手性農(nóng)藥選擇性生物活性與毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

郭浩銘, 魏一木, 劉雪科, 劉東暉, 王 鵬, 周志強(qiáng)

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 農(nóng)藥創(chuàng)新研究中心，北京 100193)

手性化合物對(duì)映體呈鏡像關(guān)系，除旋光特性外幾乎具有完全相同的物理化學(xué)性質(zhì)，但與生物體作用時(shí)通常差異顯著，因而展現(xiàn)出立體選擇性的生物學(xué)特性。近年來手性農(nóng)藥的選擇性得到了廣泛關(guān)注，如選擇性生物活性、毒性毒理、環(huán)境行為、不對(duì)稱合成等。目前我國登記使用的手性農(nóng)藥約270 種，占比近40%，并且這一比例一直呈上升的趨勢(shì)[1-3]。手性農(nóng)藥對(duì)映體通常會(huì)具有不同的生物活性，存在高效體、低效體或無效體，所以隨著合成工藝的改進(jìn)，一些手性農(nóng)藥品種以高活性的光學(xué)純單體形式進(jìn)行生產(chǎn)、登記、銷售和使用，如精異丙甲草胺、精甲霜靈、精喹禾靈、精草銨膦和氰氟草酯等[4-9]。除生物活性外，大量的研究表明，手性農(nóng)藥對(duì)映體在環(huán)境歸趨、毒性毒理方面也廣泛存在選擇性，如內(nèi)分泌干擾毒性、生殖毒性和神經(jīng)毒性等[10-12]。

前人關(guān)于手性農(nóng)藥的綜述多集中于手性農(nóng)藥的環(huán)境行為、毒性和合成等，而闡述手性農(nóng)藥生物活性和毒性立體選擇性差異未見系統(tǒng)報(bào)道。本綜述調(diào)研了近年手性農(nóng)藥的相關(guān)研究，擬對(duì)目前國內(nèi)外手性農(nóng)藥的選擇性生物活性和毒性效應(yīng)的研究進(jìn)展展開綜述，并且對(duì)其進(jìn)行歸類整理，旨在為手性農(nóng)藥選擇性環(huán)境行為的進(jìn)一步研究以及手性農(nóng)藥高效、環(huán)境友好型光學(xué)純單體農(nóng)藥的開發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 手性農(nóng)藥生物活性立體選擇性

生物活性是評(píng)估農(nóng)藥藥效的重要指標(biāo)之一，研究表明，手性農(nóng)藥對(duì)映體之間生物活性的差異主要分為4 種類型：1) 僅有一個(gè)對(duì)映體具有活性，其余為無效體或低效體；2) 對(duì)映體之間活性差異10 倍以內(nèi)；3) 對(duì)映體之間活性沒有明顯差異[13-14]；4) 對(duì)映體活性類型不同，以下分別總結(jié)手性殺蟲劑、殺菌劑和除草劑對(duì)靶標(biāo)生物的對(duì)映體活性差異。

1.1 手性殺蟲劑生物活性立體選擇性

目前我國市售手性殺蟲劑約110 余種[11]，表1列舉了一些殺蟲劑對(duì)映體的生物活性信息。擬除蟲菊酯類和有機(jī)磷類很多品種具有手性，因此有關(guān)對(duì)映體立體選擇性的研究相對(duì)較多。如有機(jī)磷農(nóng)藥水胺硫磷，S體對(duì)褐飛虱Nilaparvata lugens和二化螟Chilo suppressalis的LC50值分別為341 和8.63 mg/L，而R體對(duì)這兩種害蟲的LC50值分別為1 000 和500 mg/L，說明S-水胺硫磷對(duì)上述害蟲的殺蟲活性分別是R體的2.9和57.9 倍[15]；同樣，Di 等也發(fā)現(xiàn)水胺硫磷S對(duì)映體對(duì)朱砂葉螨Tetranychus cinnabarinus、東方黏蟲Mythimna separata、豌豆蚜Aphis craccivora和小菜蛾P(guān)lutella xylostella的殺蟲活性約是R-水胺硫磷的13.2～55.6 倍[16]；S-水胺硫磷對(duì)蝗蟲Locust的活性是R-水胺硫磷的130 倍[17]。水胺硫磷對(duì)于鱗翅目和同翅目害蟲有較好防效，其S體對(duì)上述靶標(biāo)害蟲均表現(xiàn)為高效體，具有較大潛力開發(fā)為高活性單體農(nóng)藥。擬除蟲菊酯類農(nóng)藥中已成功開發(fā)高效異構(gòu)體產(chǎn)品的數(shù)量相對(duì)較多，如氰戊菊酯，(S,S)-氰戊菊酯對(duì)德國小蠊Blattella germanica的殺蟲活性是(R,S)-氰戊菊酯的50 倍[18]，目前以(S,S)-氰戊菊酯光學(xué)純單體進(jìn)行銷售。此外，甲氰菊酯、溴氰菊酯、乙氰菊酯、聯(lián)苯菊酯、氟丙菊酯、四溴氟菊酯等均以單體形式作為有效成分進(jìn)行商品化銷售和使用[19]。苯基吡唑類手性殺蟲劑有丁蟲腈、乙蟲腈、氟蟲腈等，其選擇性生物活性也得到了很好的研究，丁蟲腈含一對(duì)對(duì)映體，其中R-丁蟲腈對(duì)小菜蛾、東方黏蟲、豌豆蚜和褐飛虱的LC50值分別為0.36、1.37、0.95 和0.46 mg/L，其殺蟲活性是S-丁蟲腈的1.9～5.1 倍[20]；乙蟲腈具有一個(gè)手性中心，R-乙蟲腈對(duì)豌豆蚜蟲Macrosiphum pisi和褐飛虱的活性分別是S-乙蟲腈的4.26 倍和2.43 倍[20]。苯基吡唑類手性殺蟲劑多為R體為高效體，且對(duì)映體之間活性差異約在10 倍以內(nèi)。其他種類的手性農(nóng)藥殺蟲劑如fluralaner、fluxametamide、乙螨唑、茚蟲威等對(duì)映體之間生物活性差異在10 倍以上，其中S-茚蟲威作為高效體，其生物活性是R-茚蟲威的1 000 倍以上[21]，目前市售茚蟲威原藥中S-茚蟲威與R-茚蟲威的比例約為3 : 1。

表1 手性殺蟲劑對(duì)映體生物活性差異Table 1 Enantiomer bioactivity difference of chiral insecticides

續(xù)表1Table 1 (Continued)

續(xù)表1Table 1 (Continued)

1.2 手性殺菌劑生物活性立體選擇性

我國已登記使用的殺菌劑中手性殺菌劑約有60 種，表2 中列舉了部分手性殺菌劑對(duì)映體選擇性生物活性的差異情況。目前以光學(xué)純單體登記的手性殺菌劑僅有精甲霜靈和精苯霜靈，均以R體為高效體進(jìn)行銷售和使用。部分殺菌劑對(duì)映體生物活性差異在100 倍以上，如丙硫菌唑、氯氟醚菌唑、滅菌唑、雙炔酰菌胺和氟唑菌酰羥胺等，其中R-雙炔酰菌胺的殺菌活性是S體的232～592 倍[7]，此類殺菌劑對(duì)映體中只有一個(gè)對(duì)映體具有殺菌活性，另一對(duì)映體為低效體或無效體，其高活性單體具有較大潛力開發(fā)為光學(xué)純單體農(nóng)藥。此外，噁唑菌酮對(duì)映體對(duì)不同靶標(biāo)的生物活性差異較大，如防治立枯絲核菌時(shí)，其R體活性是S體的178 倍，而防治尖孢鐮刀菌時(shí)其差異僅為不到4 倍，但R體依舊為高效體[44]。丙環(huán)唑具有兩個(gè)手性中心，兩對(duì)對(duì)映體，Tang 等測(cè)定了丙環(huán)唑4 個(gè)對(duì)映體分別對(duì)新月彎孢菌Curvularia lunata和果香地霉Colletotrichum musae的殺菌活性，對(duì)于新月彎孢菌，其活性順序?yàn)?2R,4S)-丙環(huán)唑 ＞ (2S,4R)-丙環(huán)唑 ＞ (2S,4S)-丙環(huán)唑 ＞ (2R,4R)-丙環(huán)唑，而對(duì)于果香地霉，其活性順序?yàn)?2R,4S)-丙環(huán)唑 ＞ (2R,4R)-丙環(huán)唑 ＞ (2S,4S)-丙環(huán)唑 ＞ (2S,4R)-丙環(huán)唑[45]。

表2 手性殺菌劑對(duì)映體生物活性差異Table 2 Differences in enantiomer bioactivity of chiral fungicides

1.3 手性除草劑生物活性立體選擇性

我國目前已登記的手性除草劑中約有70 種具有手性結(jié)構(gòu)，且多具有一個(gè)手性中心[62]。表3 列舉了部分手性除草劑對(duì)映體間的除草活性差異，多數(shù)除草劑高效體為R體，如芳氧苯氧丙酸類除草劑：吡氟禾草靈、禾草靈、氟吡禾草靈、喹禾靈、噁唑禾草靈。氰氟草酯、炔草酯和喔草酯等，R體均為高活性單體[62,8]。由于除草劑用量較大，且手性除草劑光學(xué)純活性單體制備技術(shù)突飛猛進(jìn)，多種手性除草劑以單一活性單體投入商品化使用，如精2 甲4 氯丙酸、精2,4-滴丙酸、精禾草靈、精吡氟禾草靈、精喹禾靈、左旋氰氟草酯、炔草酯、精異丙甲草胺和氯氟草醚等[8]。

表3 手性除草劑對(duì)映體生物活性Table 3 Enantioselective bioactivities of chiral herbicides

續(xù)表2Table 2 (Continued)

筆者綜合調(diào)研結(jié)果，對(duì)上述手性農(nóng)藥對(duì)映體活性平均差異倍數(shù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1 所示：超過50%的手性農(nóng)藥生物活性差異在10 倍以下，對(duì)映體間活性差異不大；而對(duì)映體生物活性超過10 倍的手性農(nóng)藥占比約為35.72%～42.86%，此類農(nóng)藥對(duì)映體間活性差異較大，其中茚蟲威、fluxametamide、氟唑菌酰羥胺、雙炔酰菌胺、氯氟醚菌唑、吡氟禾草靈和氟丁酰草胺等對(duì)映體間生物活性差異超過100 倍，此類手性農(nóng)藥其中一個(gè)對(duì)映體為低效體或無效體，具有較大潛力開發(fā)手性光學(xué)純單體農(nóng)藥。

圖1 手性農(nóng)藥對(duì)映體生物活性差異倍數(shù)分布Fig. 1 Differential fold distribution of enantiomeric bioactivity of chiral pesticides

多數(shù)研究證明手性農(nóng)藥對(duì)映體間具有選擇性生物活性的主要原因是手性農(nóng)藥對(duì)映體與靶標(biāo)位點(diǎn)結(jié)合的差異。分子對(duì)接是目前揭示手性農(nóng)藥對(duì)映體選擇性生物活性的主要手段。例如，水胺硫磷通過抑制乙酰膽堿酯酶(acetylcholinesterase,AchE)來發(fā)揮殺蟲活性[83]，Kong 等通過同源建模和分子對(duì)接分析了水胺硫磷對(duì)映體與蝗蟲AchE 之間結(jié)合的親和力，表明S-水胺硫磷與AchE 的結(jié)合能量高于R-水胺硫磷, 從而解釋了S-水胺硫磷對(duì)蝗蟲殺蟲活性更高的原因[17]。Tian 等模擬果蠅離子型GABAR 亞基，使用R/S-丁蟲腈進(jìn)行分子對(duì)接，結(jié)果顯示，R-丁蟲腈能更好地阻斷GABAR中氯離子的通過，進(jìn)而使其具有更好的殺蟲活性[18]。苯酰菌胺對(duì)映體與病原菌靶標(biāo)結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行同源建模和分子對(duì)接后發(fā)現(xiàn)，R/S-苯酰菌胺和靶標(biāo)位點(diǎn)特定受體間范德華力(van der Waals force)的差異是導(dǎo)致對(duì)映體發(fā)揮不同殺菌活性的主要原因，同樣也是fluxametamide 對(duì)映體對(duì)小菜蛾產(chǎn)生對(duì)映選擇性生物活性的主要原因[7,26]。盡管手性農(nóng)藥對(duì)映體之間擁有極其相似的物化性質(zhì)，但進(jìn)入靶標(biāo)生物體后，與氨基酸、蛋白質(zhì)等手性生物大分子發(fā)生對(duì)映體選擇性結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生選擇性生物活性。朱欣凱通過體外測(cè)定水胺硫磷對(duì)映體對(duì)東亞飛蝗Locusta migratoriaAchE 的活性發(fā)現(xiàn)，S-水胺硫磷對(duì)AchE 的抑制活性是R-水胺硫磷的10 倍，與吡唑硫磷對(duì)AchE 的抑制結(jié)果相似[84]，并且S-水胺硫磷可抑制羧酸脂酶(carboxylic acid lipase,CarE)的活性，而CarE 作為一種解毒酶，可緩解殺蟲劑分子對(duì)其的毒性[85]。因此，生物體內(nèi)解毒酶對(duì)手性農(nóng)藥對(duì)映體的特異性識(shí)別可能也是造成對(duì)映體選擇性生物活性的原因之一。解析手性農(nóng)藥對(duì)映體對(duì)靶標(biāo)生物產(chǎn)生選擇性生物活性的機(jī)制可為提高手性農(nóng)藥對(duì)靶標(biāo)生物的防效提供新的見解與思路，也可為新型高效光學(xué)純單體農(nóng)藥的研發(fā)提供理論依據(jù)。

2 手性農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物的毒性效應(yīng)立體選擇性

近年來大力倡導(dǎo)化學(xué)農(nóng)藥“減施增效”，農(nóng)藥的環(huán)境毒理問題受到越來越多研究人員的關(guān)注。手性農(nóng)藥進(jìn)入非靶標(biāo)生物體后，其對(duì)映體會(huì)與氨基酸、蛋白質(zhì)等生物大分子發(fā)生特異性結(jié)合，進(jìn)而對(duì)非靶標(biāo)生物造成對(duì)映體毒性差異[86]。目前越來越多的研究證明，手性農(nóng)藥對(duì)映體對(duì)于非靶標(biāo)生物產(chǎn)生的毒性效應(yīng)是多方面的，主要包括急性毒性、氧化應(yīng)激和內(nèi)分泌干擾等。

2.1 手性農(nóng)藥的急性毒性效應(yīng)

目前，手性農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物的急性毒性效應(yīng)的研究主要集中在一些環(huán)境模式生物，水生生物如斑馬魚D. rerio、小球藻C. vulgaris、浮萍Lemna minorL.和大型溞Daphnia magnaS.等，土壤生物如赤子愛勝蚓Eisenia foetida等，以及昆蟲 (如蜜蜂Apis melliferaL.) 等。表4 列舉了部分手性農(nóng)藥對(duì)于非靶標(biāo)生物的選擇性毒性效應(yīng)。部分手性農(nóng)藥對(duì)靶標(biāo)生物具有高活性的對(duì)映體對(duì)于非靶標(biāo)生物同樣具有相對(duì)更高的毒性，如水胺硫磷和呋蟲胺等，其S體對(duì)靶標(biāo)生物表現(xiàn)為高活性，對(duì)非靶標(biāo)生物也表現(xiàn)出較高的毒性。部分手性農(nóng)藥對(duì)映體對(duì)靶標(biāo)生物高活性，而對(duì)于非靶標(biāo)生物卻具有相對(duì)更低的毒性，如氟唑菌酰羥胺、仲丁威、滅菌唑等，此類農(nóng)藥有較大的潛力開發(fā)為環(huán)境友好型光學(xué)純單體農(nóng)藥；部分手性農(nóng)藥對(duì)映體對(duì)于非靶標(biāo)生物毒性差異不大 (5 倍以內(nèi))，如氟蟲腈、烯效唑、敵草胺、苯霜靈、乙蟲腈、戊唑醇、吡唑磷等；而諸如氟噁唑酰胺、滅菌唑、乳氟禾草靈、噁唑菌酮和七氟菊酯等手性農(nóng)藥對(duì)部分非靶標(biāo)生物所表現(xiàn)出的對(duì)映體間的毒性差異則在20 倍以上，其中噁唑菌酮對(duì)映體對(duì)斑馬魚和赤子愛勝蚓的對(duì)映體間急性毒性差異倍數(shù)分別為95 和167 倍。從對(duì)映體的水平探究手性農(nóng)藥對(duì)映體間的環(huán)境行為和毒性毒理，了解手性農(nóng)藥對(duì)映體對(duì)環(huán)境生物的潛在風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于研發(fā)環(huán)境友好型光學(xué)純單體農(nóng)藥至關(guān)重要。

表4 部分手性農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物對(duì)映體選擇性急性毒性Table 4 Enantioselective acute toxicity of some chiral pesticides on nontarget organisms

續(xù)表4Table 4 (Continued)

續(xù)表4Table 4 (Continued)

2.2 手性農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物氧化應(yīng)激效應(yīng)

當(dāng)生物受脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)會(huì)積聚大量活性氧(reactive oxygen species，ROS), 如O2-, 會(huì)破壞細(xì)胞分子結(jié)構(gòu)并干擾生物正常的生理過程。生物體內(nèi)具有多種復(fù)雜的酶和非酶抗氧化系統(tǒng)來抵御氧化脅迫[110]。氧化應(yīng)激是指氧化與抗氧化失衡的一種狀態(tài), 是造成細(xì)胞凋亡的重要因素，因此常被用來作為評(píng)估外源污染物對(duì)環(huán)境模式生物安全性的重要指標(biāo)[111]。已經(jīng)有大量文獻(xiàn)表明農(nóng)藥會(huì)對(duì)非靶標(biāo)生物造成氧化應(yīng)激效應(yīng)[112]，手性農(nóng)藥對(duì)映體對(duì)非靶標(biāo)生物造成的氧化應(yīng)激甚至氧化損傷也得到了廣泛研究，其中手性殺蟲劑和殺菌劑的毒性效應(yīng)研究多選用動(dòng)物作為受試生物，如Li 等測(cè)試了三氯殺蟲酯對(duì)映體對(duì)大鼠PC12 細(xì)胞的毒性作用，結(jié)果顯示S-三氯殺蟲酯可顯著誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生ROS，并且降低了超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase，SOD) 和過氧化氫酶 (catalase，CAT) 的活性，使ROS 難以清除，造成了嚴(yán)重的氧化損傷，具有細(xì)胞毒性[113]。相比于R-呋蟲胺，S-呋蟲胺可誘導(dǎo)蚯蚓產(chǎn)生更強(qiáng)的氧化應(yīng)激效應(yīng)，顯著提高了赤子愛勝蚓體內(nèi)丙二醛(malondialdehyde, MDA)的含量以及嚴(yán)重的DNA 損傷，抑制了蚯蚓的生長和繁殖[106]，且當(dāng)環(huán)境中存在其他外源污染物時(shí)，呋蟲胺對(duì)映體對(duì)非靶標(biāo)生物的氧化應(yīng)激毒性也會(huì)受到影響。當(dāng)與低劑量的鎘共暴露時(shí)會(huì)加劇R-呋蟲胺對(duì)斑馬魚氧化應(yīng)激毒性[114]。手性殺菌劑己唑醇對(duì)赤子愛勝蚓表現(xiàn)出選擇性毒性效應(yīng)，其中S-己唑醇對(duì)赤子愛勝蚓的毒性高于R-己唑醇，并且誘導(dǎo)出對(duì)映體特異性氧化應(yīng)激，S-己唑醇對(duì)MDA、細(xì)胞色素P450 和8-羥基-2-脫氧鳥苷含量的影響大于R-己唑醇[101]。S-氟唑菌苯胺對(duì)斑馬魚毒性是R-氟唑菌苯胺的54 倍，且誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激效應(yīng)更為嚴(yán)重[115]。Ren 等研究表明，吡噻菌胺對(duì)斑馬魚具有選擇性毒性效應(yīng)，其中S-吡噻菌胺可引起斑馬魚肝臟產(chǎn)生氧化應(yīng)激，并且顯著干擾了基因表達(dá)，對(duì)斑馬魚表現(xiàn)出較高的毒性[116]。此外，除草劑與植物生長調(diào)節(jié)劑也可對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物造成毒性效應(yīng)，如S-乙草胺對(duì)蚯蚓的急性毒性是R-乙草胺的1.9 倍，并且S-乙草胺可顯著提高羥基自由基(hydroxyl radical , OH·) 含量以及SOD、CAT、細(xì)胞色素P450 的活性[117]。氧化平衡被破壞后可對(duì)生物體產(chǎn)生諸多不利影響，如R-多效唑?qū)Π唏R魚造成的氧化應(yīng)激比S-多效唑強(qiáng)，并且過量的ROS 會(huì)進(jìn)攻細(xì)胞膜，進(jìn)而干擾斑馬魚AchE 的活性，對(duì)斑馬魚造成神經(jīng)毒性[118]。暴露于R-烯效唑的斑馬魚氧化應(yīng)激指標(biāo)的變化是S-烯效唑的1.27～1.53 倍，表明R-烯效唑會(huì)導(dǎo)致更顯著的不良反應(yīng)[91]。

手性農(nóng)藥對(duì)植物造成的毒性效應(yīng)研究多集中于除草劑和植物生長調(diào)節(jié)劑，如小球藻對(duì)于維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)十分重要，Liu 等研究了多效唑?qū)τ丑w對(duì)小球藻的毒性，結(jié)果表明多效唑可顯著誘導(dǎo)小球藻產(chǎn)生氧化應(yīng)激效應(yīng)，R-多效唑?qū)π∏蛟寮?xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞作用要強(qiáng)于S-多效唑，嚴(yán)重抑制了小球藻生長激素的含量，抑制其生長[102]。手性農(nóng)藥對(duì)陸生植物具有同樣的選擇性毒性效應(yīng)，如S-異丙甲草胺處理后，小麥植株內(nèi)O2-含量和MDA 含量要顯著高于空白處理，其產(chǎn)生的氧化應(yīng)激效應(yīng)要強(qiáng)于Rac-異丙甲草胺，且抑制小麥植株生長[119]。R-咪唑乙煙酸顯著增加了小麥植株中ROS 含量，干擾了Fe2+的釋放，并且R-咪唑乙煙酸可破壞小麥細(xì)胞結(jié)構(gòu)，干擾光合作用，造成植物細(xì)胞毒性[120]。手性農(nóng)藥滅菌唑，R體殺菌活性是S體的100 倍，但S-滅菌唑可對(duì)小麥幼苗造成氧化損傷，抑制小麥幼苗生長，并且干擾了赤霉素和乙烯的合成[121]。

2.3 手性農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物的內(nèi)分泌干擾效應(yīng)

近年來，一些研究發(fā)現(xiàn)某些農(nóng)藥具有內(nèi)分泌干擾毒性，干擾生物正常的激素分泌并導(dǎo)致非靶標(biāo)生物生理功能紊亂。手性農(nóng)藥對(duì)于生物內(nèi)分泌干擾具有選擇性毒性效應(yīng)?；趫?bào)告基因分析方法，能快速通過體外試驗(yàn)的方法，篩選出農(nóng)藥對(duì)映體中具有潛在內(nèi)分泌干擾作用的單體[122-123]。順式聯(lián)苯菊酯對(duì)映體對(duì)H295R 細(xì)胞腎上腺皮質(zhì)激素分泌的選擇性干擾效應(yīng)研究表明，S-順式聯(lián)苯菊酯和R-順式聯(lián)苯菊酯均不同程度地抑制H295R 細(xì)胞腎上腺皮質(zhì)激素的分泌，且S-順式聯(lián)苯菊酯抑制效應(yīng)更強(qiáng)[124]。Hu 等利用體外實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬考察苯基吡唑類殺蟲劑氟蟲腈、乙蟲腈、丁蟲腈對(duì)映體對(duì)牛血清的干擾效應(yīng)，結(jié)果表明S-乙蟲腈和S-丁蟲腈可誘導(dǎo)甲狀腺功能紊亂，而R-氟蟲腈、R-乙蟲腈和R-丁蟲腈可誘導(dǎo)雌激素分泌異常，產(chǎn)生這種毒性差異的原因之一是對(duì)映體與受體結(jié)合親和力存在差異[125]。葉菌唑?qū)τ丑w對(duì)斑馬魚的甲狀腺干擾同樣存在選擇性效應(yīng)，(1R,5S)-葉菌唑?qū)Π唏R魚的甲狀腺破壞能力強(qiáng)于其它對(duì)映體，利用計(jì)算機(jī)模擬證明 (1R,5S)-葉菌唑與甲狀腺激素受體之間的結(jié)合能力比其他對(duì)映體更強(qiáng)[126]。乙草胺對(duì)映體對(duì)斑馬魚甲狀腺激素干擾實(shí)驗(yàn)表明S-乙草胺對(duì)甲狀腺激素受體和促甲狀腺激素基因表達(dá)表現(xiàn)出顯著促進(jìn)作用，相比于R-乙草胺，S-乙草胺對(duì)斑馬魚甲狀腺有更強(qiáng)的破壞效應(yīng)[127]。氯氰菊酯4 個(gè)對(duì)映體對(duì)H295R 細(xì)胞的干擾實(shí)驗(yàn)表明，1R-cis-αS-氯氰菊酯可抑制糖皮質(zhì)激素受體、鹽皮質(zhì)激素受體和甲狀腺受體活性，1R-trans-αS-氯氰菊酯可抑制雄激素受體和雌激素受體活性，其余2 個(gè)對(duì)映體也可造成類固醇激素相關(guān)基因的表達(dá)和激素分泌，表明氯氰菊酯對(duì)映體分別可通過不同的通路造成內(nèi)分泌紊亂[122]。

隨著研究的深入，越來越多的證據(jù)表明農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物存在多方面的干擾效應(yīng)，其中對(duì)性腺的影響也是近年來的研究熱點(diǎn)。Chang 等研究了高效氯氟氰菊酯對(duì)映體對(duì)麗斑麻蜥Eremias argus性腺的影響，結(jié)果表明，(+)-高效氯氟氰菊酯處理使得生精小管直徑增加，且性腺的發(fā)育基因的相對(duì)表達(dá)量顯著高于(-)-高效氯氟氰菊酯暴露組[128]。麗斑麻蜴Eremias argus 經(jīng)口暴露腈菌唑?qū)τ丑w28 d，S-腈菌唑降低了蜥蜴體重，且雌二醇(E2)含量降低，并且干擾了性腺發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)，證明S-腈菌唑?qū)︱狎嫘韵傧到y(tǒng)發(fā)育可能具有干擾效應(yīng)[129]。異丙甲草胺對(duì)斑馬魚性腺的干擾研究表明S-異丙甲草胺可干擾斑馬魚性腺發(fā)育相關(guān)基因：fshβ、cyp17、17βhsd和cyp19a的表達(dá)，導(dǎo)致雌性斑馬魚E2 含量水平增加，并且異丙甲草胺和S-異丙甲草胺對(duì)斑馬魚內(nèi)分泌干擾作用的機(jī)制不同，具有生殖毒性[130]。

2.4 組學(xué)分析在手性農(nóng)藥研究中的作用

組學(xué)分析技術(shù)迅速發(fā)展，為多學(xué)科交叉研究提供了更多的可能。目前農(nóng)藥環(huán)境毒理學(xué)領(lǐng)域有大量研究使用代謝組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等手段深度挖掘農(nóng)藥對(duì)環(huán)境生物的安全性影響。在手性農(nóng)藥環(huán)境毒理學(xué)方面，也有研究借助該方法深層次剖析手性農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物的影響以及產(chǎn)生選擇性毒性效應(yīng)的機(jī)制。Zhang 等利用代謝組學(xué)研究甲霜靈對(duì)映體對(duì)乳腺癌細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)其對(duì)映體可通過不同的通路來干擾細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，包括能量代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝和抗氧化防御等[131]。S-甲霜靈為低效體，但S-甲霜靈飼喂大鼠后檢測(cè)大鼠尿液代謝譜發(fā)現(xiàn)，S-甲霜靈可干擾大鼠糖酵解、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的代謝水平，且這些紊亂的代謝途徑可能導(dǎo)致遺傳疾病并影響肝功能[131-133]。Qiu 等利用代謝組學(xué)研究了2,4-滴丙酸對(duì)映體對(duì)擬南芥的影響，發(fā)現(xiàn)其R體可干擾擬南芥乳糖代謝、淀粉和蔗糖代謝、三羧酸循環(huán)、脂肪酸生物合成途徑和磷酸戊糖途徑等[134]。在萵苣上分別施用戊唑醇對(duì)映體后進(jìn)行代謝組學(xué)分析，R-戊唑醇可導(dǎo)致可溶性糖、氨基酸和有機(jī)酸的含量下調(diào)，進(jìn)而影響萵苣的營養(yǎng)品質(zhì)[135]。

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)同樣在手性農(nóng)藥環(huán)境毒理學(xué)方面得到了很好的應(yīng)用。通過轉(zhuǎn)錄組測(cè)序表明，S-呋蟲胺與赤子愛勝蚓生物大分子的相互作用和對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的影響比R-呋蟲胺更強(qiáng)，這可能是對(duì)映體之間產(chǎn)生選擇性毒性的主要原因[106]。當(dāng)斑馬魚暴露于S-呋蟲胺時(shí)，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成和視黃醇代謝受到顯著干擾，進(jìn)而對(duì)斑馬魚的能量代謝產(chǎn)生影響；而僅當(dāng)暴露于高濃度的R-呋蟲胺時(shí)，斑馬魚中與磷脂酰膽堿相關(guān)的代謝物才會(huì)產(chǎn)生變化，表明S-呋蟲胺對(duì)非靶標(biāo)生物斑馬魚的影響會(huì)更強(qiáng)[136]。更多的組學(xué)研究顯示，暴露于S-呋蟲胺會(huì)對(duì)蜜蜂的解毒相關(guān)代謝產(chǎn)生更嚴(yán)重的損害[137]。結(jié)合呋蟲胺對(duì)映體毒性的相關(guān)研究表明：S-呋蟲胺的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)要顯著強(qiáng)于R-呋蟲胺。

乙草胺對(duì)映體處理蚯蚓后，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)錄組水平出現(xiàn)對(duì)映體選擇性差異，R-乙草胺可導(dǎo)致蚯蚓部分信號(hào)通路功能障礙以及細(xì)胞凋亡，這可能是造成其毒性強(qiáng)于S-乙草胺的原因[117]。蚯蚓暴露于雙炔酰菌胺對(duì)映體后，S-雙炔酰菌胺誘導(dǎo)了更多的差異表達(dá)基因，主要集中于膽汁分泌和甲狀腺激素信號(hào)通路，并且其對(duì)蚯蚓的毒性要比R-雙炔酰菌胺更強(qiáng)[138]。氯氟醚菌唑可引起斑馬魚對(duì)映體選擇性的肝毒性，該效應(yīng)可能主要與能量代謝、脂質(zhì)代謝和氨基酸代謝有關(guān)[139]。順式聯(lián)苯菊酯對(duì)斑馬魚的的選擇性毒性研究表明，1S順式聯(lián)苯菊酯的毒理學(xué)效應(yīng)大于1R-順式聯(lián)苯菊酯，其中包括生長抑制、神經(jīng)毒性、脂肪酸合成以及胚胎發(fā)育[140]。Li 等利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示了甲氧咪草煙對(duì)映體對(duì)浮萍產(chǎn)生對(duì)映體選擇性毒性的機(jī)制，其中R-甲氧咪草煙干擾了浮萍光合作用途徑、谷胱甘肽代謝途徑、戊糖磷酸途徑、玉米素生物合成以及卟啉和葉綠素代謝途徑中的基因表達(dá)，S-甲氧咪草煙影響苯丙氨酸代謝、苯丙烷生物合成、玉米素生物合成和次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成等通路的基因表達(dá)[96]。

利用組學(xué)測(cè)序技術(shù)可獲取大量關(guān)于手性農(nóng)藥對(duì)映體對(duì)非靶標(biāo)生物的毒理學(xué)信息，該手段可用來深層次解析手性農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物產(chǎn)生選擇性效應(yīng)的原因和機(jī)制，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)更多的毒理學(xué)數(shù)據(jù)，方便更加精準(zhǔn)地評(píng)估手性農(nóng)藥對(duì)映體的毒理學(xué)效應(yīng)以及健康風(fēng)險(xiǎn)，顯示出交叉學(xué)科的研究優(yōu)勢(shì)，隨著多組學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及組學(xué)分析成本的降低，手性農(nóng)藥環(huán)境毒理學(xué)評(píng)估有望得到進(jìn)一步研究。

3 小結(jié)與展望

目前，手性農(nóng)藥對(duì)映體對(duì)靶標(biāo)生物活性差異的研究已經(jīng)越來越廣泛，多數(shù)手性農(nóng)藥對(duì)映體之間存在選擇性生物活性，部分對(duì)映體活性差異高達(dá)500 倍以上[5,121]，這可為手性農(nóng)藥單體的研發(fā)提供數(shù)據(jù)，但由于光學(xué)純單體制備的成本以及技術(shù)等原因，有大量手性農(nóng)藥的對(duì)映體活性差異未見報(bào)道；現(xiàn)階段關(guān)于對(duì)映體活性差異機(jī)制的研究多采用計(jì)算化學(xué)輔助的分子對(duì)接模型，并且關(guān)于手性農(nóng)藥對(duì)靶標(biāo)生物活性差異機(jī)制的研究仍然缺乏。

手性農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物的選擇性毒性問題目前越來越精細(xì)化，可利用手段越來越多，如組學(xué)分析、計(jì)算機(jī)模擬等?，F(xiàn)階段關(guān)于手性農(nóng)藥環(huán)境毒理學(xué)的研究多集中于環(huán)境模式生物，如斑馬魚、蚯蚓、大型溞、藻類等。手性農(nóng)藥對(duì)映體對(duì)人體安全性評(píng)估數(shù)據(jù)仍然不足，由于大鼠、小鼠等人體基因型相似的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物成本相對(duì)較高，試驗(yàn)周期相對(duì)較長，且試驗(yàn)所需要的手性農(nóng)藥單體的制備成本高，用量較大，因而只有少數(shù)研究進(jìn)行了手性農(nóng)藥對(duì)映體對(duì)大鼠的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[113,132,141]?，F(xiàn)階段對(duì)手性農(nóng)藥對(duì)映體食品安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定仍缺乏對(duì)映體水平的毒性數(shù)據(jù)，完善手性農(nóng)藥對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可更加精準(zhǔn)的控制手性農(nóng)藥對(duì)映體的食品安全風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)人體的毒性效應(yīng)。

謹(jǐn)以此文慶賀中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)藥學(xué)學(xué)科成立70 周年。

Dedicated to the 70th Anniversary of Pesticide Science in China Agricultural University.

作者簡介：

郭浩銘，男，博士研究生，1996年生，河南許昌人。于2021 年畢業(yè)于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系在讀博士研究生。研究方向?yàn)檗r(nóng)藥分析與環(huán)境安全。

王鵬，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，2006 年畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系?，F(xiàn)為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院院長，研究方向?yàn)檗r(nóng)藥環(huán)境行為、食品污染規(guī)律和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，關(guān)注農(nóng)藥的手性特征性，多角度深入研究農(nóng)藥的污染行為與規(guī)律，考察農(nóng)藥對(duì)人類健康的潛在影響并揭示發(fā)生機(jī)制，探索緩解農(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)的策略，保障食品安全與人類健康。博士論文獲得全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文，入選中組部“萬人計(jì)劃”青年拔尖人才、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、北京市科技新星計(jì)劃、北京市優(yōu)秀青年人才等人才計(jì)劃。