除草剂安全剂的开发与应用研究现状

陈仙艳，余世贤，曾东强

（广西大学农学院 南宁市 530000）

农田除草剂的发现，在很大程度上促进了农业的发展。除草剂的使用在我国已经有近一百年的历史，对我们国家的农业发展产生了深远的影响，不仅有效地保证了农作物的高产与稳定，而且减少了劳动力投入以及促进栽培技术的创新。但随着除草剂的大量以及高剂量使用，其对环境以及农作物造成的危害也愈加严重，逐渐引起了人们的重视。为解决除草剂的使用引起的农作物药害问题，人们发现了除草剂安全剂（Safener），且随着除草剂的使用得到快速发展。除草剂安全剂是一类重要的药剂，保护农作物免受除草剂的药害，它对于除草剂的安全应用起着重要作用。

1 除草剂安全剂的发现及研究历史

1.1 除草剂安全剂的发现

除草剂安全剂最初是由霍夫曼（Hoffman）在1947年意外地发现的。Hoffman在实验中发现，用2,4-二氯苯氧乙酸药剂处理西红柿后，即使后期西红柿用2,4-二氯苯氧乙酸药剂处理，也再不会产生药害现象[1]。为探究出现这种现象的原因，Hoffman用燕麦灵（Barban）处理小麦后，用2,4-二氯苯氧乙酸对小麦进行茎叶喷施，观察到小麦并没有受到燕麦灵的药害；但在后面的实验中，将处理材料由小麦换成种子，给予同样的处理后，却发现小麦会遭到除草剂的药害，而且叶面喷施处理方式不利于小麦田杂草的清除，因而Hoffman认为以上出现的现象是不能够被开发利用的。但Hoffman仍坚信出现这种现象肯定存在着某种机理，于是在经过多年的研究后，成功研制出世界上第一个安全剂——1，8-萘二甲酸酐（1，8-Naphthalic–anhydride；NA），主要用来保护玉米、高粱等农作物，防止灭草喹、硫代氨基甲酸酯类以及氯代乙酰胺类除草剂对作物产生的毒性[2]。

1.2 除草剂安全剂的发展历程

安全剂NA在1972年被Gulfoil公司开发进入市场而被广泛应用。NA既能作为种子处理剂，又可以用于土壤处理，减轻不同种类的除草剂对农作物产生的药害[3]。在之后的15 a里，部分安全剂不断被开发进入市场，比较具有代表性的是由美国史托福石化公司开发的二氯丙烯胺（Dichlormid，R-25788），能够保护玉米、高粱等农作物不被丙草丹（EPTC）、乙草胺等药剂危害。自1，8-萘二甲酸酐和二氯丙烯胺被人们发现之后，很多化学公司发现了安全剂的商业前景并对其进行探索研究。早期安全剂的活性主要集中于谷类作物上，例如水稻、玉米、高粱和其他作物，其作用机制范围较窄，例如氯乙酰苯胺和硫代氨基甲酸酯类除草剂仅在发芽前使用才有效[4]。目前，随着除草剂在出芽后处理中的应用不断发展，用于治疗越冬后出芽谷物的安全剂正在逐渐商业化[5]。

1.3 除草剂安全剂的开发应用现状

随着除草剂的大规模使用，其引起的植物毒性问题也变得更加严重。除草剂安全剂的研究逐渐引起人们的关注，新的一些安全剂也被陆续开发出来。目前除草剂安全剂的开发研究及应用现状如表1所示，主要列出了目前几大类除草剂安全剂的主要代表商品、适用的除草剂及可作用的农作物。

表1 除草剂安全剂的开发研究及应用概况［6-7］

2 除草剂安全剂种类及作用机制

2.1 除草剂安全剂的类型

按照化合物以及作用方式进行分类，除草剂安全剂常见的类型包括2种：（1）按化合物分类：二氯乙酰胺类、磺酰脲类、肟醚类、三嗪类、三唑类、萘酸酐、羧酸衍生物、杂环类等；（2）按作用方式分类：分解型、补偿型、混合型以及拮抗型。

图1 常见的几种除草剂安全剂结构

2.2 除草剂安全剂的作用机制

除草剂-植物-安全剂三者之间的相互作用极其复杂，目前对于除草剂安全剂的作用机制仍没有明确的定论。但人们有提出几种普遍认可的假说[8]：①结构相似的安全剂与除草剂通过竞争受体及结合位点，减少除草剂对作物造成的药害（结构活性理论）[9]；②安全剂通过阻碍农作物中除草剂的吸收和转运，提高农作物的安全性[10]；③安全剂通过诱导作物体内谷胱甘肽-S-转移酶（GSTs）、细胞色素P450（P450s）、糖基转移酶（UGTs）等代谢酶的活性，提高除草剂的代谢速率；④促进除草剂在农作物中的降解[11]。关于除草剂安全剂的假说主要包括以上4种，目前对于除草剂安全剂的作用理论主要包括有结构活性理论、谷胱甘肽轭合理论以及由细胞色素P450催化的羟基化理论[12]。

（1）结构活性理论（QSAR）

Stephenson等[13]为验证以上猜想，通过测量大量的酰胺类衍生物对除草剂丙草丹（EPTC）的解毒作用后，提出了类似结构活性理论。他们观察到与除草剂EPTC结构相似的化合物，例如N，N-二取代基的2，2-二氯乙酰胺，酰胺类的衍生物对于EPTC能够表现出很高的活性，而且二氯的酰胺类衍生物要远大于一氯以及三氯的安全活性。但当酰胺类衍生物化学结构中的-NR1烃基R1或RCO-烃基R被另一些结构相差很大的基团所取代时，安全活性发生很大的变化，有可能会迅速下降。大量的研究表明，除草剂安全剂的安全活性与自身的化学结构联系密切，只有安全剂与除草剂的结构相差不大时，其安全活性才会更高[14]。另外，Yenne等[15]通过运用计算机辅助分子模型设计（CAMM）发现，在除草剂安全剂的解毒现象中，其分子结构的特征官能团起到非常重要的作用，如果这些分子结构发生某些变化的话，将有可能会直接影响到安全剂的解毒活性，甚至有可能会丧失。Yenne等人的发现，在很大程度上支持了Stephenson的类似结构活性理论。

图2 结构活性理论（QSAR）机制注释图

（2）谷胱甘肽轭合理论

谷胱甘肽-S-转移酶（GSTs）以及谷胱甘肽（GSH）是除草剂安全剂发挥解毒效应过程中不可缺少的物质[16-17]。Shimabukuro等[18]在1970年首次发现除草剂莠去津与谷胱甘肽之间能发生轭合作用，即在GSTs的催化作用下，莠去津能与谷胱甘肽轭合，从而生成无毒性的化合物。随后lay和kasida[19]研究了硫代氨基甲酸酯类除草剂和二氯乙酰胺解毒剂的作用机理，在前人的基础上做了大量的实验研究，提出了谷胱甘肽轭合机理的理论。如图3所示，表明硫代氨基甲酸酯类除草剂在作物体内，首先会生成有毒性的亚砜代谢产物，安全剂通过提高GSTs的活性以及增加GSH的含量，加速作物体内亚砜代谢产物与GSH发生轭合，从而将有毒性的代谢产物转化为无毒性或者低毒的化合物[20]。Ekler等[21]研究也发现，安全剂BAS-145138、苯叉酰胺、Dichlormid、MG-191以及解草烯能够加快除草剂乙草胺在玉米体内的降解，主要原因是安全剂作用于玉米体内后GSTs的活性得到了提高。近年来，毕红梅等[22]采用室内生物测定法，发现安全剂ND2144在保护玉米免受除草剂乙草胺的药害时，可以使GSH含量达到对照的108.1%，ALS活性达到对照的142.9%。上述研究表明，安全剂可以通过增加GSH的含量以及提高GSTs的活性，从而缓解作物体内除草剂造成的药害。

图3 谷胱甘肽轭合机制论注释图[23-26]

（3）植物细胞色素P450催化的羟基化理论

在植物体内，微粒体P450单氧酶广泛存在，是作物体内除草剂代谢功能最广泛的一类酶，能催化各种氧化反应[27]。经研究发现，除草剂安全剂可以诱导植物细胞色素P450的活性，如安全剂NA通过诱导P450的活性发挥解毒效应。Robert等[28]在研究安全剂烯丙酰草胺在保护玉米不被除草剂EPTC药害时，发现玉米体内除草剂代谢过程中包含有氧化和磺化作用，从而首次提出了安全剂解毒效应中存在氧化反应。其他研究者在比较了除草剂及其代谢产物后，也得到了类似的结论。例如，除草剂氟嘧磺隆在细胞色素P450的诱导下，在玉米中能产生羟基化反应[29]；Cole和Thalacke等[30-31]经研究表明，P450s可促进作物体内磺酰脲类除草剂和醚苯磺隆发生羟基化反应。上述研究结果表明细胞色素P450的活性能被除草剂安全剂所诱导，P450s对于农作物体内除草剂的代谢具有重要作用。

除了以上涉及到的GSH、GSTs、P450s等物质之外，在安全剂缓解作物体内除草剂药害的过程中，乙酰乙酸合成酶（ALS）、糖基转移酶（UGTs）、ABC转运体、谷胱甘肽转运体、液泡酶等物质也起着非常重要的作用。除草剂安全剂的解毒效果是多种物质结合起来发挥作用的，其作用机制尤其复杂，并非只限于某一物质。目前，对于除草剂-植物-安全剂三者之间的相互关系，研究者们已经做了大量的研究，但具体的作用机制还不明确，仍需要进一步探究阐明。

3 除草剂安全剂的发展前景

在除草剂大量以及高剂量使用的今天，其带来的环境问题不容小觑，尤其是除草剂的长期使用对农作物以及环境产生的影响，有可能会直接威胁到社会的发展[32-34]。现阶段，针对除草剂安全剂作用机理研究中的不足，笔者认为应从以下几个方面展开研究：1）利用分子生物学手段，鉴定出细胞色素P450基因的功能，明确P450基因所调控的分子机制；2）运用基因转录学、蛋白质组学等分子技术，确定除草剂安全剂保护农作物过程中所涉及的物质及相关酶系；3）结合生理生化研究除草剂和安全剂对作物的影响[35]。最后，笔者认为除草剂安全剂商业化制剂的研究应向新型、高效、低毒、残留期短的方向发展，在保证除草剂靶标活性的前提下，研制出有效保护农作物安全的制剂。