壳聚糖α-氨基膦酸胆碱酯/三唑醇耦合物的协同抑菌效应研究

Chitin can be obtained from wastes of aquatic product such as shells of crab and shrimp. Chitosan, the deacetylated derivative of chitin, is the most abundant natural amino polysaccharide with the characteristics of nontoxicity, biocompatibility, and biodegradability. It has broad application prospects as a biopesticide due to its inhibitory effects on various phytopathogenic fungi. However, the application of chitosan as a sole active ingredient was limited owing to its poor antifungal activity, large dosage, and high cost. This proposal is motivated by our previous work to make lead optimization of chitosan α-amino phosphonates: firstly incorporating choline chloride and then coupling triadimenol fungicide into chitosan α-amino phosphonates to construct chitosanα-amino-cholinium-phosphonates/triadimenol conjugates with targeting antifungal properties. Antifungal activity of the chitosan conjugates will be fully investigated to expound the synergistic antifungal effect. The interactions between the chitosan conjugates and fungi cell wall/membrane will also be discussed to preliminary reveal the antifungal mode of action. It is hoped that this project can provide green pesticides candidates with high efficiency, broad-spectrum, and less toxicity. Hence, the project has important significance in achieving high-valued utilization of wastes of aquatic product, reducing use of chemical pesticides, and widening design idea of pesticide discovery.

甲壳素可由虾、蟹壳等水产品废弃物提取，其脱乙酰产物壳聚糖是一种无毒、生物相容性好、易降解、含量最丰富的天然氨基多糖。壳聚糖对多种植物病原真菌具有抑制作用，将其开发为生物农药具有广阔的应用前景。然而壳聚糖作为单一活性组分直接使用存在药效较低、用量大、成本高等问题，限制了其应用。本课题在前期工作基础上，拟对壳聚糖α-氨基膦酸酯进行先导优化：向其结构中先后引入氯化胆碱和三唑醇杀菌剂，构建具有靶向抑菌活性的壳聚糖α-氨基膦酸胆碱酯/三唑醇耦合体系。通过深入研究壳聚糖耦合物的抑菌活性，阐明其协同抑菌效应；通过探讨壳聚糖耦合物与病原真菌细胞壁/细胞膜的相互作用，初步揭示壳聚糖耦合物的抑菌作用机理。本课题的实施，有望为开发高效、广谱、低毒的绿色农药奠定基础，这对于实现水产品废弃物的高值化利用、减少化学农药的使用以及拓宽新农药创制的思路均具有重要意义。

本项目以壳聚糖为原料，通过接枝共聚等化学手段，将三唑醇、阿维菌素、恶霉灵和嘧霉胺、铜制剂等农药分子整体接枝到壳聚糖的分子上，制备得到一系列壳聚糖与农药的偶合物。通过红外光谱、核磁氢谱、元素分析、X 射线衍射和高效液相色谱对壳聚糖偶合物进行结构表征。研究壳聚糖与它们的协同增效作用及影响因素。主要研究结果如下：1）将恶霉灵分子整体连接到壳聚糖骨架中，制备了一系列壳聚糖与恶霉灵的偶合物。偶合物对立枯丝核菌、玉蜀黍赤霉、苹果炭疽病菌、水稻纹枯病菌等4株植物病原菌具有较好的抑菌活性。壳聚糖和恶霉灵表现出了较好的协同作用，并且偶合物的接枝率越高、空间位阻越小，壳聚糖与恶霉灵两者的协同效果越好。2）偶合物对粘虫、苜蓿蚜、褐飞虱和朱砂叶螨均显示了较好的杀虫活性，同时偶合物的光稳定性相比阿维菌素原药有明显提升。结果表明，壳聚糖与阿维菌素表现出了协同作用。通过分析影响协同作用因素发现，双位点羧甲基化的壳聚糖、高分子量的壳聚糖对于阿维菌素的协同效果更加明显；琥珀酰化壳聚糖对阿维菌素的协同效果高于马来酰化壳聚糖。3）将嘧霉胺定位接枝到了壳聚糖骨架中，制备了一系列壳聚糖与嘧霉胺的偶合物。抑菌试验显示偶合物对立枯丝核菌、玉蜀黍赤霉、苹果炭疽病菌3株真菌具有较好的抑制活性。壳聚糖与嘧霉胺表现出了一定的协同效果，而且接枝率和空间位阻是影响壳聚糖与嘧霉胺偶合物的协同增效作用的主要因素。4）将铜制剂通过络合反应引入到羧甲基壳聚糖苯胺基希夫碱结构中，制备了一系列壳聚糖有机铜复合物。抑菌活性显示该类壳聚糖衍生物可明显提高壳聚糖的抑菌活性，在0.20mg/mL 浓度下，部分衍生物对辣椒疫霉的抑制率可达100%。本发现壳聚糖可以与农药分子产生协同作用，从而通过提高农药的活性和改善理化性质来降低化学农药的使用量和提高农药的稳定性。这为新型高效、低毒、低残留的绿色农药的开发提供了一条新的途径。