植物精油对植物病原菌的抑菌活性研究进展

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(1.南京师范大学 生命科学学院，江苏 南京210023；2.南京野生植物综合利用研究院，江苏 南京211111)

植物精油(essential oils)是存在于植物不同组织如果实、叶片、花和根中的一类重要的次生物质，由分子量较小的简单化合物组成，常温下多为油状液体，易挥发，具有强烈的香味和气味[1]。植物精油具有生物活性，不仅广泛用于医药、食品、化工等方面，而且在植物源农药领域得到广泛研究[2-4]。近年来化学农药的广泛使用使得环境保护和抗药性问题日益严重，发展植物源农药是新农药开发的一条重要途径。与传统化学农药相比，植物源农药由于其有效成分是天然产物，使用后较容易分解为无毒物质，对环境无污染[5]。本文从植物精油抑菌活性及活性成分、植物精油抑菌作用机理等方面进行了综述，以期对植物精油在农用抑菌活性方面的应用提供理论依据。

1 植物精油的概述

精油在植物界分布很广。在我国，野生与栽培的芳香植物就有56科，136属，约300 种。尤其是在菊科、芸香科、桃金娘科、伞形科、唇形科、禾本科、姜科、樟科、木兰科、马兜铃科、马鞭草科等科的多种植物中含有丰富的精油[6]。

当植物进行光合作用时，细胞分泌出芬香的分子会聚集成香囊散落于花瓣、叶子、果实或树干等部位上，将其蒸馏、萃取后即为植物精油，又称挥发油、芳香油和香精油，具有一定的芳香气味。植物精袖在植物体内的相对含量较少，一般均在1%以下。精油在植物体内的分布随种类不同而有所差异，有的全株都有，有的在花、果、叶、根等器官中含量较多，甚至有些植物采集时间不同，同一部位的精油成分也不完全一样[7]。一般植物精油具有以下理化性质：常温下多为液体、少数在常温下可析出固体成分，易挥发、有特殊而强烈的气味；一般比水轻，比重在0.85～1.065 g/mL之间，易溶于石油醚等极性小的有机溶剂中，也能溶于高浓度乙醇中；对空气、日光及温度较敏感，易分解变质，大多具有较高的折光率和一定的旋光度[8-9]。

大多数植物精油是由一百多种以上的成分所构成，当然有些更高达数百种至上千种成分，一般而言，植物精油主要含有醇类、醛类、酸类、酚类、丙酮类、单萜、倍半萜及某些芳香族化合物类[10]。按其化学成分和含量的多少可将植物精油分为四大类。第一类是萜烯类衍生物，是精油的主要成分，其中包括单萜衍生物，如熏衣草类、月桂烯、茴香醇类；倍半萜衍生物，如金合欢烯、广藿香酮等，二萜衍生物，如油杉醇等；第二类是芳香族化合物，在精油中仅次于萜烯类化合物，其中包括萜源衍生物，如百里草等，另一类是苯丙烷类衍生物，如玫瑰油中的苯乙醇等；第三类是脂肪族化合物，如橘子、香茅等精油中的异戊醛；第四类是含氮、含硫类化合物，如大蒜素、洋葱中的三硫化物，黑芥子中的异硫氰酸酯等[11-12]。精油的提取方法有很多，随着精油的需求量逐年增加，植物精油提取分离技术从单一到多元，从耗时长、得率低到快速、高产，使得植物精油越来越易被人们所利用。目前，植物精油提取分离技术分为两大类：传统和现代的提取分离技术。传统的提取方法有蒸馏法、溶剂提取法、压榨法、吸收法。现代的提取方法主要有二氧化碳超临界萃取技术、亚临界水提取技术、分子蒸馏技术等。此外，还有一些辅助提取方法，如微波辅助水蒸气蒸馏法、超声波辅助萃取法以及生物酶制剂辅助提取法[13-15]。由此可见，植物精油成分复杂，采用常规柱层析、分馏等方法很难全面得到其成分组成情况。随着仪器在成分分析中的应用，植物精油的成分分析目前主要借助气相色谱-质谱-数据库系统联用(GC/MS/DS)技术进行研究。

2 植物精油的抑菌活性研究

芳香植物很早就在民间药方及食品防腐中使用，并在实践中逐渐发现植物精油中含有抗菌活性化合物。近年来，植物精油对植物病原菌的抑菌活性得到了广泛的研究[16-19]。至今，已有桃金娘科、姜科、禾本科、菊科、唇形科、伞形科、马兜铃科、牻牛儿苗科、芸香科、樟科、木兰科、十字花科、胡椒科、连香树科、松科十五个科三十余种植物精油的农用杀菌活性得到了研究(见表1)。由表1可以看出，精油具有农用杀菌活性的植物主要分布于唇形科、樟科和菊科，同科植物根据物种不同，精油的主要抑菌成分也有所不同。不同植物精油均可以通过水蒸气蒸馏法获得。同种植物精油由不同方法提取得到的精油化学成分也有变化。如使用超临界CO2萃取法萃取九里香精油与水蒸气蒸馏法提取的九里香挥发油的化学成分存在一定的差异[20-21]。通过九里香精油的GC-MS分析，超临界CO2萃取法萃取九里香精油，首次发现了N-苯基-3-丁烯酰胺、1-(1,5-二甲基-4-己烯基)-4-甲苯、N -(1-甲基-3-氧-亚丁基)-4-甲氧基苯胺、5-氮杂苯并咪唑、紫堇酮等化学成分，其中1-(1,5-二甲基-4-己烯基)-4-甲苯、N -(1-甲基-3-氧-亚丁基)-4-甲氧基苯胺的含量较高，据推测为九里香精油抑菌活性的主要成分。针对此种情况，可以根据活性测定及成分分析等相关结果选取合适的提取方法进行植物精油杀菌活性研究。另外，精油中一些主要化学成分的农用抑菌活性也得到了相应的研究。这些活性成分包括醇、醛、酮以及酚类化合物。活性化合物主要为醛、酚和酮类化合物。如肉桂精油主要抑菌成分是肉桂醛，丁香酚是丁香精油的主要活性成分，百里香精油主要抑菌成分为百里香酚，黄蒿酮为黄蒿精油的主要抑菌成分等，它们均具有广谱的抑菌效果。

活性测定表明精油具有较好的杀菌活性和广泛的杀菌谱。大部分精油的EC50为0.1～1 mg/mL。部分精油在盆栽测定中也表现较强的杀菌活性。如孜然精油主成分之一枯茗醛，其在1mg/mL浓度下对小麦白粉病的保护防效与对照药剂三唑酮(150 mg/L)相当，达到51.98%[22]。樟油和肉桂油对番茄灰霉病具有较好的保护效果，在2 000 mg/L 时，对番茄灰霉病的防效分别为59.65%和61.40%[23]。此外，精油还具有一定的杀菌广谱性。如在供试浓度下，胜红蓟精油对10种病原菌[24]，山苍子精油对8种病原菌均表现出较强的抑菌效果[25]。

除了对单种植物精油的杀菌活性进行研究外，人们还对多种植物精油复配物的杀菌活性进行了研究。刘欢等[26]研究了肉桂醛与柠檬醛、肉桂醛与丁香酚以及柠檬醛与丁香酚3种复配植物精油对葡萄灰霉菌的协同抑菌效果。研究发现3种复配植物精油处理对采后葡萄灰霉菌的抑制活性显著(p<0.05)，当培养时间达到第8天时，对照组平板全部长满葡萄灰霉菌丝，而处理组平板在菌碟周围2～15 mm 以内有葡萄灰霉菌丝生长。以500 μL/L肉桂醛/柠檬醛协同抑制效果最明显，肉桂醛/柠檬醛的EC50值为67.46～101.31μL/L，抑菌效果最稳定，抑菌率达93.75%。许倩等[19]研究了以肉桂精油与紫苏精油的复配物对冬枣中常见致病菌青霉(Penicilliumsp.)和黑曲霉(Aspergillusniger)的抑菌效果，在浓度为0.42 μL/mL，复配比为3∶1时，对青霉和黑曲霉的抑菌效果最好，最大抑菌圈直径可高达24 mm 和22.7 mm。由此可见，对植物精油进行复配可能开发出对植物病害具有良好防治效果的杀菌剂。

表1 植物精油的农用抑菌活性资源

续表1

3 植物精油抑菌作用机制

植物精油及其主要成分对微生物的影响方式主要有两种。一是改变微生物细胞和菌丝体的形态结构和组成，如细胞膜、细胞壁和细胞器等结构，造成细胞不可逆的损伤，诱发菌丝体溶解，最终导致微生物死亡；二是降低或抑制分生孢子的产生和萌发，降低或阻断病菌后代继续危害的可能[27-28]。

3.1 对微生物细胞壁的作用

微生物细胞壁的屏障作用可以降低微生物对抑菌剂的敏感性，细胞壁的主要成分和与细胞壁有关的酶成为精油分子的重要作用点。精油中的α-松油烯能控制酿酒酵母细胞壁的结构和功能等基因，从而发挥它的抑菌作用[29]。肉桂醛可透过真菌的细胞壁，特异性地阻止细胞壁中葡聚糖和几丁质的合成，细胞壁受损，最终细胞因缺少保护性组织而衰亡[30]。辽细辛精油[28]对灰葡萄孢菌细胞壁降解酶(胞内果胶甲基反式消除酶(pectin methyltranseliminase，PMTE酶)、果胶总酶、胞外羧甲基纤维素酶)活性的影响，结果表明Cx酶可能是辽细辛精油的作用位点之一，对Cx酶的抑制作用可能是辽细辛精油对灰葡萄孢菌的抑菌机制之一。丁香罗勒精油可以使白假丝酵母菌的细胞壁增厚、分离，干扰细胞壁的完整性进而降低白假丝酵母菌的出芽率[31]。

3.2 对微生物细胞膜的作用

细胞膜在维持微生物的正常生命活动中具有非常重要的地位。精油能够直接作用于微生物细胞膜，破坏细胞膜结构、增加细胞膜的通透性，使细胞内部的重要离子和内溶物会渗出，最终导致细胞死亡[32-33]。丁香酚可通过使细胞膜中的蛋白质变性，与细胞膜中的磷脂反应破坏细胞膜的透性，从而抑制微生物的生长[34]。刘海燕等[35]采用电导法，测定细辛挥发油对Alternariahumicola细胞膜通透性的影响，表明细辛挥发油可以破坏供试菌株细胞膜的选择通透性，导致内容物的外渗，细胞膜是细辛挥发油抗菌作用靶点之一。

3.3 对呼吸作用和能量代谢的作用

呼吸代谢是生物体生存的方式和产生能量的动力，其实质是机体中糖类物质的氧化分解。生物体通过磷酸戊糖途径、糖酵解途径、三羧酸循环途径等多种呼吸代谢通路为其自身提供生命活动所必需的能量。当糖的氧化分解过程遭到抑制，会阻碍生物体的正常新陈代谢进程，甚至导致生物体死亡。肉桂精油使病原菌膜内外ATP 浓度改变，影响菌体正常代谢，抑制其生长；精油也能抑制线粒体的有氧代谢来发挥作用。柠檬醛(柠檬精油主成分之一)可通过其α, β-不饱和键与某些酶结合，进而导致微生物的代谢系统紊乱[6]。生姜、桂皮、百里香、牛至和丁香精油，能够损伤酵母菌的呼吸系统，延迟乙醇生产出现。莳萝精油可以抑制黄曲霉细胞麦角甾醇的合成，诱导产生氧自由基，损伤线粒体结构，使线粒体膜电位升高，ATP酶和脱氢酶活性下降，最终抑制黄曲霉生长[28]。

3.4 对菌体生长及孢子萌发的影响

孢子是微生物产生的一种有繁殖或休眠作用的生殖细胞，能直接发育为新个体。精油的有效成分可通过抑制病原菌菌体的生长、分生孢子的形成和萌发起作用。肉桂精油在1 000 μL/L的浓度以上时可有效杀死链格孢孢子，同时显著影响链格孢菌丝的生长，对番茄灰霉病菌、苹果青霉病菌、番茄茎枯病菌和黄瓜镰刀菌4种病原菌菌丝生长的抑制中浓度(EC50)分别为272.17、324.78、316.24、326.95 mg/L[36]。天竺葵精油在浓度为2.0 μL/mL时完全抑制米曲霉、黑曲霉、链格孢菌丝的生长[37]。百里香酚能够有效抑制西瓜枯萎病菌分生孢子的萌发，浓度为25 mg/L时，菌丝生长受到抑制，分生孢子的产生受到抑制，培养液中分生孢子的数量显著减少；随着药剂浓度的升高，菌丝生长缓慢，细弱，分支减少；药剂浓度为100 mg /L时，菌丝生长几乎停滞，部分菌丝发生断裂[5]。

此外，植物精油对菌体DNA、RNA以及DNA 拓扑异构酶的活性具有一定的影响[30]。植物精油对植物病原菌是否还存在其它影响还有待于进一步研究。

4 植物精油抑菌活性研究展望

植物精油源于天然，对人及哺乳动物低毒，且残留低，具有很好的环境兼容性，有望开发成为新型绿色无公害农用杀菌剂，但其需要大量的工作要做。扩展具有农用抑菌活性的植物精油资源，对植物精油进行农用抑菌活性研究将极大地扩展植物精油资源在农业上的应用，使植物精油资源得到充分利用。虽然，植物精油及其主要成分的抑菌活性和作用机理已经取得一定成果，但仍存在一些问题。目前大多研究是在单一植物病原菌存在和恒定的环境条件下进行的，关于多种植物病原菌共同存在的作用方式研究的比较少。植物精油成分十分复杂，对其多种成分之间以及不同精油之间的相互作用的研究较少，需要对不同精油及不同活性成分间的协同作用进行深入研究。另外，植物精油的抑菌机理研究还不够深入，关于植物精油对细胞膜的研究最多，但多是通过电镜观察细胞结构变化、细胞内容物渗漏情况、细胞膜上某物质含量的变化证明植物精油可以破坏细胞膜，增加膜的通透性，对细胞膜上蛋白质和磷脂的靶向作用尚不清楚，需要进一步研究。植物精油对细胞其他细胞器结构和功能的影响以及能量代谢等还处于初步研究阶段，其明确靶位点和作用方式还不清楚，需要对生物分子水平进行更深一步的研究，明确精油的作用方式。植物精油作为一种新型的植物源农药有其潜在的价值和广阔的市场，可以预见植物精油用于植物病害的防治将是今后的一大趋势。