新型天然除虫菊酯衍生物Pyrethrindreg II的杀虫活性与生化响应机制研究

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Insecticidal activity and biochemical responses of novel natural pyrethroid derivatives from pyrethrum residues

本研究针对合成拟除虫菊酯的环境毒性问题，从除虫菊残渣中分离鉴定出11种拟除虫菊酯相关化合物，首次发现天然来源的pyrethrindreg II具有优异杀虫活性。通过分子对接证实其作为电压门控钠通道(VGSC)抑制剂的作用机制，并揭示其在致倦库蚊中诱导酯酶(esterase-β/α)下降和谷胱甘肽S-转移酶(GST)升高的生化响应特征。密度泛函理论(DFT)计算阐明其活性弱于氯氰菊酯的结构基础，安全性评估显示其对非靶标生物的毒性显著降低，为绿色农药开发提供新策略。

　　

在可持续农业发展的迫切需求下，寻找合成农药的绿色替代品已成为全球关注焦点。除虫菊酯类化合物作为植物源农药的杰出代表，自19世纪被发现以来就因其高效杀虫性和环境友好特性备受推崇。然而天然除虫菊素的高生产成本促使了合成拟除虫菊酯（如氯氰菊酯）的广泛应用，这些合成化合物虽然有效控制了农业害虫，却也带来了害虫抗性增强、水生生物毒性等环境问题。这一矛盾在澳大利亚等坚持使用天然除虫菊素的国家尤为突出——大量除虫菊残渣被作为废弃物丢弃，既造成资源浪费又带来环境压力。

面对这一挑战，研究人员在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》发表的最新研究中，开创性地从除虫菊残渣中挖掘新型绿色农药资源。通过系统分离鉴定11种拟除虫菊酯相关化合物，他们发现首次从天然来源分离得到的pyrethrindreg II表现出卓越的杀虫活性，并深入揭示了其作用机制与环境安全性，为农药研发提供了新思路。

关键技术方法包括：采用80%乙醇提取与乙酸乙酯分级萃取获得活性部位，通过正相硅胶柱色谱和Sephadex LH-20凝胶过滤进行化合物分离；使用核磁共振(400/600 MHz)和质谱进行结构鉴定；针对桃蚜和致倦库蚊的杀虫活性采用喷雾法和标准生物测定法；通过分子对接(AutoDock Vina 1.1.2)研究化合物与电压门控钠通道(PDB:5fdy)的相互作用；采用酶联免疫吸附测定(ELISA)检测生化指标；利用密度泛函理论(DFT-B3LYP/6-311G')计算前沿分子轨道；参照国家标准进行烟草、斑马鱼和蜜蜂的毒性评估。

昆虫活性评估结果

对桃蚜的杀虫活性显示，pyrethrindreg II的LC₅₀值为9.49 mg/L，与阳性对照吡虫啉活性相当。对致倦库蚊的灭蚊活性更为显著，LC₅₀值达0.58 mg/L。值得注意的是，多数高活性化合物均含有二甲基环丙烷结构，验证了该片段作为拟除虫菊酯类杀虫剂关键药效基团的重要性。

分子对接研究

形态学观察发现pyrethrindreg II与氯氰菊酯处理的致倦库蚊症状一致。分子对接结果表明，pyrethrindreg II与电压门控钠通道形成三个氢键（MET30、HIS139、HIS143），结合能为-4.58 kcal/mol，低于氯氰菊酯的-7.09 kcal/mol和四个氢键，这与其相对较弱的杀虫活性相一致。

生化响应影响

Pyrethrindreg II显著影响致倦库蚊的解毒酶系统：酯酶-β和酯酶-α浓度分别降至47.44 U/mL和279.52 U/mL（对照组为130.24 U/mL和330.16 U/mL），表明I相解毒代谢受到抑制；而谷胱甘肽S-转移酶(GST)浓度升至96.52 ng/mL（对照组31.92 ng/mL），反映II相解毒反应被激活。这种双向调节作用导致毒物积累，从而引起昆虫中毒。

理论计算分析

密度泛函理论计算显示，pyrethrindreg II的最高占据分子轨道(HOMO)与最低未占分子轨道(LUMO)能级差(△E)为0.13176 eV，大于氯氰菊酯的0.09724 eV。较大的能隙解释了其电子转移能力较弱的原因，从理论层面阐明了活性差异的本质。

安全性评估

对非靶标生物的毒性测试显示：pyrethrindreg II对烟草无可见毒性；对斑马鱼的LC₅₀为0.52 mg/L，虽属高毒但毒性仅为氯氰菊酯(0.088 mg/L)的1/5；对蜜蜂的LD₅₀为1.06 μg/蜂，较氯氰菊酯(0.016 μg/蜂)降低两个数量级，显著改善了传统拟除虫菊酯对传粉昆虫的高风险性。

本研究通过系统解析除虫菊残渣中活性成分，不仅实现了农业废弃物的高值化利用，更发现了一种作用机制独特、环境安全性显著提升的新型天然杀虫先导化合物。Pyrethrindreg II作为电压门控钠通道抑制剂，通过干扰昆虫神经传导同时调控解毒酶系统发挥双重杀虫作用，其较低的生态毒性为绿色农药设计提供了新范式。该研究不仅拓展了植物源农药的资源基础，更通过多学科交叉研究策略（从天然产物分离到作用机制阐释），为可持续农业发展提供了科学依据，标志着农药研发向高效低毒方向迈出了重要一步。