導(dǎo)向農(nóng)藥分子設(shè)計及傳導(dǎo)分布機(jī)制研究進(jìn)展

肖永欣, 李俊凱*,,2

(1. 長江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025；2. 長江大學(xué) 農(nóng)藥研究所，湖北 荊州 434025)

農(nóng)藥施用過程中因受噴霧機(jī)具性能、操作條件、氣象條件、株冠層結(jié)構(gòu)和葉片表面特性等多種因素的影響，導(dǎo)致最終到達(dá)生物靶標(biāo)的藥量大大減少，從而降低農(nóng)藥的利用率。Damak等[1]報道，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最終真正停留在作物葉片表面的農(nóng)藥只占施藥量的2%，而到達(dá)作用靶標(biāo)發(fā)揮藥效的僅占0.1%左右。未到達(dá)作用靶標(biāo)的農(nóng)藥不但起不到防治作用，還會造成不同程度的環(huán)境污染，對土壤、地下水和空氣等構(gòu)成威脅。

內(nèi)吸傳導(dǎo)性農(nóng)藥被生物體吸收后能夠很好地到達(dá)靶標(biāo)部位，從而有效提高農(nóng)藥的利用率，其中，內(nèi)吸性殺菌劑的成功研發(fā)使得對由植物內(nèi)部病原菌所致病害的防治取得了極大成功。然而，大多數(shù)殺蟲劑和殺菌劑都是通過質(zhì)外體運輸?shù)姆绞嚼谜趄v拉力自下而上進(jìn)行傳導(dǎo)的，這種內(nèi)吸傳導(dǎo)方式對于土壤根部施藥而言效果較好，但對于目前普遍采用的莖葉噴霧方式則很難有效防治植物維管束以及根部病蟲害。此外，根部施藥方式也常因環(huán)境因子復(fù)雜而影響藥效，同時伴隨著勞動強(qiáng)度大、用藥成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。增強(qiáng)農(nóng)藥靶向性，提高有效利用率已成為當(dāng)前農(nóng)藥研究的主要目標(biāo)。導(dǎo)向農(nóng)藥是指將農(nóng)藥活性成分與導(dǎo)向載體耦聯(lián)后，使之能在植物體內(nèi)向特定部位定向傳導(dǎo)累積的農(nóng)藥，旨在提高藥劑在植物體內(nèi)的內(nèi)吸傳導(dǎo)性，從而提高農(nóng)藥利用率，降低施藥損失和環(huán)境污染[2]。

1 導(dǎo)向農(nóng)藥分子設(shè)計

大多數(shù)商品化的內(nèi)吸性農(nóng)藥都是通過土壤施藥后由植物根部吸收，借助蒸騰拉力以質(zhì)外體運輸?shù)姆绞綇母窟\送至作用靶標(biāo)，而部分內(nèi)吸性殺蟲劑 [ 如螺蟲乙酯 (spirotetramat)] 則可通過雙向傳導(dǎo)作用防治刺吸式口器害蟲[3]，但通過葉面施藥后以共質(zhì)體運輸方式傳導(dǎo)的殺蟲劑和殺菌劑卻為數(shù)不多。提升外源化合物在植株內(nèi)的內(nèi)吸傳導(dǎo)能力尤其是韌皮部傳導(dǎo)性，可有效防治鉆蛀性害蟲和地下害蟲，也可保護(hù)和治療一些由植物病原真菌引起的維管束和根部病害，特別是對于蒸騰作用較弱的植物生殖組織，由于其幾乎不存在質(zhì)外體運輸，外源化合物不能到達(dá)，而借助韌皮部傳導(dǎo)則可實現(xiàn)藥劑向這些部位運輸及有效積累[4-7]。

在有關(guān)外源化合物理化性質(zhì)與韌皮部傳導(dǎo)關(guān)系 (圖1)[8]的研究中，Crisp等[9-10]提出了“弱酸假說 (weak acid)”，指出在不具備韌皮部傳導(dǎo)能力的化合物分子上添加酸性基團(tuán)，能夠提升該化合物向細(xì)胞質(zhì)膜滲透的能力。當(dāng)外源化合物被植物葉片吸收后進(jìn)入質(zhì)外體，在pH值約5.5的環(huán)境中，由于弱酸性物質(zhì)只發(fā)生部分解離，因而分子形式的化合物容易通過擴(kuò)散作用實現(xiàn)跨膜而進(jìn)入韌皮部，在韌皮部的堿性條件下，化合物很快解離成離子形式，但兩性離子卻不能透過質(zhì)膜再返回到質(zhì)外體，如此受 “離子阱” 效應(yīng)影響，外源化合物得以在共質(zhì)體內(nèi)不斷積累。

然而該理論并不能完全解釋任何具備弱酸性的化合物皆具有韌皮部傳導(dǎo)性這一現(xiàn)象。Tyree 等[11]通過對殺線劑草酰胺 (oxamyl) 進(jìn)行深入研究，提出了“中等滲透假說 (intermediate permeability)”，認(rèn)為外源化合物的韌皮部傳導(dǎo)性是由其自身油水分配系數(shù) (logKow) 決定，并伴隨篩管內(nèi)的同化物而實現(xiàn)的。當(dāng)外源化合物被植物體薄壁組織吸收后，憑借化合物本身的質(zhì)膜滲透能力 [logP，等于油水分配系數(shù) (logKow) 值]，通過自由擴(kuò)散而進(jìn)入原生質(zhì)體，以韌皮部的光合作用同化物作為轉(zhuǎn)運介質(zhì)一起向下傳導(dǎo)。不僅如此，對于一些具有超強(qiáng)質(zhì)膜滲透能力的外源化合物，其在植株內(nèi)還存在假質(zhì)外體傳導(dǎo)方式，即當(dāng)其通過韌皮部傳導(dǎo)到達(dá)根系后會再滲透到質(zhì)外體，通過蒸騰作用重新運輸回到葉部[12-15]。

在大量研究基礎(chǔ)上，Kleier等[16-19]通過構(gòu)建logKow 和酸解離常數(shù) (pKa) 與韌皮部傳導(dǎo)量之間的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn) “弱酸假說” 與 “中等滲透假說”之間存在互補關(guān)系：一個確定的pKa對應(yīng)一個logKow ，同樣，一個確定的logKow 也對應(yīng)著一個pKa，而 logKow 是決定外源化合物滲透能力及其韌皮部傳導(dǎo)性的主要因素，雖然添加弱酸性基團(tuán)可提升外源化合物的韌皮部傳導(dǎo)性，但主要還是受logKow 的影響。Kleier等[20-21]還認(rèn)為，在pKa 介于3～6之間、logKow 介于 ?0.5～4之間時，外源化合物可能具備韌皮部傳導(dǎo)能力。據(jù)此可通過他們所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型預(yù)測外源化合物是否具有韌皮部傳導(dǎo)性，見公式 (1)、(2)和 (3)[16,18]。

式 (1) 中：Cf為濃度因子；Ct為距離葉尖一定距離的篩管內(nèi)外源化合物的濃度；Ct,o為葉片質(zhì)外體內(nèi)外源化合物的總濃度；Ka為酸解離常數(shù)；[H+]i和 [H+]o分別表示篩管內(nèi)側(cè)和外側(cè)的氫離子濃度；PHA和PA分別為未解離酸和堿的滲透率；L為植株長度；l為葉片長度；l*表示經(jīng)外源化合物處理后葉片長度；r為篩管直徑；v為葉柄和莖稈中韌皮部汁液的流速。

式 (2) 中：j為外源化合物不同離子價態(tài)；Pj表示外源化合物以不同價態(tài)離子形式存在時通過篩管膜的滲透性；fji和fjo分別表示外源化合物以不同價態(tài)離子形式存在于篩管內(nèi)側(cè)和外側(cè)的比例。a、b、c的值源自式 (1)。

式 (3) 中：Kowj表示外源化合物以不同價態(tài)離子形式存在時的油水分配系數(shù)；m為篩管厚度；g表示篩管膜黏度。

然而Kleier模型卻無法解釋許多不符合該模型的外源化合物同樣存在共質(zhì)體運輸?shù)默F(xiàn)象，例如草甘膦 (glyphosate) 和百草枯 (paraquat)，研究表明，草甘膦和百草枯能夠分別利用細(xì)胞膜上的磷酸鹽轉(zhuǎn)運載體和多胺轉(zhuǎn)運載體而進(jìn)入細(xì)胞，并且草甘膦能夠展現(xiàn)出良好的韌皮部傳導(dǎo)能力[22-25]。此外，引入磺酸基團(tuán)和羧基基團(tuán)也會使化合物形成兩性離子，從而借助相應(yīng)的轉(zhuǎn)運載體進(jìn)入質(zhì)膜而具有韌皮部傳導(dǎo)性[26]。

鑒于轉(zhuǎn)運載體的這種特性，利用植物內(nèi)源生長物質(zhì)作為轉(zhuǎn)運基團(tuán)，在外源化合物的分子結(jié)構(gòu)上拼接生長素、單糖、寡肽和氨基酸等化合物基團(tuán)，可令外源化合物獲得韌皮部傳導(dǎo)能力，從而實現(xiàn)韌皮部傳導(dǎo)。李俊凱等[27]曾將吲哚乙酸(IAA) 和三唑醇 (triadimenol) 結(jié)合生成吲哚乙酸三唑醇酯，于0.5 mmol/L濃度下分別通過水培和噴霧處理6～8葉期大豆Glycine max植株，采用色譜法測定不同時間及植株不同部位吲哚乙酸三唑醇酯的含量，發(fā)現(xiàn)耦合物在大豆中具有雙向傳導(dǎo)和向根部積累的特點。此后他們又以萘乙酸(naphthaleneacetic acid) 作為導(dǎo)向基團(tuán)合成了萘乙酸-三唑醇耦合物，在大豆中未發(fā)現(xiàn)其具有韌皮部傳導(dǎo)性[28]。以吲哚乙酸作為導(dǎo)向基團(tuán)合成的衍生物在植物體內(nèi)既有調(diào)節(jié)生長的作用，又具有一定的生物活性。楊靜美等[29]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)藥劑質(zhì)量濃度超過50 mg/L時，吲哚乙酸-多菌靈耦合物對荔枝霜疫霉Peronophythora litchi的抑制率達(dá)到100%，同時對大豆根系生長具有一定的促進(jìn)作用。由于IAA與農(nóng)藥母體化合物形成的耦合物達(dá)到有效積累濃度時會影響植物正常生長，因此吲哚乙酸并不適合作為導(dǎo)向基團(tuán)。雖然寡肽載體對底物的識別范圍很廣，但因為寡肽轉(zhuǎn)運蛋白在大部分生育期內(nèi)都不表達(dá)，只在特定生育期 (如蛋白快速水解和萌芽期) 內(nèi)才會大量表達(dá)，因此寡肽也不適合作為導(dǎo)向基團(tuán)用于實現(xiàn)外源化合物的韌皮部傳導(dǎo)性[30-32]。

2 糖基導(dǎo)向農(nóng)藥

糖基導(dǎo)向農(nóng)藥是指先導(dǎo)化合物分子與糖分子耦合后形成具有韌皮部傳導(dǎo)性并保留生物活性的農(nóng)用化合物。目前有關(guān)糖基導(dǎo)向農(nóng)藥的系統(tǒng)性研究主要圍繞先導(dǎo)化合物氟蟲腈 (fipronil) 與不同糖分子的拼接，以及與糖分子上不同位置碳原子拼接后對韌皮部傳導(dǎo)性和生物活性的影響等展開。Yuan等[33]發(fā)現(xiàn)，在眾多糖分子中，己糖-氟蟲腈耦合物的韌皮部傳導(dǎo)性優(yōu)于戊糖和脫氧糖等基團(tuán)與氟蟲腈形成的耦合物，其中，L-鼠李糖-氟蟲腈耦合物和D-葡萄糖-氟蟲腈耦合物在4葉期蓖麻Ricinus communis韌皮部滲出液中的濃度最高(27.3 μmol/L) ，表明其韌皮部傳導(dǎo)性較優(yōu)。李德亮等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在己糖-氟蟲腈耦合物中，D-葡萄糖-氟蟲腈耦合物的韌皮部傳導(dǎo)性優(yōu)于半乳糖-氟蟲腈耦合物和木糖-氟蟲腈耦合物，三者在4葉期蓖麻韌皮部滲出液中的濃度分別為2 1.4 5、14.14和14.82 μmol/L，證實了以葡萄糖作為導(dǎo)向基團(tuán)合成的耦合物的韌皮部傳導(dǎo)能力較強(qiáng)。此外，Qin等[35]以D-葡萄糖、乳糖、甘露糖、阿拉伯糖和木糖等5個單糖分子作為導(dǎo)向基團(tuán)，分別將魚藤酮分子耦合到糖分子不同羥基基團(tuán)上 (D-葡萄糖上不同羥基位點)，共得到6個耦合物，發(fā)現(xiàn)只有2個D-葡萄糖-魚藤酮耦合物具有韌皮部傳導(dǎo)性。該研究還發(fā)現(xiàn)，將先導(dǎo)化合物拼接到糖分子不同位置得到的耦合物，其韌皮部傳導(dǎo)能力不同，在2個不同構(gòu)型的D-葡萄糖-魚藤酮耦合物中，取代葡萄糖6號位羥基所得耦合物的韌皮部傳導(dǎo)能力強(qiáng)于取代2號位羥基所得耦合物，二者在蓖麻韌皮部滲出液中的濃度分別為14.71和4.90 μmol/L[35]。Lei等[36]在研究中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，他們將氟蟲腈分子分別拼接到葡萄糖的C-1、C-2、C-3、C-4和C-6位點，所得耦合物在蓖麻韌皮部滲出液中的濃度分別為35.10、32.35、37.37、35.25和26.87 μmol/L，證明將先導(dǎo)化合物分子拼接到糖分子不同位置后，所得耦合物的韌皮部傳導(dǎo)能力不同。

葡萄糖作為導(dǎo)向基團(tuán)與先導(dǎo)化合物氟蟲腈耦合后還可提高耦合物在大豆木質(zhì)部中的傳導(dǎo)量。李豫豐等[37]采用50 μmol/L的葡萄糖-氟蟲腈耦合物溶液浸根處理 2片真葉期的大豆幼苗，24 h后發(fā)現(xiàn)該耦合物在葉部的累積量 (127.26 μmol/L) 顯著高于對照氟蟲腈處理 (41.22 μmol/L)。此外，D-葡萄糖-拌種咯耦合物 (D-GFC) 還可抑制蓖麻幼苗子葉對蔗糖的吸收。Wu等[38]發(fā)現(xiàn)：在4葉期蓖麻植株內(nèi)，D-GFC可顯著影響H+-蔗糖共同體的同向轉(zhuǎn)運；在蠶豆Vicia faba植株內(nèi)，該耦合物可抑制葉片組織對蔗糖分子的吸收；在釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae細(xì)胞中，其可抑制蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白 (ScSUC2) 的活性；在擬南芥Arabidopsis thaliana中則可導(dǎo)致蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白 (AtSUC2) 活性降低80%。

糖分子與先導(dǎo)化合物形成的耦合物會在一定程度上降低先導(dǎo)化合物的生物活性。Yang等[39]采用D-葡萄糖-氟蟲腈耦合物處理4葉期蓖麻幼苗子葉，待其吸收7 h后，通過高效液相色譜-質(zhì)譜儀(HPLC-MS) 檢測發(fā)現(xiàn)，蓖麻植株韌皮部滲出液中該耦合物的濃度可達(dá)90 μmol/L，但同時發(fā)現(xiàn)，其對3齡小菜蛾P(guān)lutella xylostella幼蟲的 LC50值(167.28 mg/L) 顯著低于對照氟蟲腈 (21.39 mg/L)。D-葡萄糖-氟蟲腈耦合物經(jīng)蓖麻成株葉片吸收48 ～72 h后，通過HPLC-MS檢測其根部和下端莖中含量發(fā)現(xiàn)，該耦合物可發(fā)生降解作用而使葡萄糖分子和氟蟲腈分子分離，從而將先導(dǎo)化合物氟蟲腈釋放出來，發(fā)揮殺蟲作用，實現(xiàn)防控效果。至于在蓖麻體內(nèi)具體是何種物質(zhì)發(fā)揮作用而將D-葡萄糖-氟蟲腈耦合物分解，仍有待進(jìn)一步研究。

3 氨基酸導(dǎo)向農(nóng)藥

氨基酸導(dǎo)向農(nóng)藥是指先導(dǎo)化合物分子與氨基酸分子耦合后形成具有韌皮部傳導(dǎo)性并保留生物活性的農(nóng)用化合物。氨基酸導(dǎo)向農(nóng)藥可利用氨基酸分子能夠被細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運蛋白識別且轉(zhuǎn)運的特點，通過主動運輸作用實現(xiàn)跨膜運輸和韌皮部傳導(dǎo)。氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白因具有表達(dá)量高、不會影響正常生理代謝、對底物識別范圍廣[40-42]以及在整個生育期內(nèi)都能表達(dá)[43]等優(yōu)點，近年來已被作為轉(zhuǎn)運載體廣泛用于導(dǎo)向農(nóng)藥的研究。目前相關(guān)研究主要圍繞不同氨基酸基團(tuán)與先導(dǎo)化合物形成的耦合物對韌皮部傳導(dǎo)性和生物活性的影響而進(jìn)行?？傮w而言，以氨基酸作為導(dǎo)向基團(tuán)所得耦合物的韌皮部傳導(dǎo)能力強(qiáng)于糖分子耦合物。Wu等[44]在4葉期蓖麻幼苗的韌皮部傳導(dǎo)試驗中發(fā)現(xiàn)，谷氨酸-拌種咯耦合物在韌皮部滲出液中的濃度比葡萄糖-拌種咯耦合物高出20倍以上。同時，不同氨基酸構(gòu)型對目標(biāo)化合物的韌皮部傳導(dǎo)性具有不同程度影響，其中，L-氨基酸耦合物的韌皮部傳導(dǎo)性強(qiáng)于D-氨基酸耦合物，L-谷氨酸-拌種咯耦合物在蓖麻幼苗韌皮部滲出液中的濃度 (12 μmol/L)顯著高于D-谷氨酸-拌種咯耦合物 (1.5 μmol/L)。Zhu等[45]分別以丙氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸為導(dǎo)向基團(tuán)合成的吩嗪-1-羧酸(phenazine-1-carboxylic acid，PCA) 耦合物中，LPCA 耦合物在蓖麻幼苗韌皮部滲出液中的濃度也均高于對應(yīng)的D-PCA 耦合物。

目前有關(guān)氨基酸導(dǎo)向農(nóng)藥的研究主要可分為以下兩部分：其一是篩選具備韌皮部傳導(dǎo)性和生物活性的先導(dǎo)化合物，其二是鑒定氨基酸與先導(dǎo)化合物形成的耦合物在內(nèi)吸傳導(dǎo)過程中所用的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白載體。

Jiang等[46]將甘氨酸與氟蟲腈耦合，得到一個甘氨酸-氟蟲腈耦合物，在大豆幼苗植株內(nèi)可檢測到其具有內(nèi)吸性，且對小菜蛾3齡幼蟲的 LC50值為 10.47 μg/mL，活性顯著高于對照氟蟲腈 ( LC50值 25.35 μg/mL)，但該耦合物在大豆植株韌皮部滲出液中的含量卻偏低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于4.5 mg/kg。Niu等[47]通過對吩嗪-1-羧酸 (PCA) 的羧基官能團(tuán)進(jìn)行改造，合成了17種氨基酸酯-PCA 耦合物，抗菌活性研究表明，其中7種耦合物對立枯絲核菌Rhizoctonia solani的 EC50值在5.35～18.85 mg/L之間，活性均優(yōu)于對照 PCA (EC50值 25.66 mg/L)，但未發(fā)現(xiàn)其任何一種耦合物具有韌皮部傳導(dǎo)性。柳豪等[48]將馬來酰肼 (malazide) 中的雙酰肼結(jié)構(gòu)引入到吩嗪-1-羧酸的羧基上，合成了17個吩嗪-1-羧酸雙酰肼耦合物，抑菌活性測試表明，10種目標(biāo)耦合物在50 mg/L下對立枯絲核菌的抑制率均高于70%，最高可達(dá)92%，但均低于對照吩嗪-1-羧酸處理 (抑制率100%)，并且也均未檢測到這17種吩嗪-1-羧酸雙酰肼耦合物具有韌皮部傳導(dǎo)性。Niu等[49]針對所合成的系列氨基酸酯-吩嗪-1-羧酸耦合物[47]未發(fā)現(xiàn)韌皮部傳導(dǎo)性這一現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用LiOH對L-丙氨酸甲酯-吩嗪-1-羧酸 (L-PAM) 耦合物進(jìn)行選擇性水解后，得到的L-丙氨酸-吩嗪-1-羧酸 (L-PA) 耦合物顯示出很好的韌皮部傳導(dǎo)性，只是其抑菌活性比水解前的酯類耦合物有所降低。與之類似，Yao等[50]研究發(fā)現(xiàn)，氯蟲苯甲酰胺 (chlorantraniliprole) 和甘氨酸酯 (甲酯或乙酯) 的耦合物在4葉期蓖麻幼苗植株中并不穩(wěn)定，皆以其水解產(chǎn)物的形式存在，且其水解產(chǎn)物雖呈現(xiàn)出雙向傳導(dǎo)的特性，但耦合物對甜菜夜蛾Spodoptera exigua的 LC50值 (0.82～7.23 mg/L) 卻高于對照氯蟲苯甲酰胺 (0.13 mg/L)。Yu等[51]針對Niu等[49]的研究結(jié)果，合成了12種L-氨基酸-吩嗪-1-羧酸耦合物，并發(fā)現(xiàn)這些耦合物對6種植物病原真菌均存在不同程度的抑菌活性，其中，L-亮氨酸-P C A 耦合物的抑菌率(74.2%) 與對照 PCA (76.2%) 相當(dāng)。9種目標(biāo)耦合物均具有較好的韌皮部傳導(dǎo)性，L-纈氨酸-PCA 耦合物在蓖麻韌皮部滲出液中的含量最高 (23.94 μmol/L)，抑菌率為48.9%，可作為潛在的內(nèi)吸傳導(dǎo)型殺菌劑深入開展研究。Zhu等[45]分別以丙氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸為導(dǎo)向基團(tuán)合成的10種 PCA 耦合物均具有韌皮部傳導(dǎo)活性，且對6種植物病原真菌均有不同程度的抑制活性。此外，Xiong等[52]在合成時通過保留吩嗪-1-羧酸分子結(jié)構(gòu)中的羧基，在吩嗪環(huán)的7號位引入氨基酸基團(tuán)，顯著增強(qiáng)了耦合物的韌皮部傳導(dǎo)性。當(dāng)用 200 μmol/L的耦合物處理蓖麻幼苗子葉2 h后，在吩嗪環(huán)7號位引入纈氨酸形成的耦合物在蓖麻韌皮部滲出液中的含量是在羧基上引入纈氨酸所形成耦合物的10倍。上述研究表明，以氨基酸作為導(dǎo)向基團(tuán)與先導(dǎo)化合物形成耦合物的韌皮部傳導(dǎo)能力與氨基酸種類、構(gòu)型以及先導(dǎo)化合物與氨基酸二者之間的耦合位點等因素有關(guān)。

目前已有一些將參與氨基酸導(dǎo)向農(nóng)藥內(nèi)吸傳導(dǎo)過程的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白作為載體的研究報道。Xie等[53]將氟蟲腈與甘氨酸進(jìn)行耦合后，通過HPLC檢測到該耦合物在蓖麻幼苗中具有韌皮部傳導(dǎo)性，并且利用實時熒光定量PCR (RT-qPCR)鑒定出該耦合物被蓖麻幼苗子葉吸收后可引起4個氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白RcLHT6、RcANT15、RcProT2和 RcCAT2 的表達(dá)量上調(diào)。該研究表明，上述4個蛋白可能參與了該甘氨酸-氟蟲腈耦合物在蓖麻幼苗韌皮部中的傳導(dǎo)過程，但其傳導(dǎo)機(jī)理仍有待繼續(xù)研究。Sheng等[54]發(fā)現(xiàn)，絲氨酸-氟蟲腈耦合物在蓖麻植株內(nèi)的傳導(dǎo)也受到 RcANT15蛋白的調(diào)控。Chen等[55]在研究擬南芥中氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白AtLHT1對甘氨酸-氯蟲苯甲酰胺耦合物的吸收作用時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植株缺失AtLHT1蛋白時，突變體根部對耦合物的吸收量減少；而當(dāng)AtLHT1蛋白持續(xù)表達(dá)時，與野生型相比，植株根部對耦合物的吸收量增加，說明氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白AtLHT1對甘氨酸-氯蟲苯甲酰胺耦合物的吸收和傳導(dǎo)具有調(diào)控作用。Ren等[56]分別研究了擬南芥成熟植株和幼苗中氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白AtAAP1的過表達(dá)功能，采用丙氨酸-氯蟲苯甲酰胺耦合物處理成熟植株和幼苗的根部后發(fā)現(xiàn)，耦合物在成熟植株和幼苗根部中的吸收量以及在葉肉細(xì)胞中的積累量均比對照顯著增高。該研究表明，提高氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白AtAAP1的表達(dá)量可增大擬南芥成熟植株和幼苗對丙氨酸-氯蟲苯甲酰胺耦合物的吸收量，揭示AtAAP1蛋白在耦合物的吸收和傳導(dǎo)過程中可能發(fā)揮了重要作用。

4 問題與展望

綜合目前已合成的具有韌皮部傳導(dǎo)性的糖基導(dǎo)向農(nóng)藥和氨基酸導(dǎo)向農(nóng)藥可發(fā)現(xiàn)，其室內(nèi)生物活性并未得到顯著提高，盡管以L-氨基酸作為導(dǎo)向基團(tuán)時，其對外源化合物的韌皮部傳導(dǎo)性和生物活性均有所改善，但二者之間的矛盾關(guān)系依舊存在。例如，L-纈氨酸-PCA 耦合物在蓖麻韌皮部滲出液中的濃度較高 (23.94 μmol/L)，但該耦合物對立枯絲核菌、禾谷鐮刀菌Fusarium graminearum、番茄早疫病鏈格孢Alternalia solani、尖孢鐮刀菌F. oxysporum、辣椒疫霉Phytophthora capsici及稻瘟病菌Pyricularia oryzae的殺菌活性均低于對照 PCA 處理[51]；而L-亮氨酸-PCA 耦合物雖然展示出較好的殺菌活性，對立枯絲核菌的EC50值 (0.084 mmol/L) 與對照 PCA 處理 (EC50值0.080 mmol/L) 接近，但該耦合物的韌皮部傳導(dǎo)性卻有所降低，在4葉期蓖麻幼苗韌皮部滲出液中的濃度僅約為11 μmol/L[45]。Kleier等[57]曾指出，前體農(nóng)藥 (pro-pesticide) 是解決韌皮部傳導(dǎo)性和生物活性不能兼容這一問題的有效方法。前體農(nóng)藥理念 (如圖2所示) 源于前體藥物 (pro-drug) 理念，最早在1958年由Albert[58]提出。該理念指出，將農(nóng)藥分子與內(nèi)生營養(yǎng)物質(zhì) (前體物質(zhì)，如葡萄糖、寡肽和氨基酸等) 結(jié)合，所得耦合物在相關(guān)轉(zhuǎn)運蛋白的作用下進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)，通過韌皮部和篩管伴胞復(fù)合體傳導(dǎo)至作用靶標(biāo)，然后通過酶解或化學(xué)裂解作用再將農(nóng)藥分子與前體物質(zhì)分離而發(fā)揮藥效，以此提高防治效果。

在目前有關(guān)導(dǎo)向農(nóng)藥的研究中，借助植物轉(zhuǎn)運蛋白作為載體，通過主動運輸作用進(jìn)行跨膜運輸，是實現(xiàn)外源化合物在植株內(nèi)韌皮部傳導(dǎo)的有效手段，也是繼Kleier模型之后，在導(dǎo)向農(nóng)藥分子設(shè)計方面的又一策略。在臨床上，人血白蛋白(human serum albumin，HSA) 可用于治療嚴(yán)重的低蛋白血癥和失血性休克，在人體內(nèi)可作為一些小分子藥物的載體，通過domainⅡA區(qū)和 ⅢA區(qū)藥物結(jié)合位點與之形成可逆性結(jié)合，進(jìn)而影響藥物的代謝、毒性、儲存及運輸。已有結(jié)合試驗初步證明，體外重組人血白蛋白與小分子藥物的結(jié)合功能和天然人血白蛋白與小分子藥物的結(jié)合功能基本一致[60]。因此，對于氨基酸類導(dǎo)向農(nóng)藥而言，其在植物體內(nèi)如何被氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白識別和轉(zhuǎn)運，其結(jié)構(gòu)與活性之間的關(guān)系尤其是先導(dǎo)化合物與前體如何分解或裂解而發(fā)揮藥效等問題，仍是未來研究工作的重點。此外，研究開發(fā)多種類型的導(dǎo)向基團(tuán)，用于提升藥劑在植物內(nèi)的內(nèi)吸傳導(dǎo)性，對于實現(xiàn)農(nóng)藥減量增效意義重大。

激發(fā)子 (elicitor) 是一類能激活寄主植物產(chǎn)生防御反應(yīng)的特殊化合物，分為糖類、糖蛋白及多肽類等。目前在植物與病原菌互作關(guān)系研究中已發(fā)現(xiàn)多種蛋白和多肽類激發(fā)子，包括疫霉屬(Phytophthora) 產(chǎn)生的激發(fā)素 (elicitines)，細(xì)菌的harpins蛋白和植物病毒的蛋白類激發(fā)子，以及與寄主抗病基因相對應(yīng)的病原菌?；蜔o毒基因產(chǎn)生的無毒蛋白等。激發(fā)子能夠被細(xì)胞膜上的激發(fā)子受體接受，通過細(xì)胞的信號系統(tǒng)傳導(dǎo)，引起水楊酸和過氧化氫的積累量增加，誘導(dǎo)抗病基因表達(dá)上調(diào)，促使細(xì)胞合成植保素。近期，Wang等[61]報道了化學(xué)激發(fā)子4-氟苯氧乙酸 (4-fluorophenoxyacetic acid，4-FPA) 能誘導(dǎo)水稻細(xì)胞中類黃酮聚合物的沉積，并由此使得刺吸式口器害蟲稻飛虱因口針難以抵達(dá)韌皮部及可能的口針內(nèi)食物道堵塞，導(dǎo)致取食困難而死亡；同時發(fā)現(xiàn)，4-FPA處理也能有效降低危害小麥、大麥等作物的麥長管蚜Sitobion avenae和禾谷縊管蚜Rhopalosiphum padi等刺吸式口器害蟲的存活率。田間試驗表明，噴施4-FPA水劑能有效降低水稻白背飛虱Sogatella furcifera的種群密度，并提高水稻產(chǎn)量。因此，能否將化學(xué)激發(fā)子作為導(dǎo)向基團(tuán)，與先導(dǎo)化合物耦合后開發(fā)出一類既能在植物體內(nèi)通過韌皮部傳導(dǎo)防治病蟲害，同時又能激活寄主防御反應(yīng)、提高作物產(chǎn)量的導(dǎo)向農(nóng)藥將是今后研究中的重大挑戰(zhàn)。