植物体内源物质对农药降解的影响分析

季彩宏

关键词：植物内生菌;氧化酶;水解酶;生物碱

农药的合成和使用能大幅度提高农作物产量，合理施用农药已成为调节农作物生长、防治植物病虫害、除杂草、实现农业机械化和获取高质量农产品的重要措施和保障。然而，农药残留污染现状不容乐观，产生的负面效应也较大，大量农药沉积在土壤中，污染水源和大气，对环境造成巨大破坏。我国的农药事业存在以下弊端：（1）有机合成物的结构和品种不合理;（2）使用方法和剂量不太恰当;（3）农药残留检测和监管不严。因此，农业生态环境质量不断下降，农产品中的有毒、有害物质残留问题日益严重，特别是蔬菜、水果中的农药残留超标问题突出。随着经济的发展，人们的生活水平不断提高，食品安全问题越来越受关注。近年来，越来越多的人研究植物体内源物质对农药的代谢作用，试图找到有效的方法解决农药在果蔬中的残留问题。

1 农药降解技术研究现状

面对日益增长的人口和不断扩大的粮食缺口，化学农药是防治病虫害的有效手段。目前，国内农产品的农药残留问题日益突出，可通过物理、化学、生物等方法降低农作物中的农药残留量。其中，物理方法主要包括超声波法、吸附法、洗涤法、辐照法，化学方法主要包括水解、氧化分解、光催化降解，生物方法主要包括微生物降解、降解酶、工程菌等。总体看来，物理和化学方法对高浓度农残的降解效果显著，经济方便，但对低浓度农残的处理效果并不显著。之后发展起来的生物降解方法，同样存在技术上没能攻克的难题，比如产品不稳定、新型降解生物难寻以及成本过高等问题。因此，专家们在不断探索效果显著、彻底、经济方便的农药降解方法。有研究者发现，加速农药在植物体内的降解是降低农药残留量的一个有效途径。近年来，人们开始研究农作物植株体内生物降解。农药在生物体内通过溶解、酶降解和细胞吞噬等作用改变农药化学结构，并在生物体代谢活動中不断排出体外，修复后的农药毒性大大降低甚至极少残留在生物体内。因此，生物降解具有环境友好、二次污染小、见效快等优点，在农作物农药残留的降解方面具有较大的潜力。

2 农药在植物体内的代谢

植物受到外源化学物质刺激时，会进化形成一套解毒机制，能转化、分解体内或残留在表面的农药等外源化学物质。近年来，对植物和除草剂的代谢与抗性关系已有大量研究，发现农药在植物中代谢解毒的主要途径是植物体内的酶促转化反应。代谢转化主要分为3个阶段。第一阶段也称Ⅰ相代谢，农药在植物体内受到水解酶、氧化酶（P450、PPO）、还原酶的作用发生水解、氧化、还原等催化反应。反应一般将农药化合物转化成水溶性更强、植物毒性更低的化合物，但一些除草剂除外，它们在植物体内代谢生成植物毒性更强的物质。第二阶段也称Ⅱ相代谢，与Ⅰ相代谢不一样的是，参与的降解酶包括丙二酰基转移酶、糖基转移酶和谷胱甘肽S-转移酶等[1]。Ⅱ相代谢物通常比底物的水溶性更强、植物毒性更低，可储存在液泡等细胞器中。第三阶段也称Ⅲ相代谢，主要是代谢物的运输转导，通过三磷酸腺苷（ATP）依赖性转运蛋白ABC从细胞液中搬运第二阶段产生的分解代谢物，运输至液泡中临时储存或再发生代谢分解;一些代谢产物被运输到植物细胞其他区域，如聚合成细胞壁组分，形成不溶性结合残留[2]。

3 植物体内源物质种类对农药降解的影响

3.1 植物内生菌降解农药的研究

植物内生菌是一定阶段或全部阶段生活在健康植物组织和器官内部的真菌或细菌，普遍存在于高等植物中，无论是单子叶植物、木本植物、双子叶植物，还是草本植物，均有内生菌，已成为生物防治中有潜力的微生物农药、增产菌，可作为潜在的生防载体菌。不能被根际细菌降解的农药可能会在植物维管束中积累，某些特定的植物内生菌在维管束中可有效降解累积的有毒化合物，削弱土壤中农药残留对植物的毒害作用。植物可通过此方法进行自我修复，对农药等污染物有一定的耐受性。内生假单胞菌能降解有机氯除草剂和2，4-D。Germaine等[3]将内生假单胞菌接种到豆科植物中，用2，4-D处理，也就是将接种的植物暴露在2，4-D环境中时，该植物组织不积累2，4-D且不受毒性影响，但是不接种的植物都积累了高浓度的2，4-D并产生中毒迹象，表现为生物量减少、根部愈伤组织发展和叶子脱落。在他们的试验中，还检测到了大量根际种群，可能是加强土壤中2，4-D降解的原因所在。Aken等[4]也分离出了来自杂和白杨树的植物共生菌株—甲基杆菌（Methylobacterium），能降解多数硝基化合物，例如TNT。在自然内生菌缺乏降解能力的情况下，专家们可构建基因工程菌，特制某种理想的菌株。Lodewyckx等[5]证实了通过基因工程构建的抗镍羽扇豆内生菌，能增加镍的积聚并与接种的植物共生。

3.2 植物体内源酶对农药降解的影响

植物体内的农药可被各种特异性酶吸收、转导、轭合、降解和排泄等，常见的降解酶有氧化还原酶系和水解酶系;植物表面的农药可随雨水冲洗进入水体和土壤。

3.2.1 植物氧化还原酶系

3.2.1.1 细胞色素P450

细胞色素P450大量存在于动物、植物、细菌和丝状真菌等生物中，属于血红素-硫醇盐蛋白的超家族，不仅能催化一些具有重要生理功能的内源性物质，如激素、脂肪酸、萜类化合物等的合成代谢，还参与催化氧化药物、环境化合物等其他外源性物质的代谢。在细胞中，细胞色素P450主要分布在内质网和线粒体内膜上，作为一种末端加氧酶，参与生物体内的甾醇类激素合成等过程。其催化反应是激活一个氧分子，并将其中的一个分子氧插入底物，还原另一个分子氧，从而形成水分子。最早发现从菊芋和大豆中分离的CYP71A10和CYP76B1是具有除草剂代谢活性的植物细胞色素P450酶系，这两种细胞色素P450酶系均对取代脲类除草剂有氧化代谢作用[6]。自Frear等[7]在1969年首次报道多功能氧化酶在棉花幼苗微粒体中对灭草隆具有代谢降解作用以来，已经发现了多种植物细胞色素P450参与农药代谢和降解。目前已报道玉米、大豆和高粱线粒体中的P450对灭草松有降解作用[8]。Inui等[9]研究发现表达CYP2C19基因（P450酶系）的土豆通过脱甲基化作用和催化硫代氨基甲酸酯键的裂解作用代谢降解稗草畏，高粱P450酶系可催化除草剂二嗪农P=S脱硫化为P=O类似物[10]。细胞色素P450不仅有氧化作用，还对底物有专一性反应。研究发现，P450氧化功能的发挥必须与一系列相关蛋白组成的多酶复合体系共同作用。该体系是由P450、细胞色素b、黄素蛋白、NADPH-P450还原酶和磷脂等组成的多酶电子传递体系，只有该多酶复合体系共同参与体内氧化反应，才能发挥氧化功能。

3.2.1.2 过氧化物酶（POD）

过氧化物酶大多存在于细胞的过氧化物酶体中，是由微生物或植物产生的一类氧化还原酶，能催化多种反应。过氧化物酶体是比较活跃的细胞器，能降解脂肪酸等脂质，并清除不同的活性氧自由基。过氧化物酶体的动态平衡对维持细胞的氧化还原平衡至关重要，主要由ROS、过氧化物酶体蛋白酶及自噬过程调节，以铁卟啉为辅基，以过氧化氢氧化酶为电子受体催化底物，可催化过氧化氢、胺类和酚类等化合物，能降低过氧化氢、酚类和胺类的毒性[11]。

3.2.1.3 多酚氧化酶（PPO）

多酚氧化酶是一类金属结合酶，在植物体的各种器官或组织中普遍存在，如叶片、花器、块茎、分生组织和根等，一般在幼嫩部位含量高，而成熟部位含量较低。多酚氧化酶是末端氧化酶类，可将电子直接传递给分子氧。多酚氧化酶可分为三大类：酪氨酸酶、儿茶酚氧化酶和漆酶。其中，漆酶和酪氨酸酶是微生物中的多酚氧化酶，兒茶酚酶主要分布在植物中，可通过氧化、还原、脱氢及水解等方式降解农药。漆酶对氧化酚类或芳胺类等多种底物起催化氧化作用，在催化反应过程中，以氧气为电子受体，发生单电子反应，不需过氧化氢。底物被提取一个电子形成不稳定的自由基，再经水合、歧化、聚合等反应形成氧化产物。近年来，有研究者把多酚氧化酶用于土壤环境修复等相关领域。丁克强等[12]利用土壤多酚氧化酶的反应机制，研究了黑麦草对污染土壤的修复作用。漆酶对含酚废水的处理、环境中酚类毒物的降解也有相关研究，印证了多酚氧化酶对农药的降解作用。

3.2.2 植物水解酶系

水解反应是由水解酶催化的反应，是农药在植物体内降解的重要途径。含有酰胺类、氨基甲酸酯类或酯键的农药，在水解酶的催化作用下裂解成两个小分子。据报道，有机磷类农药主要通过水解反应生成毒性更低的化合物。有报道称植物的酰胺水解酶可将除草剂敌稗快速水解，使其失去杀草活性。在抗性水稻叶子中，该酶的活性比感性植株高60倍。在感性野麦体内，新燕灵很快被水解成新燕灵酸，在抗性小麦体内没有这一现象。因此，水解作用是植物体耐某些除草剂的主要机制。对于不同的化学结构和生物种类，农药水解的程度也不一样，如溴苯腈和碘苯腈上未受阻碍的氰基能在植物体内缓慢水解，生成的苯甲酸类产物对植物的毒性比亲体化合物低20倍;西维因在哺乳动物血清酯酶的作用下水解生成1-萘酚[13];氨基甲酸酯类杀虫剂可被水解生成酚、甲胺及二氧化碳等。

3.3 生物碱植物生物碱是指

植物在长时间适应生态环境的过程中，为抵抗逆境而形成的一大类碱性含氮杂环化合物，大多有复杂的环状结构，氮素多包含在环内，有显著的生物活性和光学活性。有些不含碱性而源于植物的含氮有机化合物有明显的生物活性，因此仍属于生物碱范畴。生物碱具有严格的组织和环境因子特异性，是植物的信使和生产化学物质的工厂。生物碱是植物自身防御与病虫草适应外源性刺激形成的一类次生代谢产物，具有低毒、高效、选择性高、不污染环境、对有益生物无害、害虫不容易产生抗药性等优点。

植物内源物质对农药的降解过程复杂，同一种农药在生物体内也有不同的代谢路径，所以，植物内源物质对农残降解的影响研究还有很大的空间。对不同农药在植物中代谢转化的相关基因鉴定、关键控制酶、调控机制及应用技术等均有较大的研究空间。