8月17日，齐鲁制药(内蒙古)有限公司呼伦贝尔分公司阿荣旗基地多杀霉素项目正式投产。该项目也是国内首个多杀霉素生产企业建设项目，总投资100亿元，分三期建设。它的投产填补了国内空白，一举打破了国外厂家的技术垄断，为推动我国转变病虫害防治方式，切实保障农牧业生产和百姓食品安全奠定了基础。
多杀菌素，又名多杀霉素、刺糖菌素，是在多刺甘蔗多孢菌(Saccharopolyspora spinosa)发酵液中提取的一种大环内酯类无公害高效生物杀虫剂，但和一般的大环内酯类抗生素相反，多杀菌素没有抑菌活性，却有杀虫活性。由美国陶氏益农公司(现为陶氏农业科学公司)的研究者发现该菌可以产生杀虫活性非常高的化合物。
一、理化性质
多杀霉素，英文通用名为Spinosad；CAS号：131929-60-7；分子式为C41H65NO10，相对分子质量为731.96；结构式如图1。
多杀菌素纯品为白色或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，是85%～88%的多杀菌素A组份和12%～15%的多杀菌素D组份的混合物。密度为1.167 g/cm3，沸点为801.515℃（760 mm汞柱压力下），闪点为438.541℃。
图1 多杀菌素结构式
二、作用方式与毒性
1 作用方式
多杀霉素是烟碱乙酰胆碱受体（nAchR）的别构效应剂，具有胃毒和触杀特性，它不具备内吸性，但可以渗透植株表皮，因此较耐雨水冲刷；它在韧皮部无移动性。
多杀霉素的作用方式与现有的杀虫剂作用方式不同，被国际杀虫剂抗性行动委员会IRAC分类划入第5族。其作用机理被认为是可以活化被阻断的阳离子流，延长靶标昆虫乙酰胆碱与受体结合时间，持续激活乙酰胆碱烟碱型受体，使昆虫过度兴奋而麻痹、瘫痪、死亡，但是其结合位点不同于烟碱和吡虫啉；还有研究表明多杀霉素可以影响神经突触γ-氨基丁酸GABA传导结合。
其杀虫速度可与化学农药相媲美，且安全性高，与目前常用杀虫剂无交互抗性，为低毒、高效、低残留的生物杀虫剂。最适合无公害蔬菜、水果生产应用，能有效防治鳞翅目、双翅目和缨翅目害虫，也能很好地防治鞘翅目和直翅目中某些大量取食叶片的害虫种类。
2 毒性
欧美等公开的信息数据表明，多杀霉素对对哺乳动物低毒。大鼠雄性急性经口LD50 3783 mg/kg，大鼠雌性急性经口LD50＞5000 mg/kg；大鼠急性经皮LD50＞2000 mg/kg，大鼠急性吸入LC50（4 h）>5.18 mg/L，它们对哺乳动物毒性低，生物累积潜力低，不会干扰内分泌。WHO急性毒性分类为U,Unlikely to be Hazardous；美国EPA标签分类3，Caution；中国原药毒性分类为低毒。
多杀菌素对靶标昆虫具有独特的快速触杀和摄食毒性，可以有效防治小菜蛾、甜菜夜蛾等多种鳞翅目害虫，而对哺乳类、鸟类等几乎没有毒性。相比于其他杀虫农药，多杀菌素兼具化学农药的速效性和生物农药的安全性，具有低残留、快速降解等优点。
多杀菌素继1999年获得美国“总统绿色化学品挑战奖”后，2008年其衍生物乙基多杀菌素再一次获得该奖。
三、合成
生物体内合成多杀菌素的基因簇共有23个基因，长约80 kb（见图2）。
图2 多杀菌素的生物合成基因簇
多杀菌素的生物合成包括大环内脂的合成和修饰，鼠李糖及福乐糖胺的合成与连接等环节。合成完整的多杀菌素的途径如图3所示。
图3 多杀菌素合成途径
多杀菌素高度复杂且独特的结构使其很难进行化学合成，Evans等用Diels-Alder反应第一次对多杀菌素类化合物进行了化学全合成，但由于没有建立严格的立体化学方法，得到的是多杀菌素的对映异构体形式(+)-A83543A。后来，Paquette等成功开发出了合成天然的左旋Spinosyn A的方法。与生物合成相比，化学合成已经开发出了一系列成熟的方法和工具，应用化学合成方法可以很快地开发新的化合物衍生物或类似物，而且在合成对细胞有毒性的物质上比生物合成更有优势。然而在其他方面，生物合成的优势更明显，生物合成的中间体往往不用进行纯化就可以进行下一步反应，可以实现一锅反应(One-Pot Reaction)；生物合成往往可以避免化学合成中复杂的“保护”和“去保护”操作；生物酶促反应的产物多数是具有生物活性的单一消旋体，不用考虑异构体等问题。综合考虑化学合成和生物合成的优缺点，Kim等应用化学-生物酶耦合的方法成功地在体外合成了多杀菌素。他们首先用化学法合成了多杀菌素的聚酮骨架大环内酯11，然后用一系列的酶将大环内酯11合成为拟糖苷17，最后用BF3·OEt2处理拟糖苷17和D-福乐糖胺，得到多杀菌素18。
虽然，目前这种化学-生物酶耦合的合成方法还远远不能取代依靠刺糖多孢菌发酵来生产多杀菌素的生物合成方法，但相关技术在未来有很好的发展前景。而且体外构建合成途径的研究也有助于了解多杀菌素合成途径中相关酶的催化反应的静态反应速率，为系统代谢工程的基因改造提供指导。
四、我国登记情况
多杀菌素类杀虫农药的市场份额在2012年就已经高达4亿多美元(包括多杀菌素2.6亿美元以及乙基多杀菌素1.65亿美元)。
2010年，国内仅有美国陶氏公司具有多杀菌素原药登记和制剂登记，时至今日，国内一共8家企业拥有其原药登记；有94个制剂登记，其中75个单剂，包括原药8个（见表1）、悬浮剂69个、水分散粒剂6个、水乳剂7个、可分散油悬浮剂1个、微乳剂1个、粉剂1个、饵剂1个，主要复配的产品是阿维菌素、甲维盐、茚虫威、吡虫啉、虫螨腈等产品。登记作物主要是甘蓝、茄子、豇豆、棉花和水稻，用于防治小菜蛾、甜菜夜蛾、蓟马、棉铃虫和水稻螟虫。
表1 我国多杀霉素原药登记情况
目前多杀霉素在欧美和中国的专利已经届满。截至2019年年底，多杀霉素出口额较少，约109万美元，但其市场份额一直很稳定；原药和制剂登记企业数量大幅增加，说明多杀菌素具有广阔的前景。
五、展望
目前，多杀菌素高度复杂且独特的结构使其很难进行化学合成，多杀菌素仍由刺糖多孢菌通过有氧发酵进行生产。但由于刺糖多孢菌发酵单位产量低、副产物多、提取步骤复杂、产品收率低等因素导致其生产成本较高，制约了多杀菌素的推广应用。市场上销售的多杀菌素产品及原料药大部分依然是美国陶氏益农公司的产品。
因此，我国本土的多杀菌素市场仍然面临着种种的风险：一方面来源于生产技术和菌株专利的限制，目前已商品化的多杀霉素大多是传统的悬浮剂(SC)，存在田间施用时降解为非活性物质，造成药效不能充分发挥和药剂浪费的问题；另一方面来源于陶氏乙基多杀霉素对原有多杀霉素市场的更替。乙基多杀菌素是多杀霉素的类似物，2007年，由陶氏益农上市，商品名为艾绿士。它比多杀霉素更广谱，更高效。乙基多杀菌素与多杀菌素相同，也是2个组分的混合物，都是半合成的多杀霉素衍生物，它是在多杀霉素结构中的鼠李糖基3-位，由天然的甲基醚转变为乙基醚；其活性是多杀菌素的10倍。
因发酵工艺问题，中国产能并未得到释放，之前国内多杀霉素制剂产品，多以陶农科和美国默赛公司原药为来源配制。随着合成生物学的发展，以及我们对多杀菌素生物合成途径及其调控基因越来越多的了解，如今国内多杀霉素的原药量产得以明显改善，制剂中原药来源不再被跨国公司霸榜，我们将来可能直接设计并创建用于多杀菌素高效合成的人工途径，实现多杀菌素的高效异源表达，降低多杀菌素的生产成本，开发新型的农用抗生素，提高我国生物农药的国际竞争力，促进绿色农药在我国的推广应用。
如今东风渐起，多杀霉素能在杀虫剂市场掀起一股热潮吗？我们拭目以待。
参考资料：
1 徐磊.多杀菌素专利到期后如何才能拥有广阔的市场[J].农药市场信息,2020(08):31.
2 郑小华.曲高和寡难为砥柱，只待春风化雨时——多杀霉素的市场、应用与出口[J].农药市场信息,2020(04):29-30+37.
3 戴建忠,陈伟国,林蔚红,孙海燕,杨一平,钱秋杰.生物杀虫剂多杀霉素和乙基多杀菌素对家蚕毒性测定[J].蚕桑茶叶通讯,2018(05):1-4.
4 张爱华.一种含多杀霉素和苏云金杆菌的杀虫剂组合物及其应用[J].现代农业科技,2017(22):103-104.
5 盛志,陈凯,李旭.多杀菌素生物合成的研究进展[J].微生物学报,2016,56(03):397-405.
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