综述：杀虫肽作为未来农业的可持续工具

《Biotechnology Advances》：Insecticidal peptides as sustainable tools for future agriculture

　　

•杀虫肽可实现选择性、可持续的害虫防治。
•结构—功能关系支撑多种具有昆虫特异性的作用机制。
•新兴的分子靶标可降低抗性风险。
•人工智能驱动的设计和先进的递送技术加速了从实验室到田间的转化。
•基于肽的杀虫剂与有害生物综合治理（IPM）策略相契合。

引言

杀虫剂在保护农作物和保障全球粮食安全方面发挥了基础性作用。然而，其大量使用加速了害虫抗性的演化（Patel 等，2025；Singh 等，2023；Sparks，2025）。这些化合物的效能日益受到代谢、行为和遗传抗性等机制的限制，同时其环境影响和健康风险也加大了对更安全、更可持续替代品的需求（Liang 等，2025；Wang 等，2024a；Zhou 等，2025a）。这些挑战损害了有害生物管理并阻碍了全球目标的实现，包括联合国（UN）制定的多项可持续发展目标（SDGs）（Pu 和 Chung，2024；Melo 等，2024；Jeyaseelan 等，2024）。

尽管如此，全球农药使用量仍然居高不下，每年超过392万吨，而由害虫、病原体和杂草造成的农业损失仍超过2200亿美元（FAO，2026a；FAO，2026）。在全球变暖情景下，此类损害可能每升高1摄氏度增加10–25%（Deutsch 等，2018；Yang 等，2024）。许多农药的低选择性也会影响非靶标生物，而长期暴露可诱发氧化应激和严重疾病（Kaur 等，2019；Ayilara 等，2023）。全球范围内，每年最多有500万人遭受严重农药中毒，导致约20万人死亡，这进一步强化了对更安全、更具特异性解决方案的需求（Islam 等，2022）。

为应对这些挑战，生物防治和生物农药已作为有前景的替代方案出现（Galli 等，2024；Vermelho 等，2024），推动一个预计到2030年将达到143.9亿美元的市场（Poli 和 Fontefrancesco，2024；Marrone，2024）。生物杀虫剂包括用于防治昆虫害虫的生物来源制剂，涵盖微生物及其产物、杀虫蛋白和肽、以及基于核酸的技术。在这些方法中，基于RNA干扰（RNAi）的农药已成为一种高度特异性的策略，并被描述为"第三次农药革命"的一部分。基于RNAi的农药利用双链RNA（dsRNA）诱导靶标昆虫必需基因的序列特异性沉默，为可持续的害虫管理提供互补方案（Li 等，2026）。

其中，苏云金芽孢杆菌（Bt）产生的杀虫蛋白尤为突出，并被广泛用于害虫防治。这些毒素通过与昆虫中肠中的受体结合并在膜上形成孔道而发挥作用，最终导致昆虫死亡（Couch 等，2023；Pacheco 等，2023）。由于疗效显著，Bt蛋白被广泛引入到能够表达它们的转基因作物中以实现虫害保护。然而，不当栽培实践的使用损害了该技术的长期有效性，在农业害虫中产生了抗性（Taylor 等，2021；Guan 等，2023）。这些局限凸显了需要超越对单一杀虫技术的依赖、多样化害虫管理策略的必要性，尤其是采用具有不同且互补作用机制的方法。这种多样化可能有助于抗性管理，并在有害生物综合治理（IPM）计划中延长生物防治策略的效力（Pu 和 Chung，2024）。

在这一多样化框架内，生物技术和生物信息学的进展拓展了开发合成化学农药和第一代转基因植物替代品的机会（Wang 等，2025）。杀虫肽特别具有前景，因其选择性高、环境持久性低且作用机制多样（Zhang 等，2024a，Zhang 等，2024b；Schultz 等，2024；Civolani 等，2025）。这些化合物已应用于药理学和化妆品学等领域，近期也应用于农业，通过成孔、酶抑制、离子通道阻滞或激素调节发挥作用。此外，这些分子可来源于节肢动物、植物、微生物和脊椎动物（Diya 等，2024；Wu 等，2024；Raisch 和 Raunser，2023；Zhou 等，2025b）。

合成生物学、生物信息学和人工智能的进展通过结构建模和计算机筛选（in silico screening）加速了新肽的发现和优化（Iram 等，2024；Gong 等，2024；Melo 和 Andrade，2024；Arunachalam 等，2025）。脂肽修饰、纳米包封和缓释系统等策略增强了其稳定性、特异性和田间表现（Patel 等，2025；Zhai 等，2025；Pang 等，2025）。除环境效益外，杀虫肽还可能降低与环境污染和生物多样性丧失相关的成本，尤其有利于小农户。比较性生命周期评估（LCA）研究表明，包括杀虫肽在内的生物杀虫剂的环境足迹可能低于合成农药，碳排放更低，土壤和水污染风险也更低（Nemecek 等，2022；Voglhuber-Slavinsky 等，2022）。

尽管已有若干综述描述了杀虫肽或其生物活性，但大多数仅孤立地讨论这些方面（Ye 等，2022；Zhang 等，2023；Bermúdez-Puga 等，2025）。相比之下，本综述提出了一种整合的战略框架，将结构—功能关系、AI辅助的肽设计、递送技术和商业化转化路径连接起来。通过整合这些维度，我们提出了开发下一代杀虫肽的路线图。本综述将结构与功能分析与实际应用性相结合，通过探讨这些化合物的多种作用机制并讨论其在有害生物综合治理中的优化策略，对这些化合物的进展进行了详细考察。通过检验结构—功能关系，本综述识别出关键的知识空白，并为推进该领域生物技术研究提供了战略指导。

章节片段

杀虫肽的经典结构

杀虫肽（2至70个氨基酸）（Bojarska 等，2024；Bizzotto 等，2024；Xie 等，2025）表现出很大变异，反映了其生物功能和作用机制的多样性（Zhang 等，2023）。已描述的最小杀虫肽之一是I-3（YLRLRFa，豌豆蚜Acyrthosiphon pisum神经肽F的短类似物），仅由六个氨基酸组成，质量约为870 Da，具有高度特异性和高效能（Zhou 等，2025b）。在

杀虫肽的作用机制与靶标

杀虫肽可根据其结构组织、分子靶标和作用机制进行分类。在结构上，本综述所讨论的肽包括环状、富含β-折叠、混合α–β、α-螺旋、混合α–α和线性等类别（图1a）。在功能上，它们可按其主要作用机制进行分组，包括膜破坏、消化酶抑制、神经生理干扰和激素信号调节（表1及图。

受生物启发设计的杀虫肽

参与捕食、防御和生理调节的天然分子为杀虫肽的开发提供了重要起点。来自蜘蛛、蝎子、植物和微生物的肽与不同的昆虫靶标相互作用，包括离子通道、受体、细胞膜、消化酶和神经内分泌通路。它们的结构和功能多样性支持了可在新肽开发中加以利用的分子特征的识别。

AI引导的杀虫肽工程

生物活性肽的发现日益得到结构生物信息学、分子建模和人工智能（AI）的支持，使该领域从以经验筛选为主转向由分子靶标引导的策略。参与基本生理过程的蛋白可选择为潜在靶标，然后利用计算分析来鉴定或优化具有适宜相互作用特征的肽，再进行合成和生物学测试。通过

杀虫肽的纳米递送

杀虫肽在田间条件下的效能可能受到蛋白水解降解、紫外线暴露、在植物表面持久性低以及穿越昆虫生理屏障受限等因素的限制。这些因素可能减少到达作用位点的活性肽量，尤其是经表皮或口服施用后（Zhang 等，2023；Maximiano 等，2022）。纳米递送系统提供了一种策略来应对这些局限，通过保护肽类货物并

下一代杀虫肽的挑战与前景

抗性管理、田间表现、生产可扩展性和商业化转化是开发作物保护用杀虫肽的核心（Zhang 等，2023；Scieuzo 等，2024；Pu 和 Chung，2024）。上述受生物启发、计算和配方策略提供了互补路径，以在肽开发的不同阶段应对这些挑战。

在这些挑战中，敏感性降低的演化值得特别

农药工业中的肽

近年来，主要农药企业越来越关注通用产品，而非发现新的活性成分，这导致了具有新颖作用机制的杀虫剂上市数量的下降。这一趋势加剧了对害虫抗性加速及其对农业生产力潜在影响的担忧（Sparks，2025；Raisch 和 Raunser，2023）。同时，新农药的发现管线也日益

展望与结论

杀虫肽已从天然存在的生物活性分子发展为一种更广泛的技术平台，得到分子工程、计算设计和先进递送策略的支持。它们的结构多样性和作用机制范围，包括膜破坏、神经生理干扰、消化酶抑制和激素调节，使得可以根据靶标害虫的生物学特征考虑不同的肽类。

未引用参考文献

Darif 等，2023
FAO，2026a
Gressel，2022
Lee 和 Poh，2023
Narayani 等，2020
美国环境保护署（EPA），2023
Vikas 和 Ranjan，2024
Wan 等，2022

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

本工作得到马托格罗索州教育、科学与技术支持与发展基金会（FUNDECT）、联邦区研究支持基金会（FAPDF）、高等教育人员改进协调处（CAPES）、科学与技术国家发展理事会（CNPq）以及研究与项目资助机构（FINEP）的支持。

Renata Nascimento | Adryan Franklin Luiz Ferreira | Maria Fátima Grossi de Sá | Vitor Salentim | Octávio Luiz Franco