除草劑安全劑的開發與應用研究現狀

陳仙艷，余世賢，曾東強

（廣西大學農學院 南寧市 530000）

農田除草劑的發現，在很大程度上促進了農業的發展。除草劑的使用在我國已經有近一百年的歷史，對我們國家的農業發展產生了深遠的影響，不僅有效地保證了農作物的高產與穩定，而且減少了勞動力投入以及促進栽培技術的創新。但隨著除草劑的大量以及高劑量使用，其對環境以及農作物造成的危害也愈加嚴重，逐漸引起了人們的重視。為解決除草劑的使用引起的農作物藥害問題，人們發現了除草劑安全劑（Safener），且隨著除草劑的使用得到快速發展。除草劑安全劑是一類重要的藥劑，保護農作物免受除草劑的藥害，它對于除草劑的安全應用起著重要作用。

1 除草劑安全劑的發現及研究歷史

1.1 除草劑安全劑的發現

除草劑安全劑最初是由霍夫曼（Hoffman）在1947年意外地發現的。Hoffman在實驗中發現，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，也再不會產生藥害現象[1]。為探究出現這種現象的原因，Hoffman用燕麥靈（Barban）處理小麥后，用2,4-二氯苯氧乙酸對小麥進行莖葉噴施，觀察到小麥并沒有受到燕麥靈的藥害；但在后面的實驗中，將處理材料由小麥換成種子，給予同樣的處理后，卻發現小麥會遭到除草劑的藥害，而且葉面噴施處理方式不利于小麥田雜草的清除，因而Hoffman認為以上出現的現象是不能夠被開發利用的。但Hoffman仍堅信出現這種現象肯定存在著某種機理，于是在經過多年的研究后，成功研制出世界上第一個安全劑——1，8-萘二甲酸酐（1，8-Naphthalic–anhydride；NA），主要用來保護玉米、高粱等農作物，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作物產生的毒性[2]。

1.2 除草劑安全劑的發展歷程

安全劑NA在1972年被Gulfoil公司開發進入市場而被廣泛應用。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農作物產生的藥害[3]。在之后的15 a里，部分安全劑不斷被開發進入市場，比較具有代表性的是由美國史托福石化公司開發的二氯丙烯胺（Dichlormid，R-25788），能夠保護玉米、高粱等農作物不被丙草丹（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現之后，很多化學公司發現了安全劑的商業前景并對其進行探索研究。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芽前使用才有效[4]。目前，隨著除草劑在出芽后處理中的應用不斷發展，用于治療越冬后出芽谷物的安全劑正在逐漸商業化[5]。

1.3 除草劑安全劑的開發應用現狀

隨著除草劑的大規模使用，其引起的植物毒性問題也變得更加嚴重。除草劑安全劑的研究逐漸引起人們的關注，新的一些安全劑也被陸續開發出來。目前除草劑安全劑的開發研究及應用現狀如表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作物。

表1 除草劑安全劑的開發研究及應用概況［6-7］

2 除草劑安全劑種類及作用機制

2.1 除草劑安全劑的類型

按照化合物以及作用方式進行分類，除草劑安全劑常見的類型包括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、雜環類等；（2）按作用方式分類：分解型、補償型、混合型以及拮抗型。

圖1 常見的幾種除草劑安全劑結構

2.2 除草劑安全劑的作用機制

除草劑-植物-安全劑三者之間的相互作用極其復雜，目前對于除草劑安全劑的作用機制仍沒有明確的定論。但人們有提出幾種普遍認可的假說[8]：①結構相似的安全劑與除草劑通過競爭受體及結合位點，減少除草劑對作物造成的藥害（結構活性理論）[9]；②安全劑通過阻礙農作物中除草劑的吸收和轉運，提高農作物的安全性[10]；③安全劑通過誘導作物體內谷胱甘肽-S-轉移酶（GSTs）、細胞色素P450（P450s）、糖基轉移酶（UGTs）等代謝酶的活性，提高除草劑的代謝速率；④促進除草劑在農作物中的降解[11]。關于除草劑安全劑的假說主要包括以上4種，目前對于除草劑安全劑的作用理論主要包括有結構活性理論、谷胱甘肽軛合理論以及由細胞色素P450催化的羥基化理論[12]。

（1）結構活性理論（QSAR）

Stephenson等[13]為驗證以上猜想，通過測量大量的酰胺類衍生物對除草劑丙草丹（EPTC）的解毒作用后，提出了類似結構活性理論。他們觀察到與除草劑EPTC結構相似的化合物，例如N，N-二取代基的2，2-二氯乙酰胺，酰胺類的衍生物對于EPTC能夠表現出很高的活性，而且二氯的酰胺類衍生物要遠大于一氯以及三氯的安全活性。但當酰胺類衍生物化學結構中的-NR1烴基R1或RCO-烴基R被另一些結構相差很大的基團所取代時，安全活性發生很大的變化，有可能會迅速下降。大量的研究表明，除草劑安全劑的安全活性與自身的化學結構聯系密切，只有安全劑與除草劑的結構相差不大時，其安全活性才會更高[14]。另外，Yenne等[15]通過運用計算機輔助分子模型設計（CAMM）發現，在除草劑安全劑的解毒現象中，其分子結構的特征官能團起到非常重要的作用，如果這些分子結構發生某些變化的話，將有可能會直接影響到安全劑的解毒活性，甚至有可能會喪失。Yenne等人的發現，在很大程度上支持了Stephenson的類似結構活性理論。

圖2 結構活性理論（QSAR）機制注釋圖

（2）谷胱甘肽軛合理論

谷胱甘肽-S-轉移酶（GSTs）以及谷胱甘肽（GSH）是除草劑安全劑發揮解毒效應過程中不可缺少的物質[16-17]。Shimabukuro等[18]在1970年首次發現除草劑莠去津與谷胱甘肽之間能發生軛合作用，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理，在前人的基礎上做了大量的實驗研究，提出了谷胱甘肽軛合機理的理論。如圖3所示，表明硫代氨基甲酸酯類除草劑在作物體內，首先會生成有毒性的亞砜代謝產物，安全劑通過提高GSTs的活性以及增加GSH的含量，加速作物體內亞砜代謝產物與GSH發生軛合，從而將有毒性的代謝產物轉化為無毒性或者低毒的化合物[20]。Ekler等[21]研究也發現，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的降解，主要原因是安全劑作用于玉米體內后GSTs的活性得到了提高。近年來，畢紅梅等[22]采用室內生物測定法，發現安全劑ND2144在保護玉米免受除草劑乙草胺的藥害時，可以使GSH含量達到對照的108.1%，ALS活性達到對照的142.9%。上述研究表明，安全劑可以通過增加GSH的含量以及提高GSTs的活性，從而緩解作物體內除草劑造成的藥害。

圖3 谷胱甘肽軛合機制論注釋圖[23-26]

（3）植物細胞色素P450催化的羥基化理論

在植物體內，微粒體P450單氧酶廣泛存在，是作物體內除草劑代謝功能最廣泛的一類酶，能催化各種氧化反應[27]。經研究發現，除草劑安全劑可以誘導植物細胞色素P450的活性，如安全劑NA通過誘導P450的活性發揮解毒效應。Robert等[28]在研究安全劑烯丙酰草胺在保護玉米不被除草劑EPTC藥害時，發現玉米體內除草劑代謝過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中存在氧化反應。其他研究者在比較了除草劑及其代謝產物后，也得到了類似的結論。例如，除草劑氟嘧磺隆在細胞色素P450的誘導下，在玉米中能產生羥基化反應[29]；Cole和Thalacke等[30-31]經研究表明，P450s可促進作物體內磺酰脲類除草劑和醚苯磺隆發生羥基化反應。上述研究結果表明細胞色素P450的活性能被除草劑安全劑所誘導，P450s對于農作物體內除草劑的代謝具有重要作用。

除了以上涉及到的GSH、GSTs、P450s等物質之外，在安全劑緩解作物體內除草劑藥害的過程中，乙酰乙酸合成酶（ALS）、糖基轉移酶（UGTs）、ABC轉運體、谷胱甘肽轉運體、液泡酶等物質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結合起來發揮作用的，其作用機制尤其復雜，并非只限于某一物質。目前，對于除草劑-植物-安全劑三者之間的相互關系，研究者們已經做了大量的研究，但具體的作用機制還不明確，仍需要進一步探究闡明。

3 除草劑安全劑的發展前景

在除草劑大量以及高劑量使用的今天，其帶來的環境問題不容小覷，尤其是除草劑的長期使用對農作物以及環境產生的影響，有可能會直接威脅到社會的發展[32-34]。現階段，針對除草劑安全劑作用機理研究中的不足，筆者認為應從以下幾個方面展開研究：1）利用分子生物學手段，鑒定出細胞色素P450基因的功能，明確P450基因所調控的分子機制；2）運用基因轉錄學、蛋白質組學等分子技術，確定除草劑安全劑保護農作物過程中所涉及的物質及相關酶系；3）結合生理生化研究除草劑和安全劑對作物的影響[35]。最后，筆者認為除草劑安全劑商業化制劑的研究應向新型、高效、低毒、殘留期短的方向發展，在保證除草劑靶標活性的前提下，研制出有效保護農作物安全的制劑。