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农用抗生素刺糖菌素(Spinosads)的研究进展



全 文 :P E S T IC旧 E SV lo. 4 1N o. l2 ( 0 02 )
农用抗生素刺糖菌素 ( S Pin o s a d s )的研究进展
陈小龙 郑裕国 沈寅初
(浙江工业大学生物工程研究所 , 杭州 3 1 0 0 3 2 )
摘 要 本文综述了农用抗生素刺糖菌素的研究进展 , 主要论述 了 它的理化性质 、 生理
特性 、 发酵生产 、 分离提取 、 分析检测 、 活性谱和功 , , , 旨在为刺糖菌素的研究开发提供参考 。
关键词 刺糖菌素 刺糖菌素 多艳菌 农用抗生素 杀虫剂
刺糖菌素 , 又名多杀菌素 ( S p i no s ad s ) , 由放线
菌刺糖菌素多抱菌 ( sa c动日和口之汀” 刀附 ` 刀功~ ) 发酵生
产 , 其主要用途是杀虫剂 , 兼具生物农药的安全性和
化学合成农药的快速效果 。 曾经因其低毒 、 低残留 、
对昆虫天敌安全 、 自然分解快 , 从而获得美国 “ 总统
绿色化学品挑战奖 ” ` ” 。 药后当天即见效果 , 可有效
防治各种鳞翅 目 ( 如小菜蛾 、 甜菜夜蝶等 ) , 对一些
消耗大量树叶的鞘翅目 、 直翅 目也有效果 「’ .l2 。
刺糖菌素是天然生成的代谢物 , 类似良性生物
制品 , 是一种主要由两种非常活跃的天然存在代谢
物所组成的混合物 ; 为浅灰色到白色透明的固体 ,
土质气味 , 有些类似于腐臭的水 ; 为非挥发性物质 ,
在 p H 二 9 时 , 相当的稳定 。 结构上 , 这些化合物是大
环 内酷 , 包含 了一个由两个不同的糖豁接而成的四
环系统 。 其结构和成分如图 1 和表 1 所示 。 对害虫
的主要作用机理是刺激昆虫的神经系统 , 导致非功
能性的肌肉收缩 、 衰竭 , 并伴随颤抖和麻痹 , 从而
引起昆虫死亡 「’ , 21 。
刺糖菌素的化学结构式如下 :
l’. .广溉“
图 1 刺糖菌素的化学结构式
表 1 刺糖菌素的主要组分
刺糖菌素组分 即 即 即 冲

味魄C愧代C魄CIH刺糖菌素 A
刺糖菌素 B
味代C愧魄C
日Hq
C` H ` N吧之-
C` H
L
,N H es及上岌es -
H卜妞汽-愧魄C刺糖菌素 C
刺糖菌素 D
H
C魄 `C H , N we弋长址一
味魄C愧性C

刺糖菌素 E C愧
O J` C“ , N欢少趾 ot
〔 H .
愧魄CH日C愧
魄性
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哗冲。。。咭日厂1)1N服cH以:)

日C日H刺糖菌素 F
刺糖菌素 C
刺搪菌素 H
刺糖菌素 J
刺糖菌素 L C代
日H魄C刺糖菌素 M
刺糖菌素 N
H
C代
( C H ) N H
( C H ) N H
次三址
一又上几一
代魄C
农药 第 4 1卷第 z 期 ( 2 0 0 2 )
刺糖菌素在 国外已投人使用 , 国 内也有进 口产
品 ( 菜喜 2 . 5% 悬浮剂和催杀 4 8 % 悬浮剂 ) , 但国内
对其开发还局限于实验室小试阶段 , 在文献上对其
报道也甚少 。 因此 , 国内学者对刺糖菌素的研究 已
迫在眉睫 。 本文对刺糖菌素的理化性质 、 生理特性 、
发酵生产 、 分离提取 、 分析检测等作一综述 , 旨在
为刺糖菌素的研究开发提供参考 。
1 刺糖菌素的理化性质 .134 1
刺糖菌素类化合物是由 S , 。 c h 口 厂 o p o j : 、 p 。 厂搜
, p j n o 、 a 在培养介质下经有氧发酵后的次级代谢产
物 。 最初分离得到的菌株所产生的刺糖菌素是含有
主要的两个 自然代谢最高活性组分 ( , p in o s ad A 和 D )
的一个混和物 。 从结构上看 , 这些化合物属大环内
醋类 , 且包含 一个独特的 四核环系 , 连接着两个不
同的己糖 。 经过发酵提取后 , 加工得到高浓度刺糖
菌素的传统水悬浮液 , 以便于使用和喷施 : 刺糖菌
素为浅灰白色的固体结晶 , 带有一种类似于轻微陈
腐泥土的气味 。 在水溶液中的 p H 为 7 . 7 4 , 对金属和
金属离子在 2 8 天内相对稳定 。 它属于非挥发性物
质 , 蒸汽压在 1 . 3 x 10 一 ’OP a 左右 。 刺糖菌素 A 和 D 的
其它一些物理 、 化学性质见表 2 所示 :
表 2 刺糖菌素 A 和 O 的物理和化学性质
项 目 刺糖菌素A
7 3 1
.
9 8
C
4 2 H
。: 到〔) 2 6
8 4 ~ 9 9
.
5
3
,
2 X 10

10
刺糖菌素 D
7 4 6
,
0 0
C
4 1H
6 , N ( ) 1
6
1 6 1
.
5 ~ 1 7 0
2
.
1 X 10 一 0
2 9
0
.
3 3 2
0 0 5 3
在环境中的较短持久性 , 可见刺糖菌素的沥滤性能
非常低 , 因此只要使用适 当它也就不会对地下水构
成威胁 。
2 刺糖菌素的生理特性 fl, 21
实验证明刺糖菌素对昆虫存在着快速触杀和摄
食毒性 , 这一特点对生物产品来说是极不寻常的
它的作用方式是通过刺激昆虫的神经 系统 , 导致非
功能性的肌肉收缩 、 衰竭 , 并伴随颤抖和 麻痹 。 这
种作用结果 和烟碱性 乙酞胆碱受体被激活的结果是
相一致的 . 显而易见这一作用机制在书籍的害虫防
治产品中是新颖和独特的 。 刺糖菌素同时也作用于
, 一 氨基丁酸受体 , 有可能这进一步促成了其杀虫
活性的提高 , 如此的 作用模式可谓独一无二 : 毗虫
琳和 其它的烟碱性受体类的杀虫剂与刺糖菌素的作
用位点是不相同的 。 阿维菌素尽管也是一个天然产
物 , 且同为大环内酷类 , 但其作用位点亦和刺糖菌
素不尽相同 。 迄今为止 , 尚未发现某类 产品能以相
同作用方式影响昆虫的神经 系统 , 而且尚无有关刺
糖菌素交叉抗性 的报道 :
3 刺糖菌素的发酵生产 以 41
3
.
1 菌株
新微生物刺糖菌素多袍菌 ( 乡二 t’ o h , 厂口 p o j : 、 p o 厂 a
、 p i n o 、 a ) 是选 自 N R R L 1 8 3 9 5 、 N R R L 1 8 5 3 7 、
N R R L 1 8 5 3 8

N R R I
J
1 8 5 3 9 或是能产生刺糖菌素的突
变株 。 这些微生物都可用来发酵生产刺糖菌素 : 菌
株 N R R L 1 8 3 9 5 是由分离采集 自维尔京岛土样的菌
株 , 经 化学突变 而 得到 。 菌株 N R R L 1 8 5 3 7 、
N R R L 1 8 5 3 8 和 N R R L 18 5 39 则是由 N R R L 18 3 9 5 经化学
诱变而获得 。
菌株 N R R 1L 8 3 9 5 在复合培养基和合成培养基上
都生长 良好 该菌株在所用的所有培养基上都产生
气生菌丝体 。 气生抱子群的颜色主要 为浅黄粉色 ,
但也有 白色 , 反面为黄色至黄褐色 , 没有明显的色
素沉着 。 在某些培养基中可溶性褐色色素被释放到
培养基 中 。 它可产生一种伸展 的基质菌丝体 , 此菌
丝体在流体发酵过程 中分离 。 但在琼脂培养基上培
养该菌株时未观察到分离 现象 。 将菌株培养在 IS P
培 养基 1 上 时 , 观 察到 圆形 白色 菌 落 , 直 径 为
8 一 I O m m , 中央隆起 , 反面为黄褐色 。 在大多数培养
上都有成形良好的气生菌丝 。 气生菌丝分隔成以镰
刀 状和块环状排列的抱子链 : 气生菌丝具有独特的
珠状外观 , 袍子链中有许 多空格 : 这 一独特说明抱
子链是包在一个抱子壳中 。 这个抱子壳 由非常独特
0
ù岛293j6
( l o g p )
,一七、,`…, ,4气OCO,`…,ó411é
相对分子量
分子式
熔点 ( ℃ )
燕汽 压 ( P a )
水中溶解度 〔m创L )
P H S
.
0
P H 7
.
0
P H g
.
0
正辛酚水分配系数
P H S
.
0
p H 7
.
0
PH g
.
0
刺糖菌素在环境中的降解可通过多种途径组合
的方式进行 , 主要为光降解和微生物降解 , 最终变
成碳 、 氢 、 氧 、 氮等 自然组分 。 由土壤光解作用降
解的刺糖菌素半衰期为 9 一 1 0 天 , 而水光降解作用的
半衰期则小于 l 天 , 叶面光降解的半衰期是 1 . 6 一 1 6
天 。 在无光照条件下刺糖菌素经有氧土壤代谢的半
衰期为 9 一 1 7 天 , 水解作用与刺糖菌素的降解关系不
大 , 因为在 p H S 一 7 范围内它在水中是相对稳定的 ,
p H g 时其半衰期至少要 2 0 0 天 。 另外考虑到它的中等
土壤传质系数 K d ( 5 一 3 2 3) 低于中等程度的水溶解度和
P S T EIC IO ES Vol
.
4 1N o l (0 0 2 2)
的针状物覆盖 。 这些针状物约1 协 m , 环绕在 末端
上 。 抱子形状为椭圆形 , 平均大小约为 1 . 1 x 1 . 5 协
m
。 抱子链长度大大超过 5 0 个抱子 。
.3 2 发酵培养
刺糖菌素多抱菌 (肠 c动口厂口刀oI ” p ~ sP 初 os 司 的
种子培养基为 : 酶解大豆水解液 3 % , 酵母膏 0 . .3% ,
M邓 0 4 H 2 o .0 2% , 葡萄糖 .0 5% , 麦芽糖 .0 4 % , 去离
子水 I L , 121 ℃下灭菌 3 0 分钟 。 接种量为 10 % 。 用来
培养刺糖菌素多抱菌 (施 c 加 or p ol ” oP ar , p初。司 生
产刺糖菌素的培养基可以是多种培养基中的任意一
种 。 但是从生产的经济 、 产率和产物易分离的角度
看 , 优选出某些培养基 。 例如 , 大规模发酵时优选
的碳源为葡萄糖和麦芽糖 , 但也可 以使用核糖 、 木
糖 、 果糖 、 半乳糖 、 甘露糖 、 甘露醇 、 可溶性淀粉 、
马铃薯糊精 、 油酸甲醋 、 油类等等 。 优选的氮源为
棉子糖 、 陈化牛奶和消化大豆粉 , 但也可 以使用鱼
粉 、 玉米浸液 、 酵母膏 、 水解酪蛋白 、 牛肉膏等 。 可
掺人培养基 中的营养无机盐有能够产生下列离子的
常规可溶性盐 : 锌离子 、 钠离子 、 镁离子 、 钱离子 、
氯离子 、 碳酸根离子 、 硫酸根离子 、 硝酸根离子等 。
培养基 中还应含有微生物生长发育所需的必需微量
元素 。 这些微量元素一般作为杂质存在于培养基的
其它成分中 , 其含量足以满足微生物的生长需要 。
如有发泡问题 , 通常可将少量 消泡剂加到大规
模发酵培养基中 。 但在产刺糖菌素培养过程 中 , 常
规消泡剂会抑制刺糖菌素的产生 。 也可以在培养基
中加人豆油抑制发泡 。
刺糖菌素多抱菌 ( sa c动刁了叩o1 ” p ~ , p ,’n 。 a) 的
培养温度约为 ( 2 4 ~ 3 3 ) ℃ , 而产刺糖菌素的最适温
度为 ( 2 8 ~ 3 0 ) ℃ 。 大规模发酵时应通过通气量和搅
拌速度来维持罐 内溶解氧在 6 0 % 以上 , 最好为 6 5 %
以上 。 罐内压力为 O . O 3 4 M P a 。
4 刺糖菌素的分离提取低 41
经 7 一 1 0 天发酵后刺糖菌素的发酵液加入同等体
积的丙酮 , 过滤去除菌体 ; 将滤液的 p H 调至 1 3 , 上
H P一 2 0 5 5 吸附树脂 , 然后用含 0% 一 95 % 的甲醇 : 乙睛
= 1 : 1 (含 0 . 1% 乙酸钠 ) 溶液梯度洗脱刺糖菌素 A 和
D
, 利用 H P L C 跟踪检测 , 分段收集洗脱液 , 得到含
刺糖菌素洗脱液 , 浓缩获得刺糖菌素浓缩液 。 将浓
缩液用石油醚稀释 , 上硅胶层析柱 , 用石油醚和甲
醇梯度洗脱 , 根据 H P L C 跟踪检测 , 分段收集洗脱
液 , 分别得到刺糖菌素 A 和 D 的洗脱液 。
5 刺糖菌素的分析检测「5一 91
刺 糖 菌 素 的 检 测 一 般 用 高 效 液 相 色 谱 仪
( H P L C )
: 柱 : O D S一 A Q , 流动相 : 乙睛 / 甲醇 / 水 二 4 0/
4 0 / 2 0 ( 含 0 . 0 5 % 乙酸钱 ) , 流速 3 m l / m i n , 检测波长 :
2 50 n m

表 3 刺糖菌素防治害虫的活性谱
普通名 学名 剂量
( hsl m
Z
)
玉米螟 0 5介 i” ia 作 u b ial l i s 2 5一 5 0
谷实夜蛾 eH li e o v e rP a : e a 4 0 一 1 0 0
粉纹夜蛾 rT i e方印 zu s i a n i 5 0一 1 0 0
小菜蛾 尸 Iu t e lal 砂 zo s t e zza 1 5 一 5 0
亚热带粘虫 SP o d叩 t e ar e r i由 n i a 5 0 一 1 0 0
斑潜蝇 乙i r 才。州 z a 冬p夕 7 0 一 3 6 0
棕黄蓟马 hT r 切s 尸 a lm i aK r御 7 0 一 10 0
草地贪夜蛾 SP o d口p t e ar fr gu 切 e r d晚 25 一 10
甜菜夜蛾 SP o d op et ar ex i即a 5 0 一 10
马铃薯叶甲 L印 t i刀 o at sr a de c i m l in e a at s 刃夕 2 5 一 8 0
菜粉蝶 P i e r i s r 只p a e 5 0 一 10 0
番茄蠢蛾 D e诉 r i a yI e叩e sr ice ial 5 0 一 10 0
花翅小卷蛾 L o b e s sa b o rar 刀刁 2 5 一 5 0
叶波纹须蛾 才l a ba m a a馆 sl al e e a 2 5 一 5 0
棉铃虫 eH 方e o v e , a a mr 半 ar 5 0一 1 0 0
番茄天蛾 几勿 n du ca 宁封 in叮“ e m a c u al at 4 0一 2 0 0
首蓓蓟马 石份口 n ikl n le l al o e c i de n t a l拈 7 0一 1 0 0
6 刺糖菌素的活性谱和 Los 。
粼典蟹资时护儡用刊能森田害到解狱锄物幽勒拟喇 、旧刁】
杀虫剂
滴滴涕
异狄氏剂
硫丹
甲基对硫磷
苯硫磷
保棉磷
毒死蜂
久效磷
乙酸甲胺磷
丙澳磷
硫丙磷
甲蔡威
灭多威
氯菊醋
氰戊菊醋
抓氰菊甭
高效氯氟氰菊醋
S一氰戊菊醋
澳氯氰菊醋
阿维菌素
埃玛菌素
澳虫睛 (除尽 )
刺糖菌素
烟芽夜蛾叨 50叱卜留 kg ) -
5 2一 15 2
4 6
.
7
7 3
.
3
1 1 6~ 65

0
16

7~ 3 3

0
2 9

3~ 3 3
.
3
7 9

5
2 9

7
7 4

3
1 1
.
0
2 4

0
大鼠经 口毛几。吸m创 k g )
8 7
3
l 8
9
l 4
5
13 5
8
0
.
5 7~ 1
.
67
0
.
0 6
0
.
2 5
0
.
14~ 0
.
7 7
0

4 2~ 0

84
l 7
> 4 0 0 0
0
.
17
1
.
7 0
0

27
11 7
3 6

4
4
.
4 6
1
.
3 2
~ 2

2 5
0
.
64~ 3
.
9 3
> 1 43 4~ 30 0 8
2 3 9~ 1 13 9
15 3~ 10 2 5
的 3
17 4
4 2 63
9
.
1~ 9
.
74
7 0 0
4 9

5~ 10 0

7
2 6 2 7一 39 0 6
8640173
1142546 7ùf
13 6、 2 3 2
4

3 3~ 2 6
.
7
1
.
3 3~ 2 7 9
0

87 0~ 1
.
8 9
0
.
2 4 1~ 1
.
6 1
0 9 2 9
0
.
4 2 9
0

2 5 1
1
.
16
0
.
1 0
4
.
5
1
.
2 8一 1
.
4 4
7 5
10 70
10 6~ 1 1
,
3
70
22 3 一 4 5 9
3 7 8 3~ 5 《M) 0
注 : .a 点滴法 铭一 7劝 b .急性经 口毒性
农药 第 1 4卷第 l期 (2 0 0 2 ) 7
从 1 0 9 9年开始 , 刺糖菌素在全球范围内广泛开
展了各项试验『’ “ 一 2 “ , 。 表 3 列举了刺糖菌素新产品活性
谱上标 明的可用以防治的虫害对象 。 一般而言 , 刺
糖菌 素能有效地控制鳞翅 目 、 双翅 目和缨翅 目害
虫 。 另外它还可 以很好地防治鞘翅 目和 直翅 目中某
些大量吞食叶片的害虫种类 。 通常刺糖菌素不能十
分有效地防治刺吸式昆虫和蜡类 , 但其 中有些类型
仍在测试中 。
表 4 列出了刺糖菌素和 历史上一些著名的杀虫
剂对大鼠和烟芽夜蛾的 L D S。 值 。 对选择性的评价之
一是脊椎动物选择性 比率 ( v S R ) , 计算方法为将哺
乳动物 L D S 。值除以昆虫 L D S。 值 。 具体对刺糖菌素的
v S R 的计算方法采用烟芽夜蛾点滴法和大鼠经 口毒
性的数据比率 , 结果表明对鳞翅 目害虫而言 , 刺糖
菌素是 已发现 的杀虫 剂中选择性最高 的化合物之
7 结语与展望
刺糖菌素的发现起源 于直接从天然产物开发的
项 目中 。 它的优秀特征包括 : 独特的化学结构和作
用机制 , 对影响经济的重要害虫存在极高的活性 ,
半衰期短 , 降解完善 , 对哺乳动物 、 鸟类 、 鱼类甚
至大多数益虫具有宽广的安全界限 。 刺糖菌素对继
续利用天然产物开发作物保护和生命科学新产品 来
说可谓意义非凡 。 在国内 , 目前对该产品的开发还
只停留在实验室小试上 , 对该产品 的应用也依赖于
进 口 。 刺糖菌素作为一个崭新的农用抗生素 , 国内
应抓紧开发研究 , 这具有巨大的社会效益和 经济效
益 。
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A r rh ro p M
a n a g 介 s t , 1 9 9 8 . 2 3 : 8 2
「1 7 1 S o h u , t o r D J . M a n a g o m e n t o f i n , e o l ; o n f r e , h m a r k e t t o m a t o e ; ,
s p r i n 只, 19 9 6 A . A rt h r o p M a n a 只 T e s t , , 1 9 9 7 , 2 2 : 1 8 2
[ 1 81 S t a n , Iv P A a n d C o n n o r JM
.
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s t a k e d t o m a t。
,
1 9 9 7
.
A r t h r o p m a n a 只 T e s t s , 19 9 8 , 2 3 : 16 2 一 16 5
[ 19 1 W a l只e n h a o h J F a n d P a lm e r C R
.
C o n t r o l o f l e p id o p t e r o u
;
i n 一
, e r t , 。 n 户 a h b a 只 e , 19 9 6 . A r t h r o p M a n a 只 T e ; t ; 19 9 7 , 2 2 : 1 1 3
[2 0 1 W o b b S E
.
C o n t
r o l o f p i o k l o w o r m o n , q 一 a ; h w i th ; e l e o t i v 。
i n
s e c t i e id e
s ,
19 9 7
.
A rt h r o p M a n a 只 T e s t s , 1 9 9 8 , 2 3 : 14 2 一 14 3
B a k e r P J U
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B a k e r P J
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5
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3 6 2
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19 9 4
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J
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A 只r i e . F n o d C h e m 19 9 6 , 4 : 3 1 7 0 一 3 1 7 7
[6 1 W e s t S D
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D e t e r m i n a t i o n
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a 只e n t s p i n o s a d a n d i t s m e t a b o l i t e s i n 5 0 11 , s e d im e n t , a n d w a t e r
b y H PL C w i t h U V d e t e e t i
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J
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A 只r i c . F o o d Ch e m . , 1 9 9 7 , 4 5 :
3 10 7一 3 1 13
N e w A g r o a n t ib io t ie s — S Pin o s a d sC h e n X ia o lo n g e t a l .
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收稿日期 : 2田 1 . 1 .5