除草劑安全劑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究現(xiàn)狀

陳仙艷，余世賢，曾東強(qiáng)

（廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院 南寧市 530000）

農(nóng)田除草劑的發(fā)現(xiàn)，在很大程度上促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。除草劑的使用在我國(guó)已經(jīng)有近一百年的歷史，對(duì)我們國(guó)家的農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，不僅有效地保證了農(nóng)作物的高產(chǎn)與穩(wěn)定，而且減少了勞動(dòng)力投入以及促進(jìn)栽培技術(shù)的創(chuàng)新。但隨著除草劑的大量以及高劑量使用，其對(duì)環(huán)境以及農(nóng)作物造成的危害也愈加嚴(yán)重，逐漸引起了人們的重視。為解決除草劑的使用引起的農(nóng)作物藥害問(wèn)題，人們發(fā)現(xiàn)了除草劑安全劑（Safener），且隨著除草劑的使用得到快速發(fā)展。除草劑安全劑是一類重要的藥劑，保護(hù)農(nóng)作物免受除草劑的藥害，它對(duì)于除草劑的安全應(yīng)用起著重要作用。

1 除草劑安全劑的發(fā)現(xiàn)及研究歷史

1.1 除草劑安全劑的發(fā)現(xiàn)

除草劑安全劑最初是由霍夫曼（Hoffman）在1947年意外地發(fā)現(xiàn)的。Hoffman在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，用2,4-二氯苯氧乙酸藥劑處理西紅柿后，即使后期西紅柿用2,4-二氯苯氧乙酸藥劑處理，也再不會(huì)產(chǎn)生藥害現(xiàn)象[1]。為探究出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，Hoffman用燕麥靈（Barban）處理小麥后，用2,4-二氯苯氧乙酸對(duì)小麥進(jìn)行莖葉噴施，觀察到小麥并沒(méi)有受到燕麥靈的藥害；但在后面的實(shí)驗(yàn)中，將處理材料由小麥換成種子，給予同樣的處理后，卻發(fā)現(xiàn)小麥會(huì)遭到除草劑的藥害，而且葉面噴施處理方式不利于小麥田雜草的清除，因而Hoffman認(rèn)為以上出現(xiàn)的現(xiàn)象是不能夠被開(kāi)發(fā)利用的。但Hoffman仍堅(jiān)信出現(xiàn)這種現(xiàn)象肯定存在著某種機(jī)理，于是在經(jīng)過(guò)多年的研究后，成功研制出世界上第一個(gè)安全劑——1，8-萘二甲酸酐（1，8-Naphthalic–anhydride；NA），主要用來(lái)保護(hù)玉米、高粱等農(nóng)作物，防止滅草喹、硫代氨基甲酸酯類以及氯代乙酰胺類除草劑對(duì)作物產(chǎn)生的毒性[2]。

1.2 除草劑安全劑的發(fā)展歷程

安全劑NA在1972年被Gulfoil公司開(kāi)發(fā)進(jìn)入市場(chǎng)而被廣泛應(yīng)用。NA既能作為種子處理劑，又可以用于土壤處理，減輕不同種類的除草劑對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生的藥害[3]。在之后的15 a里，部分安全劑不斷被開(kāi)發(fā)進(jìn)入市場(chǎng)，比較具有代表性的是由美國(guó)史托福石化公司開(kāi)發(fā)的二氯丙烯胺（Dichlormid，R-25788），能夠保護(hù)玉米、高粱等農(nóng)作物不被丙草丹（EPTC）、乙草胺等藥劑危害。自1，8-萘二甲酸酐和二氯丙烯胺被人們發(fā)現(xiàn)之后，很多化學(xué)公司發(fā)現(xiàn)了安全劑的商業(yè)前景并對(duì)其進(jìn)行探索研究。早期安全劑的活性主要集中于谷類作物上，例如水稻、玉米、高粱和其他作物，其作用機(jī)制范圍較窄，例如氯乙酰苯胺和硫代氨基甲酸酯類除草劑僅在發(fā)芽前使用才有效[4]。目前，隨著除草劑在出芽后處理中的應(yīng)用不斷發(fā)展，用于治療越冬后出芽谷物的安全劑正在逐漸商業(yè)化[5]。

1.3 除草劑安全劑的開(kāi)發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著除草劑的大規(guī)模使用，其引起的植物毒性問(wèn)題也變得更加嚴(yán)重。除草劑安全劑的研究逐漸引起人們的關(guān)注，新的一些安全劑也被陸續(xù)開(kāi)發(fā)出來(lái)。目前除草劑安全劑的開(kāi)發(fā)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀如表1所示，主要列出了目前幾大類除草劑安全劑的主要代表商品、適用的除草劑及可作用的農(nóng)作物。

表1 除草劑安全劑的開(kāi)發(fā)研究及應(yīng)用概況［6-7］

2 除草劑安全劑種類及作用機(jī)制

2.1 除草劑安全劑的類型

按照化合物以及作用方式進(jìn)行分類，除草劑安全劑常見(jiàn)的類型包括2種：（1）按化合物分類：二氯乙酰胺類、磺酰脲類、肟醚類、三嗪類、三唑類、萘酸酐、羧酸衍生物、雜環(huán)類等；（2）按作用方式分類：分解型、補(bǔ)償型、混合型以及拮抗型。

圖1 常見(jiàn)的幾種除草劑安全劑結(jié)構(gòu)

2.2 除草劑安全劑的作用機(jī)制

除草劑-植物-安全劑三者之間的相互作用極其復(fù)雜，目前對(duì)于除草劑安全劑的作用機(jī)制仍沒(méi)有明確的定論。但人們有提出幾種普遍認(rèn)可的假說(shuō)[8]：①結(jié)構(gòu)相似的安全劑與除草劑通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)受體及結(jié)合位點(diǎn)，減少除草劑對(duì)作物造成的藥害（結(jié)構(gòu)活性理論）[9]；②安全劑通過(guò)阻礙農(nóng)作物中除草劑的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，提高農(nóng)作物的安全性[10]；③安全劑通過(guò)誘導(dǎo)作物體內(nèi)谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GSTs）、細(xì)胞色素P450（P450s）、糖基轉(zhuǎn)移酶（UGTs）等代謝酶的活性，提高除草劑的代謝速率；④促進(jìn)除草劑在農(nóng)作物中的降解[11]。關(guān)于除草劑安全劑的假說(shuō)主要包括以上4種，目前對(duì)于除草劑安全劑的作用理論主要包括有結(jié)構(gòu)活性理論、谷胱甘肽軛合理論以及由細(xì)胞色素P450催化的羥基化理論[12]。

（1）結(jié)構(gòu)活性理論（QSAR）

Stephenson等[13]為驗(yàn)證以上猜想，通過(guò)測(cè)量大量的酰胺類衍生物對(duì)除草劑丙草丹（EPTC）的解毒作用后，提出了類似結(jié)構(gòu)活性理論。他們觀察到與除草劑EPTC結(jié)構(gòu)相似的化合物，例如N，N-二取代基的2，2-二氯乙酰胺，酰胺類的衍生物對(duì)于EPTC能夠表現(xiàn)出很高的活性，而且二氯的酰胺類衍生物要遠(yuǎn)大于一氯以及三氯的安全活性。但當(dāng)酰胺類衍生物化學(xué)結(jié)構(gòu)中的-NR1烴基R1或RCO-烴基R被另一些結(jié)構(gòu)相差很大的基團(tuán)所取代時(shí)，安全活性發(fā)生很大的變化，有可能會(huì)迅速下降。大量的研究表明，除草劑安全劑的安全活性與自身的化學(xué)結(jié)構(gòu)聯(lián)系密切，只有安全劑與除草劑的結(jié)構(gòu)相差不大時(shí)，其安全活性才會(huì)更高[14]。另外，Yenne等[15]通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助分子模型設(shè)計(jì)（CAMM）發(fā)現(xiàn)，在除草劑安全劑的解毒現(xiàn)象中，其分子結(jié)構(gòu)的特征官能團(tuán)起到非常重要的作用，如果這些分子結(jié)構(gòu)發(fā)生某些變化的話，將有可能會(huì)直接影響到安全劑的解毒活性，甚至有可能會(huì)喪失。Yenne等人的發(fā)現(xiàn)，在很大程度上支持了Stephenson的類似結(jié)構(gòu)活性理論。

圖2 結(jié)構(gòu)活性理論（QSAR）機(jī)制注釋圖

（2）谷胱甘肽軛合理論

谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GSTs）以及谷胱甘肽（GSH）是除草劑安全劑發(fā)揮解毒效應(yīng)過(guò)程中不可缺少的物質(zhì)[16-17]。Shimabukuro等[18]在1970年首次發(fā)現(xiàn)除草劑莠去津與谷胱甘肽之間能發(fā)生軛合作用，即在GSTs的催化作用下，莠去津能與谷胱甘肽軛合，從而生成無(wú)毒性的化合物。隨后lay和kasida[19]研究了硫代氨基甲酸酯類除草劑和二氯乙酰胺解毒劑的作用機(jī)理，在前人的基礎(chǔ)上做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，提出了谷胱甘肽軛合機(jī)理的理論。如圖3所示，表明硫代氨基甲酸酯類除草劑在作物體內(nèi)，首先會(huì)生成有毒性的亞砜代謝產(chǎn)物，安全劑通過(guò)提高GSTs的活性以及增加GSH的含量，加速作物體內(nèi)亞砜代謝產(chǎn)物與GSH發(fā)生軛合，從而將有毒性的代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒性或者低毒的化合物[20]。Ekler等[21]研究也發(fā)現(xiàn)，安全劑BAS-145138、苯叉酰胺、Dichlormid、MG-191以及解草烯能夠加快除草劑乙草胺在玉米體內(nèi)的降解，主要原因是安全劑作用于玉米體內(nèi)后GSTs的活性得到了提高。近年來(lái)，畢紅梅等[22]采用室內(nèi)生物測(cè)定法，發(fā)現(xiàn)安全劑ND2144在保護(hù)玉米免受除草劑乙草胺的藥害時(shí)，可以使GSH含量達(dá)到對(duì)照的108.1%，ALS活性達(dá)到對(duì)照的142.9%。上述研究表明，安全劑可以通過(guò)增加GSH的含量以及提高GSTs的活性，從而緩解作物體內(nèi)除草劑造成的藥害。

圖3 谷胱甘肽軛合機(jī)制論注釋圖[23-26]

（3）植物細(xì)胞色素P450催化的羥基化理論

在植物體內(nèi)，微粒體P450單氧酶廣泛存在，是作物體內(nèi)除草劑代謝功能最廣泛的一類酶，能催化各種氧化反應(yīng)[27]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，除草劑安全劑可以誘導(dǎo)植物細(xì)胞色素P450的活性，如安全劑NA通過(guò)誘導(dǎo)P450的活性發(fā)揮解毒效應(yīng)。Robert等[28]在研究安全劑烯丙酰草胺在保護(hù)玉米不被除草劑EPTC藥害時(shí)，發(fā)現(xiàn)玉米體內(nèi)除草劑代謝過(guò)程中包含有氧化和磺化作用，從而首次提出了安全劑解毒效應(yīng)中存在氧化反應(yīng)。其他研究者在比較了除草劑及其代謝產(chǎn)物后，也得到了類似的結(jié)論。例如，除草劑氟嘧磺隆在細(xì)胞色素P450的誘導(dǎo)下，在玉米中能產(chǎn)生羥基化反應(yīng)[29]；Cole和Thalacke等[30-31]經(jīng)研究表明，P450s可促進(jìn)作物體內(nèi)磺酰脲類除草劑和醚苯磺隆發(fā)生羥基化反應(yīng)。上述研究結(jié)果表明細(xì)胞色素P450的活性能被除草劑安全劑所誘導(dǎo)，P450s對(duì)于農(nóng)作物體內(nèi)除草劑的代謝具有重要作用。

除了以上涉及到的GSH、GSTs、P450s等物質(zhì)之外，在安全劑緩解作物體內(nèi)除草劑藥害的過(guò)程中，乙酰乙酸合成酶（ALS）、糖基轉(zhuǎn)移酶（UGTs）、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體、谷胱甘肽轉(zhuǎn)運(yùn)體、液泡酶等物質(zhì)也起著非常重要的作用。除草劑安全劑的解毒效果是多種物質(zhì)結(jié)合起來(lái)發(fā)揮作用的，其作用機(jī)制尤其復(fù)雜，并非只限于某一物質(zhì)。目前，對(duì)于除草劑-植物-安全劑三者之間的相互關(guān)系，研究者們已經(jīng)做了大量的研究，但具體的作用機(jī)制還不明確，仍需要進(jìn)一步探究闡明。

3 除草劑安全劑的發(fā)展前景

在除草劑大量以及高劑量使用的今天，其帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題不容小覷，尤其是除草劑的長(zhǎng)期使用對(duì)農(nóng)作物以及環(huán)境產(chǎn)生的影響，有可能會(huì)直接威脅到社會(huì)的發(fā)展[32-34]?，F(xiàn)階段，針對(duì)除草劑安全劑作用機(jī)理研究中的不足，筆者認(rèn)為應(yīng)從以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究：1）利用分子生物學(xué)手段，鑒定出細(xì)胞色素P450基因的功能，明確P450基因所調(diào)控的分子機(jī)制；2）運(yùn)用基因轉(zhuǎn)錄學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等分子技術(shù)，確定除草劑安全劑保護(hù)農(nóng)作物過(guò)程中所涉及的物質(zhì)及相關(guān)酶系；3）結(jié)合生理生化研究除草劑和安全劑對(duì)作物的影響[35]。最后，筆者認(rèn)為除草劑安全劑商業(yè)化制劑的研究應(yīng)向新型、高效、低毒、殘留期短的方向發(fā)展，在保證除草劑靶標(biāo)活性的前提下，研制出有效保護(hù)農(nóng)作物安全的制劑。