酰胺类除草剂安全剂作用机理及研究应用进展

李瑾　刘秀　金晨钟　陈靖宇　黄维　荣蓉　唐彩红　谢鹏

摘要 综述了酰胺类除草剂发展概况及应用存在的问题、酰胺类除草剂安全剂及其作用机理、酰胺类除草剂安全剂的应用现状及存在的问题。并对酰胺类除草剂安全剂的应用前景进行展望，认为酰胺类除草剂安全剂的研发前景广阔，但目前除草剂安全剂的作用机制迫切需要从生理学与生物化学角度并结合分子生物学技术进一步研究。

关键词 酰胺类除草剂；除草剂安全剂；谷胱甘肽轭合作用；结构活性理论（QSAR）；植物细胞色素P450催化代谢理论

中图分类号 S451.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）21-0107-03

随着化学除草剂的大量使用，尤其是酰胺类除草剂的应用，促进了农田化学除草技术的革新，同时其对施药作物的药害问题也日益突出。酰胺类除草剂作为目前世界上广泛使用的除草剂，如何安全高效地解决这类除草剂对施药作物的药害成为关键。安全剂的研究与应用对于减轻或解决除草剂对作物生长产生的负作用具有重要的意义。为此，现将酰胺类除草剂安全剂作用机理及研究应用进展情况介绍如下。

1 酰胺类除草剂的应用现状

酰胺类除草剂的除草机理：在杂草植株体内合成多种抑制剂，如细胞分裂或细胞生长抑制剂、脂类抑制剂等，抑制剂主要是抑制植物脂肪与脂肪酸的有机合成，包括抑制油酸与软脂酸的合成，以及抑制发芽种子里的蛋白酶与α-淀粉酶的生物活性，从而抑制杂草根与幼芽的正常生长，或抑制生物的光合作用与电子传递链，或干扰植物体正常合成蛋白质生物，破坏植物生物膜的完整性，从而实现抑制杂草的生长。

截至2015年底，酰胺类除草剂已商品化的品种有53个，氯代乙酰胺类占据主导地位，其中有6种氯代乙酰胺类除草剂得到市场广泛认同，如甲草胺（Alachlor）、乙草胺（Acetochlor）、丙草胺（Pretilachlor） 、异丙草胺（Propisochlor）、异丙甲草胺（Metolachlor）、丁草胺（Butachlor）等。全球销售量最大的酰胺类除草剂品种有3种，分别是乙草胺（Aceto-chlor）、丁草胺（Butachlor）、甲草胺（Alachlor），占該类除草剂总产量的96%。这3种酰胺类除草剂适用于多种作物，如玉米、花生、大豆、棉花等，具有高效、高选择性的特点，主要用于防除一年生禾本科杂草与部分阔叶杂草。

2 酰胺类除草剂应用存在的问题

虽然使用酰胺类除草剂可以带来很大的经济利益，但同时也会引发了一系列的问题。包括：大量使用酰胺类除草剂而产生的环境问题；盲目使用酰胺类除草剂而表现出来的药害问题；长期使用酰胺类除草剂所产生的抗性明显提高的问题等[1]。其中某些酰胺类除草剂品种在水田中的活性特别高，因此发生药害事故的几率就比较高，即便是在旱田使用，如果措施不当、技术不到位也会造成药害[2]。并且，酰胺类除草剂在除草的同时对作物也存在着隐性药害[3]。

3 酰胺类除草剂安全剂的发现与作用机理

3.1 除草剂安全剂概述

除草剂安全剂是一种具有独特性能的化学物质[4]，又称解毒剂或保护剂。其不仅不会影响除草剂对靶标杂草的活性，而且可以有选择地保护作物免受除草剂的药害[5]。1947年Hoffman最早发现这一现象，当时他偶然发现番茄经2，4，5-涕处理后，再接触除草剂2，4-D的液雾后没有发生药害现象[6]。为此，进一步研究发现，小麦经过2，4-D叶面处理后，再使用燕麦灵（barban）也不会发生药害。但是，由于用2，4-D处理种子的方式对小麦仍有药害，而采用叶面喷洒的处理方式则会降低其对靶标杂草的活性，因此这种拮抗机制不能被开发利用。此后，Hoffman进行反复研究，终于在1962年首次提出了安全剂的概念，同时还建立了检测化合物是否具有安全剂活性的筛选程序。几年后，他再次提出了第1个安全剂——萘二甲酸酐（NA），并以商品名“Protect”进入市场，这款安全剂可以保护玉米免受硫代氨基甲酸酯除草剂的药害。安全剂的开发研究对除草剂的广泛应用意义重大，因为安全剂的研究开发与应用拓宽了某些除草剂的应用领域，使一些高性能的化学除草剂的应用范围更加广泛[7-8]。

3.2 除草剂安全剂的作用机理

除草剂安全剂能在对除草剂去除杂草生物活性功能或防除杂草的效果不产生影响的前提下有选择地保护作物，并且可以减轻甚至避免除草剂对施药作物产生的隐性药害。因此，在化学领域，世界各地都在深入探究除草剂安全剂对施药作物的影响机制，并且大规模研究除草剂安全剂的不同分离、纯化、有机合成技术等。截至目前，酰胺类除草剂安全剂对施药作物的作用机理以及新型除草剂安全剂的开发应用已成为主要研究对象。而除草剂安全剂对除草剂在作物中的降解速率、除草剂作用靶标位点、施药作物吸收和传导除草剂的影响，安全剂的活化对谷胱甘肽巯基转移酶（GST）或其他生物代谢酶活性进行诱导，以及上述除草剂的综合作用对植物发挥保护效应[9]等是除草剂安全剂的主要研究方向。目前有关除草剂安全剂被广泛接受的机理解释有结构活性（QSAR）机理论[10]、谷胱甘肽轭合作用机理论[11]及植物细胞色素P450催化代谢理论[12]。

3.2.1 结构活性（QSAR）机理论。为测定酰胺类衍生物对丙草丹的解毒效果，Stephenson等在非土壤体系中做了大量试验，最终得出了合理解释这一现象的理论，即结构活性机理论（QSAR）。该理论认为安全剂的结构与活性呈现高度相关，而且其结构还与除草剂结构类似的物质具有良好的解毒效应。例如，N，N-二取代基-2，2-二氯乙酰胺及衍生物，作为玉米避免受酰胺类除草剂药害的有效安全剂，其与硫代氨基甲酸酯除草剂结构类似。少数酰胺类除草剂及其安全剂在植物的胚芽鞘上具有相同的吸收位点，因此认为安全剂之所以发挥解毒作用，有可能是因为安全剂通过与除草剂竞争吸收位点，从而阻止除草剂在位点上吸收或传导。这一研究结果与国外Ezra等研究者的研究结果一致。但是，也有研究者对此不认同，他们的研究结果表明，安全剂的种类不同，其对除草剂在植物位点上的吸收和传导存在减少、增加、不变等3种不同情况。如Bunting等利用碳示踪技术[13]对除草剂吸收和传导的影响因素的研究结果表明，双苯嗯唑酸醚与除草剂的吸收和传导没有直接关系。近期又有研究结果进一步验证了结构活性机理论，即苯基磺酰脲类[14]能够保护作物免受磺酰脲类除草剂的伤害。

3.2.2 谷胱甘肽轭合作用机理论。轭合是经非酶催化而发生的亲核取代历程，而且该历程是在谷胱甘肽硫醇盐的影响下发生的。谷胱甘肽轭合反应[15]是哺乳动物合成硫醚氨酸的第一步骤，Glu-Cys（SH）-Gly与RX发生反应，最后生成Glu-Cys（SR）-Glv。由于CAMM研究和QSAR机理论对于解毒菌达灭（EPTC）与对1，8-萘二甲酸酐（NA）这2种典型解毒机能的现状都不能做出完全合理的解释，因此Casida和Lay大胆提出了谷胱甘肽轭合作用机理论。这一理论认为：硫代氨基甲酸酯除草剂首先在植物体内转变为具有强毒性的亚砜，安全剂发挥作用则是依靠增加一系列还原性谷胱甘肽（GSH）含量及提高谷胱甘肽-S-转移酶（GST）的活性；同时还推断出，轭合和解毒EPTC的代谢物-EPTC亚砜必须要发生这些变化，否则玉米就会因为这种代谢物而发生药害[16]。欧晓明等指出，解毒菌达灭亚砜和轭合需要发生以下反应，即植物体内催化谷胱甘肽与亲电化合物发生核取代有机反应产生谷胱甘肽转移酶（GSTs）胞液酶。目前，植物体内最重要的代谢解毒酶系就是GSTs和还原型谷胱甘肽（GSH），安全剂发挥解毒的效果就是通过提高还原型GSH的浓度及GSTs等酶的活性而实现的。Ezra和Stephenson则通过研究指出，化合物氯乙酰胺类与EPTC结构相似，其解毒机理主要是提高化合物自身代谢及EPTC代谢所需要的底物或酶的活性。虽然Dichlormid与CDAA是类似物，但CDAA作为EPTC的安全剂，可以将玉米体内的GSH水平和GST活性提高后再与谷胱甘肽轭合[17]，发挥很好的解毒效应；而Dichlormid在玉米体内不与GSH进行轭合。叶 非等[18-19]研究发现，玉米经过R-28725处理后，其体内GSH浓度会提高，接着GSH发生轭合作用，提高玉米的代谢速率，降低除草剂对玉米的影响，从而实现玉米免受唑乙烟酸和氯嘧磺隆的药害。Ekle等不仅研究了MG-191、二氯丙烯胺、解草烯、BAS-145138和AD-67等除草剂安全剂对乙草胺在玉米等作物中的代谢影响，还研究了这些除草剂安全剂对玉米中GST浓度与活性的影响。结果表明，这些安全剂可提高玉米中GST的含量，还能诱导GST同功酶的合成，提高GST及其同功酶在玉米幼苗中的活性，从而提高玉米代谢速率，进一步加速对酰胺以及EPTC等的解毒效率。同时，这些安全剂可提高GSH的浓度，使其浓度增加30%～80%，从而 大幅提高GST活性。在玉米幼苗期间，安全剂的浓度与GSH的含量及GST的活性呈线性相关关系，且达到显著水平。此外，有几种磺酰脲和咪唑啉酮类除草剂在被安全剂处理而产生拮抗活性后，就可以与葡萄糖进行轭合。有研究表明，安全剂BAS-145138[20-21]可以强化玉米体内羟基化氯嘧磺隆的葡糖基化作用。Kreuz等研究表明，安全劑解草酯能增强小麦体内芳氧基苯氧基丙酸酯类除草剂的葡糖基化作用，且作用比较显著。但是，安全剂在这些反应过程发生的作用仍不明确，有待进一步研究。

3.2.3 植物细胞色素P450催化代谢理论。植物中最大的酶蛋白家族就属细胞色素P450，其承担着各种重要的生理功能，且与动物细胞色素P450酶系相比，其在选择性方面更高效，在专一性方面更优，在转化代谢除草剂方面潜能更大。有关研究证明，细胞色素P450能催化3种反应，包括催化除草剂分子发生烷基或芳基的羟基化反应、除草剂分子的羟基化及去烷基化与O或N原子上的脱烷基化反应，进而产生无毒害代谢物。要想加快这些反应的进程，可以提高细胞色素P450的活性。氟嘧磺隆在玉米微粒中由细胞色素P450单氧酶系统诱导羟基化反应，因此细胞色素P450对磺酰脲类除草剂代谢作用中的氧化反应也会产生影响。单氧酶抑制剂氨基苯噻唑不仅可以提高除草剂的活性，而且能够阻止磺酰脲类除草剂异丙隆和绿麦隆在小麦叶片中的代谢，解草腈尤其是BAS-145138、二氯丙烯胺、解甲胺腈和NA，是禾谷类作物除草剂甲磺隆与氯磺隆的安全剂，能有效防护玉米受到磺酰脲类除草剂的药害[22]。

4 酰胺类除草剂安全剂的研究与应用

近年来，国内在除草剂安全剂领域也具有较好的研究成果。张荣全[23]研究表明，在施药作物上施用安全剂R-28725和AD-67，不仅能够显著增强施药后作物的抗除草剂药害能力，而且可以大幅度提高施药作物的某些酶活性，从而提高植物代谢分解除草剂的速率。李邵锋[24]成功合成了2种安全剂，即苯叉酰胺（AD-67）与R-9148，同时还发现这2种安全剂在过量施药后的玉米上应用，可以有效避免玉米发生药害。毕洪梅等[25]研究发现，当采用不同浓度的除草剂解毒剂ND2144对玉米种子进行浸种处理后，玉米均在一定程度上表现出对残留的乙草胺药害的抗性现象，说明除草剂解毒剂ND2144可以减轻或缓减乙草胺残留对玉米等作物产生的药害。高家东等[26] 以解草啶、 AD-67、解草酮、二氯丙烯胺等4种除草剂安全剂为研究对象，通过培养皿滤纸法，以菜心的胚根长为测试指标，研究4种除草剂安全剂对异丙甲草胺的解毒作用。结果表明，当异丙甲草胺浓度分别为1.5 μg/mL和2.0 μg/mL时，4种安全剂对菜心的解毒效果不明显，菜心胚根生长受到伤害。当异丙甲草胺浓度为0.15 μg/mL时，4种安全剂在一定浓度范围内均表现为对异丙甲草胺具有解毒作用；其中AD-67不同浓度处理均对菜心有较好的解毒作用，在异丙甲草胺浓度为0.15 μg/mL的条件下，其浓度在0.5、1.0、2.0 μg/mL时的解毒效果分别为26.60%、37.14%、33.90%；解草啶、解草酮和二氯丙烯胺三者效果相当，均为浓度0.5 μg/mL时对菜心具有解毒作用，浓度升高，解毒效果下降。吴仁海等[27]以精异丙甲草胺的安全剂为研究对象，以高粱为试验作物，采用室内生物测定法进行研究。结果表明，解草酮不仅能够提高高粱对精异丙甲草胺的耐药性，而且可以有效降低精异丙甲草胺对高粱的药害；解草啶虽然在高粱上使用具有安全性，但对缓解精异丙甲草胺对高粱的药害发挥不了作用；二氯丙烯胺、AD-67处理高粱种子后，会不同程度地抑制高粱生长，因此不宜在高粱上作为除草剂安全剂使用。在天然产物除草剂安全剂研究方面，柏连阳为保护水稻免受乙草胺、异丙甲草胺等酰胺类水田除草剂的伤害，研制出一种以羌活、川芎和细辛的提取物构成的安全剂，不仅可以明显减轻乙草胺、异丙甲草胺等酰胺类水田除草剂对水稻的伤害，而且具有使用方便、不污染生态环境的优点[28]。赵 建等[29]报道了花椒粗提物对异丙甲草胺在水田中的除草效果及对水稻安全性的影响，花椒粗提物对异丙甲草胺的除草效果无影响，但能减缓异丙甲草胺对水稻的影响，可作为异丙甲草胺水田应用的安全剂。

Baldwin等[30]研究表明，二氯丙烯胺能有效地对抗克草敌（Pebulate）的抑制作用，从而促进类脂生物的合成。Rowe研究表明，在杂交玉米种子上使用异丙甲草胺处理容易发生药害，但当异丙甲草胺与CGA-154281同时在杂交玉米种子上使用时，即便异丙甲草胺浓度达到7.8 kg/hm2，最敏感的杂交玉米种子也没有发生药害现象。还有很多学者研究了安全剂对细胞色素P450的影响，但研究结果不尽相同。例如，Stephenson等对酰胺类安全剂的解毒效应的研究较多。有研究者认为玉米被NA和解草酮预处理后，玉米苗内细胞色素P450含量会呈现明显增加的趋势；而Fonne等 的研究结果却相反，认为NA对细胞色素P450总量的影响不明显[31]。Ekle等以MG-191、二氯丙烯胺、解草烯、BAS-145138和AD-67等除草剂安全剂为研究对象，研究了这些除草剂安全剂对乙草胺代谢在玉米等作物中的影响，其研究结果与我国学者的研究结果基本一致。目前，国内外学者越来越重视酰胺类除草剂安全剂的研究工作，越来越多的安全剂被开发和应用出来，而且其中大部分安全剂的应用范围比较广，可同时用于酰胺类除草剂和其他种类的除草剂。

5 酰胺类除草剂安全剂的应用前景展望

酰胺类除草剂安全劑在作物上的应用，不仅提高了作物对除草剂的耐受性，而且有效保护作物免受除草剂的危害，更重要的是对除草剂的使用和研发都产生重大影响，比如延长除草剂的使用年限、扩大除草剂的应用范围、节省开发新除草剂的巨额费用等。目前，还需要深入研究了解安全剂的解毒机理和安全剂的生理生化机制，这些问题的解决会促进新型高效除草剂的开发，有助于人们了解杂草对除草剂产生的抗性机制与除草剂的选择性机制，为新型除草剂分子的设计提供指导。因此，酰胺类除草剂安全剂的研发将为该类除草剂的应用打开更广阔的市场。

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