊蚊Aedes aegypti的殺蟲活性，結(jié)果顯示化合物25、26 和28 在2 h 內(nèi)殺蟲活性達(dá)到100%，但是化合物30、31 無(wú)殺蟲活性，推測(cè)可能由于其短鏈結(jié)構(gòu)使親酯性較低，不易透過(guò)昆蟲的體壁所導(dǎo)致[70]。

圖7 具有殺蟲活性的天然胡椒堿類化合物結(jié)構(gòu)式Fig. 7 Structural formula of natural piperine compounds with insecticidal activity

2002 年，Park 等研究發(fā)現(xiàn)化合物25、26 和retrofractamide A (圖7，32) 對(duì)淡色庫(kù)蚊Culex pipiens pallens、埃及伊蚊和東鄉(xiāng)伊蚊Aedes togoi表現(xiàn)出顯著的致死活性，且均優(yōu)于胡椒堿，由此推斷胡椒堿類化合物中的N-異丁胺部分對(duì)蚊子幼蟲的毒性至關(guān)重要[20]。上述研究也表明，天然胡椒堿類化合物可作為潛在的蚊蟲防治劑，值得進(jìn)一步研究。同年，Yang 等報(bào)道了pipernonaline(圖7，33) 對(duì)埃及伊蚊幼蟲的殺蟲活性，其LC50值為0.25 mg/L，與商品化殺蚊劑甲基嘧啶磷相當(dāng)[71]。2006 年，王佳采用個(gè)體研究與細(xì)胞研究相結(jié)合辦法，發(fā)現(xiàn)胡椒堿表現(xiàn)出顯著的神經(jīng)毒劑特點(diǎn)，其對(duì)淡色庫(kù)蚊有明顯的觸殺活性 (LC50值為0.368 μg/L)，推測(cè)胡椒堿可能是作用于昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)而發(fā)揮其殺蟲活性的，此外，胡椒堿也可對(duì)淡色庫(kù)蚊幼蟲的發(fā)育和產(chǎn)卵等生理過(guò)程產(chǎn)生影響[21]。2007 年，王玉芳在王佳研究基礎(chǔ)上，從細(xì)胞水平上研究胡椒堿對(duì)白紋伊蚊Aedes albopictusC6/36 細(xì)胞的毒性機(jī)制，結(jié)果表明胡椒堿對(duì)上述細(xì)胞系有較強(qiáng)的毒性和生長(zhǎng)抑制作用，可作為新型殺蟲劑的候選物[72]。2011 年，Tavares等研究發(fā)現(xiàn)，10 g/L 的胡椒堿可造成草地貪夜蛾和小蔗螟Diatraea saccharalis卵的致死率分別達(dá)到88.8%和98.9%[73]。2013 年，馮崗等研究發(fā)現(xiàn)，胡椒堿對(duì)螺旋粉虱Aleurodicus dispersusRussell 成蟲和幼蟲均具有很好的殺蟲活性，且與對(duì)照藥劑印楝素相當(dāng)[74]。2017 年，Kim 等研究了天然胡椒堿類化合物(-)-asarinin (圖7，34) 和(+)-xanthjoxylolγ,γ-dimethylallylether (XDA，圖7，35) 對(duì)淡色庫(kù)蚊、埃及伊蚊3 齡幼蟲的殺蟲活性，結(jié)果顯示XDA對(duì)兩種蚊類幼蟲的殺蟲活性均高于(-)-asarinin，但不及殺蚊劑雙硫磷。值得注意的是，XDA 對(duì)淡色庫(kù)蚊的抗性種群也表現(xiàn)出顯著殺蟲活性 (LC50=0.31 mg/L)，表明該化合物與擬除蟲菊酯和有機(jī)磷類殺蟲劑具有不同的作用模式且無(wú)交互抗性，可作為潛在的殺蟲劑進(jìn)一步研究[75]。2021 年，Akinbuluma等研究發(fā)現(xiàn)胡椒堿、胡椒酸甲酯 (圖7，36) 對(duì)甜菜夜蛾Spodopteraexigua二齡幼蟲的LD50值分別為0.42 μg/蟲和2.07 μg/蟲，且這兩個(gè)化合物對(duì)甜菜夜蛾幼蟲體內(nèi)的羧酸酯酶、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶和乙酰膽堿酯酶等解毒代謝酶的也具有顯著抑制作用[22]。

迄今為止，天然胡椒堿及其類似物對(duì)象鼻蟲、玉米象、埃及伊蚊、草地貪夜蛾、小蔗螟等多種農(nóng)業(yè)害蟲具有殺蟲或殺卵等作用，推測(cè)其可能作用于昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)或其體內(nèi)的解毒代謝酶系以發(fā)揮其殺蟲活性，但是其真正的作用靶標(biāo)和毒性機(jī)制仍有待后續(xù)深入研究和關(guān)注。

鑒于天然胡椒堿及其類似物具有廣譜的殺蟲活性，研究人員以胡椒堿為先導(dǎo)，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)改造發(fā)現(xiàn)，許多結(jié)構(gòu)新穎的胡椒堿類似物也表現(xiàn)出顯著的殺蟲活性。2011 年，徐聰報(bào)道了一類胡椒基丙烯酰胺類化合物，其中化合物37 (圖8) 在150 mg/L 下對(duì)黏蟲Mythimna separate的致死率達(dá)到66.7%[76]。2013 年，Qu 等篩選發(fā)現(xiàn)了胡椒堿腙類化合物38～40 (圖8)，其在1 mg/mL 下對(duì)黏蟲的致死率達(dá)60%以上，高于對(duì)照川楝素[77]。2015 年，Qu 等又發(fā)現(xiàn)胡椒堿磺酰腙類化合物41 和42 對(duì)黏蟲具有特別強(qiáng)的麻醉活性，且化合物41 對(duì)乙酰膽堿酯酶具有選擇性抑制活性[78]。2018 年，Yang 等研究發(fā)現(xiàn)，含異惡唑啉/吡唑啉支架的胡椒堿類化合物43～45 對(duì)小菜蛾具有顯著的殺蟲活性，同時(shí)對(duì)黏蟲也具較好的生長(zhǎng)抑制活性[79]。2020 年， Tantawy等合成了一系列胡椒堿基二烯肼類化合物，其中化合物46～54 (圖8) 在0.75 mg/mL 下對(duì)尖音庫(kù)蚊Culex pipiens表現(xiàn)出良好的殺蟲活性 (死亡率為80.00%～83.33%)，優(yōu)于先導(dǎo)胡椒堿和對(duì)照溴氰菊酯，此外該研究指出胡椒堿基二烯肼類化合物的潛在靶標(biāo)可能為乙酰膽堿酯酶 (acetylcholinesterase,AChE)，且該類化合物中苯環(huán)上C-2 位置的取代基的有無(wú)對(duì)其殺蟲活性的高低至關(guān)重要[80]。此外，本課題組前期以胡椒堿為先導(dǎo)設(shè)計(jì)并合成了多個(gè)胡椒類化合物，并篩選發(fā)現(xiàn)了對(duì)亞洲玉米螟Ostrinia furnacalis幾丁質(zhì)酶I 具有顯著抑制活性的胡椒基丁烯內(nèi)酯類化合物 (圖8，55～60)，其對(duì)亞洲玉米螟幾丁質(zhì)酶I 的抑制活性Ki位于1.03～2.04 μmol/L 之間，也發(fā)現(xiàn)了對(duì)亞洲玉米螟幾丁質(zhì)酶I 和幾丁質(zhì)酶h 兼具抑制活性的胡椒基硫代噻唑烷酮類化合物 (Ki=0.2～0.67 μmol/L)，并指出這兩類化合物對(duì)亞洲玉米螟均有殺蟲活性和生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)節(jié)功能，可作為開發(fā)新型昆蟲生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的先導(dǎo)值得關(guān)注[81-82]。

圖8 具有殺蟲活性的合成胡椒堿類似物的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig. 8 Chemical structure of synthetic piperine analogues with insecticidal activity

綜上所述，基于胡椒堿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合成的多類化合物表現(xiàn)出顯著的殺蟲活性，且現(xiàn)有研究結(jié)果表明胡椒堿類化合物的作用靶標(biāo)可能為乙酰膽堿酯酶、幾丁質(zhì)酶和海藻糖酶等，但仍需進(jìn)一步研究證實(shí)，以實(shí)現(xiàn)為基于關(guān)鍵害蟲靶標(biāo)結(jié)構(gòu)開發(fā)新型高效殺蟲劑研究提供參考和奠定基礎(chǔ)。此外，基于上述研究結(jié)果，本文總結(jié)發(fā)現(xiàn)胡椒堿的1,3-苯并二氧雜環(huán)A 部分和橋鏈B 部分對(duì)胡椒堿類化合物的殺蟲活性十分重要，而C 部分的哌啶環(huán)似乎對(duì)化合物的殺蟲活性影響較小，但胡椒堿的酰胺鍵相對(duì)也是必要的 (圖9)。

圖9 胡椒堿類化合物與殺蟲活性構(gòu)效關(guān)系Fig. 9 Structure-activity relationship between piperine compounds and the insecticidal activity

2.5.2 胡椒堿及其類似物的殺菌活性研究進(jìn)展胡椒堿類化合物除具有優(yōu)異的殺蟲活性外，也被報(bào)道具有廣譜的農(nóng)用殺菌活性。2001 年，Lee 等從蓽茇果實(shí)中分離出的pipernonaline (圖7，33)，其在1 mg/mL 下對(duì)稻瘟病菌、立枯絲核菌、致病疫霉菌Phytophthora infestans和小麥銹病菌Puccinia recondita的離體抑菌活性分別為71%、35%、91% 和100%，暗示該化合物可作為開發(fā)新型廣譜殺菌劑的先導(dǎo)化合物[23]。2010 年，Marques 等測(cè)試了胡椒堿、piperlonguminine (圖10，61) 和corcovadine (圖10，62) 以及合成的酰胺類化合物對(duì)植物病原菌芽枝狀枝孢菌Cladosporium cladosporioides及球孢枝孢菌Cladosporium sphaerospermum的離體抑菌活性，結(jié)果表明這些胡椒堿類化合物對(duì)兩種植物病原菌均具有一定抑菌活性，且構(gòu)效關(guān)系分析結(jié)果表明，單雙鍵連接芳香環(huán)和異丁基酰胺部分對(duì)胡椒堿類化合物的殺菌活性至關(guān)重要[83]。2014 年，王濤等報(bào)道了一種含胡椒環(huán)的膦酸鹽化合物，其中化合物63 (圖10)在50 mg/L 下對(duì)油菜菌核病菌Sclerotinia sclerotiorum和黃瓜灰霉病菌Botrytis cinerea顯示出良好的抑制活性[84]。同年，寧國(guó)慧等報(bào)道了一類含胡椒環(huán)的異惡唑啉類化合物，其中化合物64 (圖10)在50 mg/L 下對(duì)小麥赤霉菌Fusarium graminearum和棉花疫霉菌Phytophthora boehmeriae的離體抑制率都達(dá)到了90%以上[85]。此外，劉長(zhǎng)令等研究發(fā)現(xiàn)胡椒堿類化合物65、66 (圖10) 在2.8 mg/L下對(duì)稻瘟病菌的抑制率達(dá)到了100%，更值得注意的是，化合物66 在0.9 mg/L下對(duì)稻瘟病菌還可達(dá)到80%，且化合物67 對(duì)小麥白粉病菌Blumeria graminis、黃瓜霜霉病菌Pseudoperonospora cubensis和玉米銹病菌Pucciniasorghi也表現(xiàn)出廣譜的離體抑菌活性[86]。2020年，王凈凈以胡椒堿為先導(dǎo)，在其側(cè)鏈引入精油和胺類結(jié)構(gòu)合成了一系列化合物68～70 (圖10)，其中化合物70 (圖10)對(duì)辣椒疫霉菌Phytophthora capsici和茶樹擬莖點(diǎn)病菌Phomopsis adianticola都表現(xiàn)出100%的抑制活性，遠(yuǎn)優(yōu)于先導(dǎo)胡椒堿 (41.88%) 和對(duì)照多菌靈(34.27%)[87]。同年，宋迪合成了胡椒基內(nèi)酰胺類衍生物，其中化合物71 (圖10) 對(duì)茶樹鏈格孢菌Alternaria tenuis的抑菌活性最好，高于陽(yáng)性對(duì)照多菌靈[88]。2021 年，宋萍萍等公開了胡椒堿作為農(nóng)業(yè)殺菌劑的用途專利，表明其可有效地防治菌核病、紋枯病、灰霉病、赤霉病、炭疽病、惡苗病、蔓枯病、枯萎病、黃萎病等多種農(nóng)作物病害。更重要的是，胡椒堿還具有低毒、無(wú)殘留、無(wú)污染和無(wú)公害的特點(diǎn)，可作為開發(fā)環(huán)境友好型殺菌劑的先導(dǎo)[89]。

圖10 具有殺菌活性的胡椒堿類化合物結(jié)構(gòu)Fig. 10 Structures of piperine compounds with fungicidal or bactericidal activity

總之，胡椒堿類化合物對(duì)植物病原真菌或細(xì)菌都具有一定的殺菌作用。如圖11 所示，構(gòu)效關(guān)系分析表明，胡椒環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)其殺菌活性可能是重要的，但橋鏈部分與殺菌活性的關(guān)系在不同物種中有所差別，同時(shí)哌啶環(huán)部分似乎也不是必須的，這就賦予了胡椒堿較大的結(jié)構(gòu)改造空間。但是，目前有關(guān)胡椒堿及其類似物抑菌的分子機(jī)制尚未見報(bào)道，作用靶標(biāo)也未明確，這是基于胡椒堿獨(dú)特骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)和改造以期發(fā)現(xiàn)活性優(yōu)異的抑菌候選物的瓶頸。因此，后續(xù)研究中還需對(duì)胡椒堿及其類似物的作用機(jī)制進(jìn)行深入地研究，為開發(fā)靶向關(guān)鍵病蟲害生物功能蛋白的高活性胡椒堿類化合物奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。

圖11 胡椒堿類化合物與殺菌活性構(gòu)效關(guān)系Fig. 11 Structure-activity relationship between piperine compounds and fungicidal activity

近年來(lái)，胡椒堿的增效作用也引起了人們的廣泛關(guān)注，有研究表明胡椒堿可通過(guò)增加分子的溶解度和生物利用度等理化性質(zhì)以提高商品化殺菌劑的防效。2018 年，王勇等將胡椒堿和丁香酚按照質(zhì)量比3 : 1～1 : 1 進(jìn)行復(fù)配制得增效殺菌劑，在離體及田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其對(duì)草莓灰霉病具有良好的防效，該復(fù)配劑可作為對(duì)己苯并咪唑類及二甲酰亞胺類殺菌劑產(chǎn)生抗藥性的草莓灰霉病防治的替代藥劑[90]。同年，王勇等還發(fā)明了胡椒堿與啶酰菌胺增效復(fù)配的殺菌劑，在油菜菌核病及草莓灰霉病的防治中，該復(fù)配劑防效顯著，且能顯著降低化學(xué)藥劑啶酰菌胺的用量，有望成為新一代環(huán)保、高效和低毒的農(nóng)用殺菌劑[91]。

綜上所述，雖然已有多種糖基和擬糖基類海藻糖酶抑制劑被報(bào)道，但這些抑制劑普遍存在諸多問(wèn)題，如：結(jié)構(gòu)單一、合成困難、缺乏安全性和較少殺蟲 (菌) 活性報(bào)道等。最近本課題組研究發(fā)現(xiàn)的新型胡椒堿類化合物作為海藻糖酶抑制劑具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于合成，有較大的改造空間，且表現(xiàn)出個(gè)體殺蟲活性，值得深入研究。

3 總結(jié)與展望

近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，尤其是眾多經(jīng)濟(jì)作物的大面積栽培，農(nóng)業(yè)病蟲害問(wèn)題日益嚴(yán)重。當(dāng)病蟲害大規(guī)模發(fā)生時(shí)，化學(xué)防治仍是最有效的方法，但人類大量不合理的使用化學(xué)農(nóng)藥，已經(jīng)引起了嚴(yán)重的3R 問(wèn)題，即殘留、抗性和有害生物再猖獗等。因此，探索全新的農(nóng)藥靶標(biāo)并針對(duì)新靶標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理藥物設(shè)計(jì)是解決這一問(wèn)題的主要手段。海藻糖酶廣泛存在于農(nóng)業(yè)有害生物，如：昆蟲、細(xì)菌、真菌等生物體內(nèi)且發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能，加之其在農(nóng)業(yè)有害生物和哺乳動(dòng)物體內(nèi)的功能存在差異，這表明海藻糖酶可作為安全型殺蟲劑或殺菌劑的潛在靶標(biāo)。目前除了已報(bào)道的海藻糖酶抑制劑外，胡椒堿類化合物也被發(fā)現(xiàn)具有良好的海藻糖酶抑制活性，且能影響草地貪夜蛾的生長(zhǎng)發(fā)育，可作為新型昆蟲生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑候選先導(dǎo)。胡椒堿類化合物具有多重農(nóng)用活性，且原料易得、結(jié)構(gòu)改造空間大，在農(nóng)業(yè)病蟲害防治領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。本文對(duì)已報(bào)道的海藻糖酶晶體結(jié)構(gòu)、酶與底物/抑制劑結(jié)合的關(guān)鍵氨基酸殘基和抑制劑的結(jié)構(gòu)和農(nóng)用活性進(jìn)行綜述，尤其關(guān)注作為潛在海藻糖酶抑制劑的胡椒堿類化合物的農(nóng)用生物活性，期望為新型胡椒堿類海藻糖酶抑制劑的進(jìn)一步研究和開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

雖然有關(guān)海藻糖酶靶標(biāo)結(jié)構(gòu)、抑制劑及胡椒堿類化合物農(nóng)用活性的研究已取得一定進(jìn)展，但仍存在諸多問(wèn)題亟待解決，如：海藻糖酶晶體結(jié)構(gòu)較少，且尚無(wú)昆蟲海藻糖酶晶體結(jié)構(gòu)的報(bào)道；現(xiàn)有海藻糖酶抑制劑結(jié)構(gòu)較為單一、合成復(fù)雜對(duì)哺乳動(dòng)物選擇性差，并且鮮有殺蟲或殺菌活性的報(bào)道。此外，具有農(nóng)用活性的胡椒堿類化合物的作用機(jī)制和作用靶標(biāo)尚未明確，這使得未來(lái)以胡椒堿結(jié)構(gòu)為骨架、以重要靶標(biāo)結(jié)構(gòu)為靶向的新型農(nóng)用化學(xué)品合理設(shè)計(jì)與開發(fā)存在困難。因此，未來(lái)植物保護(hù)領(lǐng)域的研究人員應(yīng)著重解決這些問(wèn)題，推動(dòng)以海藻糖酶為靶標(biāo)的新型農(nóng)用抑制劑的設(shè)計(jì)與開發(fā)，預(yù)期為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有害生物的綠色防治提供全新的解決方案。

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：

師東梅，女，碩士研究生。2021年畢業(yè)于西南大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院獲植物保護(hù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就讀于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院農(nóng)藥學(xué)專業(yè)，研究方向?yàn)樾罗r(nóng)藥分子設(shè)計(jì)與創(chuàng)制。

段紅霞，女，教授，博士生導(dǎo)師。2005 年畢業(yè)于北京理工大學(xué)，獲應(yīng)用化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位；2005—2007 年在中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所從事博士后研究；2007 年至今，為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系講師、副教授、教授。期間于2013—2014 年在美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校作訪問(wèn)學(xué)者研究。重點(diǎn)圍繞“人工智能助力的原創(chuàng)靶標(biāo)導(dǎo)向新農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)與創(chuàng)制”進(jìn)行科學(xué)研究。主要研究方向：1) 靶標(biāo)選擇性導(dǎo)向的低蜂毒殺蚜劑的設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)；2) 靶向嗅覺(jué)蛋白組策略的新型蚜蟲行為控制劑的篩選；3) 重大病蟲害幾丁質(zhì)通路中關(guān)鍵糖酶網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的植物健康保護(hù)劑的合理設(shè)計(jì)?，F(xiàn)任北京農(nóng)藥學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)，《農(nóng)藥學(xué)學(xué)報(bào)》常務(wù)青年編委。