酰胺類除草劑安全劑作用機(jī)理及研究應(yīng)用進(jìn)展

李瑾　劉秀　金晨鐘　陳靖宇　黃維　榮蓉　唐彩紅　謝鵬

摘要 綜述了酰胺類除草劑發(fā)展概況及應(yīng)用存在的問題、酰胺類除草劑安全劑及其作用機(jī)理、酰胺類除草劑安全劑的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題。并對酰胺類除草劑安全劑的應(yīng)用前景進(jìn)行展望，認(rèn)為酰胺類除草劑安全劑的研發(fā)前景廣闊，但目前除草劑安全劑的作用機(jī)制迫切需要從生理學(xué)與生物化學(xué)角度并結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞 酰胺類除草劑；除草劑安全劑；谷胱甘肽軛合作用；結(jié)構(gòu)活性理論（QSAR）；植物細(xì)胞色素P450催化代謝理論

中圖分類號 S451.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）21-0107-03

隨著化學(xué)除草劑的大量使用，尤其是酰胺類除草劑的應(yīng)用，促進(jìn)了農(nóng)田化學(xué)除草技術(shù)的革新，同時其對施藥作物的藥害問題也日益突出。酰胺類除草劑作為目前世界上廣泛使用的除草劑，如何安全高效地解決這類除草劑對施藥作物的藥害成為關(guān)鍵。安全劑的研究與應(yīng)用對于減輕或解決除草劑對作物生長產(chǎn)生的負(fù)作用具有重要的意義。為此，現(xiàn)將酰胺類除草劑安全劑作用機(jī)理及研究應(yīng)用進(jìn)展情況介紹如下。

1 酰胺類除草劑的應(yīng)用現(xiàn)狀

酰胺類除草劑的除草機(jī)理：在雜草植株體內(nèi)合成多種抑制劑，如細(xì)胞分裂或細(xì)胞生長抑制劑、脂類抑制劑等，抑制劑主要是抑制植物脂肪與脂肪酸的有機(jī)合成，包括抑制油酸與軟脂酸的合成，以及抑制發(fā)芽種子里的蛋白酶與α-淀粉酶的生物活性，從而抑制雜草根與幼芽的正常生長，或抑制生物的光合作用與電子傳遞鏈，或干擾植物體正常合成蛋白質(zhì)生物，破壞植物生物膜的完整性，從而實現(xiàn)抑制雜草的生長。

截至2015年底，酰胺類除草劑已商品化的品種有53個，氯代乙酰胺類占據(jù)主導(dǎo)地位，其中有6種氯代乙酰胺類除草劑得到市場廣泛認(rèn)同，如甲草胺（Alachlor）、乙草胺（Acetochlor）、丙草胺（Pretilachlor） 、異丙草胺（Propisochlor）、異丙甲草胺（Metolachlor）、丁草胺（Butachlor）等。全球銷售量最大的酰胺類除草劑品種有3種，分別是乙草胺（Aceto-chlor）、丁草胺（Butachlor）、甲草胺（Alachlor），占該類除草劑總產(chǎn)量的96%。這3種酰胺類除草劑適用于多種作物，如玉米、花生、大豆、棉花等，具有高效、高選擇性的特點，主要用于防除一年生禾本科雜草與部分闊葉雜草。

2 酰胺類除草劑應(yīng)用存在的問題

雖然使用酰胺類除草劑可以帶來很大的經(jīng)濟(jì)利益，但同時也會引發(fā)了一系列的問題。包括：大量使用酰胺類除草劑而產(chǎn)生的環(huán)境問題；盲目使用酰胺類除草劑而表現(xiàn)出來的藥害問題；長期使用酰胺類除草劑所產(chǎn)生的抗性明顯提高的問題等[1]。其中某些酰胺類除草劑品種在水田中的活性特別高，因此發(fā)生藥害事故的幾率就比較高，即便是在旱田使用，如果措施不當(dāng)、技術(shù)不到位也會造成藥害[2]。并且，酰胺類除草劑在除草的同時對作物也存在著隱性藥害[3]。

3 酰胺類除草劑安全劑的發(fā)現(xiàn)與作用機(jī)理

3.1 除草劑安全劑概述

除草劑安全劑是一種具有獨特性能的化學(xué)物質(zhì)[4]，又稱解毒劑或保護(hù)劑。其不僅不會影響除草劑對靶標(biāo)雜草的活性，而且可以有選擇地保護(hù)作物免受除草劑的藥害[5]。1947年Hoffman最早發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，當(dāng)時他偶然發(fā)現(xiàn)番茄經(jīng)2，4，5-涕處理后，再接觸除草劑2，4-D的液霧后沒有發(fā)生藥害現(xiàn)象[6]。為此，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，小麥經(jīng)過2，4-D葉面處理后，再使用燕麥靈（barban）也不會發(fā)生藥害。但是，由于用2，4-D處理種子的方式對小麥仍有藥害，而采用葉面噴灑的處理方式則會降低其對靶標(biāo)雜草的活性，因此這種拮抗機(jī)制不能被開發(fā)利用。此后，Hoffman進(jìn)行反復(fù)研究，終于在1962年首次提出了安全劑的概念，同時還建立了檢測化合物是否具有安全劑活性的篩選程序。幾年后，他再次提出了第1個安全劑——萘二甲酸酐（NA），并以商品名“Protect”進(jìn)入市場，這款安全劑可以保護(hù)玉米免受硫代氨基甲酸酯除草劑的藥害。安全劑的開發(fā)研究對除草劑的廣泛應(yīng)用意義重大，因為安全劑的研究開發(fā)與應(yīng)用拓寬了某些除草劑的應(yīng)用領(lǐng)域，使一些高性能的化學(xué)除草劑的應(yīng)用范圍更加廣泛[7-8]。

3.2 除草劑安全劑的作用機(jī)理

除草劑安全劑能在對除草劑去除雜草生物活性功能或防除雜草的效果不產(chǎn)生影響的前提下有選擇地保護(hù)作物，并且可以減輕甚至避免除草劑對施藥作物產(chǎn)生的隱性藥害。因此，在化學(xué)領(lǐng)域，世界各地都在深入探究除草劑安全劑對施藥作物的影響機(jī)制，并且大規(guī)模研究除草劑安全劑的不同分離、純化、有機(jī)合成技術(shù)等。截至目前，酰胺類除草劑安全劑對施藥作物的作用機(jī)理以及新型除草劑安全劑的開發(fā)應(yīng)用已成為主要研究對象。而除草劑安全劑對除草劑在作物中的降解速率、除草劑作用靶標(biāo)位點、施藥作物吸收和傳導(dǎo)除草劑的影響，安全劑的活化對谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶（GST）或其他生物代謝酶活性進(jìn)行誘導(dǎo)，以及上述除草劑的綜合作用對植物發(fā)揮保護(hù)效應(yīng)[9]等是除草劑安全劑的主要研究方向。目前有關(guān)除草劑安全劑被廣泛接受的機(jī)理解釋有結(jié)構(gòu)活性（QSAR）機(jī)理論[10]、谷胱甘肽軛合作用機(jī)理論[11]及植物細(xì)胞色素P450催化代謝理論[12]。

3.2.1 結(jié)構(gòu)活性（QSAR）機(jī)理論。為測定酰胺類衍生物對丙草丹的解毒效果，Stephenson等在非土壤體系中做了大量試驗，最終得出了合理解釋這一現(xiàn)象的理論，即結(jié)構(gòu)活性機(jī)理論（QSAR）。該理論認(rèn)為安全劑的結(jié)構(gòu)與活性呈現(xiàn)高度相關(guān)，而且其結(jié)構(gòu)還與除草劑結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)具有良好的解毒效應(yīng)。例如，N，N-二取代基-2，2-二氯乙酰胺及衍生物，作為玉米避免受酰胺類除草劑藥害的有效安全劑，其與硫代氨基甲酸酯除草劑結(jié)構(gòu)類似。少數(shù)酰胺類除草劑及其安全劑在植物的胚芽鞘上具有相同的吸收位點，因此認(rèn)為安全劑之所以發(fā)揮解毒作用，有可能是因為安全劑通過與除草劑競爭吸收位點，從而阻止除草劑在位點上吸收或傳導(dǎo)。這一研究結(jié)果與國外Ezra等研究者的研究結(jié)果一致。但是，也有研究者對此不認(rèn)同，他們的研究結(jié)果表明，安全劑的種類不同，其對除草劑在植物位點上的吸收和傳導(dǎo)存在減少、增加、不變等3種不同情況。如Bunting等利用碳示蹤技術(shù)[13]對除草劑吸收和傳導(dǎo)的影響因素的研究結(jié)果表明，雙苯嗯唑酸醚與除草劑的吸收和傳導(dǎo)沒有直接關(guān)系。近期又有研究結(jié)果進(jìn)一步驗證了結(jié)構(gòu)活性機(jī)理論，即苯基磺酰脲類[14]能夠保護(hù)作物免受磺酰脲類除草劑的傷害。

3.2.2 谷胱甘肽軛合作用機(jī)理論。軛合是經(jīng)非酶催化而發(fā)生的親核取代歷程，而且該歷程是在谷胱甘肽硫醇鹽的影響下發(fā)生的。谷胱甘肽軛合反應(yīng)[15]是哺乳動物合成硫醚氨酸的第一步驟，Glu-Cys（SH）-Gly與RX發(fā)生反應(yīng)，最后生成Glu-Cys（SR）-Glv。由于CAMM研究和QSAR機(jī)理論對于解毒菌達(dá)滅（EPTC）與對1，8-萘二甲酸酐（NA）這2種典型解毒機(jī)能的現(xiàn)狀都不能做出完全合理的解釋，因此Casida和Lay大膽提出了谷胱甘肽軛合作用機(jī)理論。這一理論認(rèn)為：硫代氨基甲酸酯除草劑首先在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袕?qiáng)毒性的亞砜，安全劑發(fā)揮作用則是依靠增加一系列還原性谷胱甘肽（GSH）含量及提高谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GST）的活性；同時還推斷出，軛合和解毒EPTC的代謝物-EPTC亞砜必須要發(fā)生這些變化，否則玉米就會因為這種代謝物而發(fā)生藥害[16]。歐曉明等指出，解毒菌達(dá)滅亞砜和軛合需要發(fā)生以下反應(yīng)，即植物體內(nèi)催化谷胱甘肽與親電化合物發(fā)生核取代有機(jī)反應(yīng)產(chǎn)生谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（GSTs）胞液酶。目前，植物體內(nèi)最重要的代謝解毒酶系就是GSTs和還原型谷胱甘肽（GSH），安全劑發(fā)揮解毒的效果就是通過提高還原型GSH的濃度及GSTs等酶的活性而實現(xiàn)的。Ezra和Stephenson則通過研究指出，化合物氯乙酰胺類與EPTC結(jié)構(gòu)相似，其解毒機(jī)理主要是提高化合物自身代謝及EPTC代謝所需要的底物或酶的活性。雖然Dichlormid與CDAA是類似物，但CDAA作為EPTC的安全劑，可以將玉米體內(nèi)的GSH水平和GST活性提高后再與谷胱甘肽軛合[17]，發(fā)揮很好的解毒效應(yīng)；而Dichlormid在玉米體內(nèi)不與GSH進(jìn)行軛合。葉 非等[18-19]研究發(fā)現(xiàn)，玉米經(jīng)過R-28725處理后，其體內(nèi)GSH濃度會提高，接著GSH發(fā)生軛合作用，提高玉米的代謝速率，降低除草劑對玉米的影響，從而實現(xiàn)玉米免受唑乙煙酸和氯嘧磺隆的藥害。Ekle等不僅研究了MG-191、二氯丙烯胺、解草烯、BAS-145138和AD-67等除草劑安全劑對乙草胺在玉米等作物中的代謝影響，還研究了這些除草劑安全劑對玉米中GST濃度與活性的影響。結(jié)果表明，這些安全劑可提高玉米中GST的含量，還能誘導(dǎo)GST同功酶的合成，提高GST及其同功酶在玉米幼苗中的活性，從而提高玉米代謝速率，進(jìn)一步加速對酰胺以及EPTC等的解毒效率。同時，這些安全劑可提高GSH的濃度，使其濃度增加30%～80%，從而 大幅提高GST活性。在玉米幼苗期間，安全劑的濃度與GSH的含量及GST的活性呈線性相關(guān)關(guān)系，且達(dá)到顯著水平。此外，有幾種磺酰脲和咪唑啉酮類除草劑在被安全劑處理而產(chǎn)生拮抗活性后，就可以與葡萄糖進(jìn)行軛合。有研究表明，安全劑BAS-145138[20-21]可以強(qiáng)化玉米體內(nèi)羥基化氯嘧磺隆的葡糖基化作用。Kreuz等研究表明，安全劑解草酯能增強(qiáng)小麥體內(nèi)芳氧基苯氧基丙酸酯類除草劑的葡糖基化作用，且作用比較顯著。但是，安全劑在這些反應(yīng)過程發(fā)生的作用仍不明確，有待進(jìn)一步研究。

3.2.3 植物細(xì)胞色素P450催化代謝理論。植物中最大的酶蛋白家族就屬細(xì)胞色素P450，其承擔(dān)著各種重要的生理功能，且與動物細(xì)胞色素P450酶系相比，其在選擇性方面更高效，在專一性方面更優(yōu)，在轉(zhuǎn)化代謝除草劑方面潛能更大。有關(guān)研究證明，細(xì)胞色素P450能催化3種反應(yīng)，包括催化除草劑分子發(fā)生烷基或芳基的羥基化反應(yīng)、除草劑分子的羥基化及去烷基化與O或N原子上的脫烷基化反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生無毒害代謝物。要想加快這些反應(yīng)的進(jìn)程，可以提高細(xì)胞色素P450的活性。氟嘧磺隆在玉米微粒中由細(xì)胞色素P450單氧酶系統(tǒng)誘導(dǎo)羥基化反應(yīng)，因此細(xì)胞色素P450對磺酰脲類除草劑代謝作用中的氧化反應(yīng)也會產(chǎn)生影響。單氧酶抑制劑氨基苯噻唑不僅可以提高除草劑的活性，而且能夠阻止磺酰脲類除草劑異丙隆和綠麥隆在小麥葉片中的代謝，解草腈尤其是BAS-145138、二氯丙烯胺、解甲胺腈和NA，是禾谷類作物除草劑甲磺隆與氯磺隆的安全劑，能有效防護(hù)玉米受到磺酰脲類除草劑的藥害[22]。

4 酰胺類除草劑安全劑的研究與應(yīng)用

近年來，國內(nèi)在除草劑安全劑領(lǐng)域也具有較好的研究成果。張榮全[23]研究表明，在施藥作物上施用安全劑R-28725和AD-67，不僅能夠顯著增強(qiáng)施藥后作物的抗除草劑藥害能力，而且可以大幅度提高施藥作物的某些酶活性，從而提高植物代謝分解除草劑的速率。李邵鋒[24]成功合成了2種安全劑，即苯叉酰胺（AD-67）與R-9148，同時還發(fā)現(xiàn)這2種安全劑在過量施藥后的玉米上應(yīng)用，可以有效避免玉米發(fā)生藥害。畢洪梅等[25]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用不同濃度的除草劑解毒劑ND2144對玉米種子進(jìn)行浸種處理后，玉米均在一定程度上表現(xiàn)出對殘留的乙草胺藥害的抗性現(xiàn)象，說明除草劑解毒劑ND2144可以減輕或緩減乙草胺殘留對玉米等作物產(chǎn)生的藥害。高家東等[26] 以解草啶、 AD-67、解草酮、二氯丙烯胺等4種除草劑安全劑為研究對象，通過培養(yǎng)皿濾紙法，以菜心的胚根長為測試指標(biāo)，研究4種除草劑安全劑對異丙甲草胺的解毒作用。結(jié)果表明，當(dāng)異丙甲草胺濃度分別為1.5 μg/mL和2.0 μg/mL時，4種安全劑對菜心的解毒效果不明顯，菜心胚根生長受到傷害。當(dāng)異丙甲草胺濃度為0.15 μg/mL時，4種安全劑在一定濃度范圍內(nèi)均表現(xiàn)為對異丙甲草胺具有解毒作用；其中AD-67不同濃度處理均對菜心有較好的解毒作用，在異丙甲草胺濃度為0.15 μg/mL的條件下，其濃度在0.5、1.0、2.0 μg/mL時的解毒效果分別為26.60%、37.14%、33.90%；解草啶、解草酮和二氯丙烯胺三者效果相當(dāng)，均為濃度0.5 μg/mL時對菜心具有解毒作用，濃度升高，解毒效果下降。吳仁海等[27]以精異丙甲草胺的安全劑為研究對象，以高粱為試驗作物，采用室內(nèi)生物測定法進(jìn)行研究。結(jié)果表明，解草酮不僅能夠提高高粱對精異丙甲草胺的耐藥性，而且可以有效降低精異丙甲草胺對高粱的藥害；解草啶雖然在高粱上使用具有安全性，但對緩解精異丙甲草胺對高粱的藥害發(fā)揮不了作用；二氯丙烯胺、AD-67處理高粱種子后，會不同程度地抑制高粱生長，因此不宜在高粱上作為除草劑安全劑使用。在天然產(chǎn)物除草劑安全劑研究方面，柏連陽為保護(hù)水稻免受乙草胺、異丙甲草胺等酰胺類水田除草劑的傷害，研制出一種以羌活、川芎和細(xì)辛的提取物構(gòu)成的安全劑，不僅可以明顯減輕乙草胺、異丙甲草胺等酰胺類水田除草劑對水稻的傷害，而且具有使用方便、不污染生態(tài)環(huán)境的優(yōu)點[28]。趙 建等[29]報道了花椒粗提物對異丙甲草胺在水田中的除草效果及對水稻安全性的影響，花椒粗提物對異丙甲草胺的除草效果無影響，但能減緩異丙甲草胺對水稻的影響，可作為異丙甲草胺水田應(yīng)用的安全劑。

Baldwin等[30]研究表明，二氯丙烯胺能有效地對抗克草敵（Pebulate）的抑制作用，從而促進(jìn)類脂生物的合成。Rowe研究表明，在雜交玉米種子上使用異丙甲草胺處理容易發(fā)生藥害，但當(dāng)異丙甲草胺與CGA-154281同時在雜交玉米種子上使用時，即便異丙甲草胺濃度達(dá)到7.8 kg/hm2，最敏感的雜交玉米種子也沒有發(fā)生藥害現(xiàn)象。還有很多學(xué)者研究了安全劑對細(xì)胞色素P450的影響，但研究結(jié)果不盡相同。例如，Stephenson等對酰胺類安全劑的解毒效應(yīng)的研究較多。有研究者認(rèn)為玉米被NA和解草酮預(yù)處理后，玉米苗內(nèi)細(xì)胞色素P450含量會呈現(xiàn)明顯增加的趨勢；而Fonne等 的研究結(jié)果卻相反，認(rèn)為NA對細(xì)胞色素P450總量的影響不明顯[31]。Ekle等以MG-191、二氯丙烯胺、解草烯、BAS-145138和AD-67等除草劑安全劑為研究對象，研究了這些除草劑安全劑對乙草胺代謝在玉米等作物中的影響，其研究結(jié)果與我國學(xué)者的研究結(jié)果基本一致。目前，國內(nèi)外學(xué)者越來越重視酰胺類除草劑安全劑的研究工作，越來越多的安全劑被開發(fā)和應(yīng)用出來，而且其中大部分安全劑的應(yīng)用范圍比較廣，可同時用于酰胺類除草劑和其他種類的除草劑。

5 酰胺類除草劑安全劑的應(yīng)用前景展望

酰胺類除草劑安全劑在作物上的應(yīng)用，不僅提高了作物對除草劑的耐受性，而且有效保護(hù)作物免受除草劑的危害，更重要的是對除草劑的使用和研發(fā)都產(chǎn)生重大影響，比如延長除草劑的使用年限、擴(kuò)大除草劑的應(yīng)用范圍、節(jié)省開發(fā)新除草劑的巨額費用等。目前，還需要深入研究了解安全劑的解毒機(jī)理和安全劑的生理生化機(jī)制，這些問題的解決會促進(jìn)新型高效除草劑的開發(fā)，有助于人們了解雜草對除草劑產(chǎn)生的抗性機(jī)制與除草劑的選擇性機(jī)制，為新型除草劑分子的設(shè)計提供指導(dǎo)。因此，酰胺類除草劑安全劑的研發(fā)將為該類除草劑的應(yīng)用打開更廣闊的市場。

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