世界农药

纤维素生物合成抑制剂类除草剂研究进展张秀兰,李正名南开大学元素有机化学研究所,元素有机国家重点实验室,天津摘要在开发具有新作用机制的除草剂品种过程中,纤维素生物合成是潜在的理想靶标。此类除草剂既具有植物专一性又能有效避免田间抗性产生。概述了纤维素的生物合成以及类除草剂的研究进展,包括种类、主要品种和相应的作用机制。关键词纤维素生物合成除草剂研究进展作用机制中图分类号文献标志码文章编号一一一当前,来自生物技术与环境保护的压力与挑战,使“高效、低毒、安全”成为新型除草剂创制的主题。很多除草剂品种由于作用机制单一而导致多种杂草产生严重的抗性。全球杂草耐药机制的积累和许多杂草多重抗性的产生,迫使人们去开发具有新作用机制的除草剂品种,尤其是以酶为靶标的除草剂更是迫在眉睫,这是因为大多数除草剂都是通过对植物生长发育过程中的特殊酶的干扰或抑制而造成杂草死亡的。在开发具有新作用机制的除草剂品种过程中,纤维素生物合成是潜在的理想靶标。纤维素生物合成抑制剂类除草剂,简称。”山类除草剂,现已引起了大家的广泛注意。此类除草剂的优点是具有植物专一性',它们对哺乳动物安全且基本上无田间抗性发生。目前己开发成功的此类除草剂品种很多,如最早开发的敌草睛,、年代初开发的芽前除草剂异恶酞草胺以及拜耳公司新近开发并上市的用于防除许多一年生禾本杂草和阔叶杂草的切等。此类除草剂都是合成化合物,具有独特的作用机制。其中敌草睛、异恶酞草胺、氟胺草哇、三嗦氟草胺衍和己被国际除草剂抗性行动委员会列为类除草剂即抑制纤维素合成尹。它们结构多样,具体的作用机制也不尽相同,但都作用于植物生长细胞,可以抑制纤维素生物合成,分化细胞由于已构建了自己的关键组分而不会被抑制剂影响。这类除草剂施用后会导致新根和新叶停止生长,随之茎叶部黄化,最后杂草枯死。对此类除草剂的研究可以促进新型除草剂品种的开发,更有助于揭开生物学上植物细胞纤维素生物合成的神秘面纱。本文对纤维素生物合成及以其为靶标的除草剂的种类、主要品种和可能的作用机制进行简要介绍。纤维素生物合成纤维素是由介,一葡萄糖残基组成的不分支多糖,为植物细胞壁的主要成分。纤维素生物合成作为纤维素合成抑制剂类除草剂的作用靶标是植物细胞中最重要的生化过程,也一直是植物学研究的热点对它的主要研究结果主要是通过藻类植物获得,而高等植物纤维素的合成途径尚待继续研究。纤维素合成过程中的一个重要酶为纤维素合酶,。它是一类糖昔转移酶丘,,一般认为它催化一葡萄糖形成葡聚糖链'。关于纤维素合成模型有过多种说法,近年来人们普遍认为高等植物中纤维素的生物合成需要一个复杂的纤维素合酶复合体娜,,由于它具有对称的玫瑰花环结构而被称为玫瑰花环复合体图川。该复合体集中在纤维素聚集的部位,直径为一,是由个独立的球状蛋白复合体构成称为亚基。每个亚基由不同的至少种纤维素合酶基因蛋白组成,目前的研究结果认为主要由,,或其替代品组成`。玫瑰花环复合体中每个纤维素合酶基因蛋白可以合成条声,办葡萄糖链,这使得整个酶系复合体可以同时形成条葡萄糖链。研究表明,玫瑰花环复合体不仅具有合酶的功能,而且也可能具有将葡萄糖链运输到细胞质表面的功能。完整的玫瑰花环复合体在细胞膜上运动,是合成晶体化纤维素所必需的'。对于纤维素合成作者简介张秀兰碑一,女,在读博士。通讯作者李正名一,男,中国工程院院士。一。收稿日期一一。第期张秀兰等纤维素生物合成抑制剂类除草剂研究进展的底物问题,儿等利用棉纤维细胞膜制品建立了无细胞合成系统,成功地以二磷酸尿昔葡萄糖为底物合成了纤维素,证实了是纤维素合成的直接底物〔'〕。同时,对棉花纤维素合酶催化亚基的定位研究表明,玫瑰花环末端复合体是进行纤维素生物合成的场所。目前的研究认为纤维素的合成过程大致为蔗糖合成酶戈或”`'“可将蔗糖分解为果糖和葡萄糖,为纤维素的合成提供底物一葡萄糖与单体结合形成亚基个亚基形成纤维素合酶复合体,将葡萄糖单体聚合成为葡聚糖链,同时回收释放出的返回到蔗糖合酶中纤维素合酶复合体是在高尔基体重聚集并通过胞外分泌进入到质膜中'条葡聚糖链通过结晶化等一系列复杂的过程组成一条微纤丝,这个过程中可能涉及到与膜相关的纤维素酶的作用至少在快速扩展的细胞中【'”〕,微纤丝在细胞壁内的排列一方面受皮层微管'”一'和微管动力蛋白一的作用,另一方面有可能受细胞壁蛋白如蛋白等的影响。总之,纤维素的合成是一个复杂的生物过程,到目前为止,具体的机制还不是很清楚。对纤维素合成的研究可以指导以此为靶标的除草剂的开发,同时新除草剂的开发与作用机制的研究也将为纤维素的生物合成过程提供更多的证据和素材。度很低,除草谱广,主要用于芽前防除铁路、停车场和公园等非耕作区的一年生及多年生禾草作物,还可用于控制浮动水生杂草,有效成分用量为一,。草可乐是公司继敌草睛之后开发的除草剂,可用于芽前或芽后除草,但主要用于芽前除草。该除草剂能抑制杂草发芽的种子,可选择性控制果树作物田如梨、黑醋栗、树葛、柑橘类中的杂草发芽及防除林业、码头、草原和牧场等中的获菜和阔叶杂草等也可作为非耕作区杂草灭生药剂,有效成分用量小山。草可乐是由敌草睛与在有机碱的作用下制得,在土壤中是通过转化为敌草睛而发挥除草效果的〕。敌草睛易于吸附在固体物质上而在环境中残留的时间较长,其主要代谢产物是,一二氯苯甲酞胺】。,一二氯苯甲酞胺的水溶性好,会造成地下水污染,也因此造成敌草睛在很多国家撤销登记。

图玫瑰花环结构`〕敌草睛种类、主要品种及作用机制睛类商品化产品有敌草睛洲和草克乐。而。敌草睛是最早开发并使用的纤维素生物合成抑制剂类除草剂,为公司于年开发的,芽前或芽后除草剂。该除草剂对植物有毒害的浓敌草睛作为纤维素合成抑制剂类除草剂已经使用了很多年,有人提出它可以阻碍一种叫做谷幽醇井葡萄糖昔分子的合成这种分子可能在纤维素合成中起前驱物的作用还可以通过改变复合物的移动一或者通过微管介导效应'阻断纤维素结晶来抑制纤维素生物合成。此外对于敌草睛的作用位点还有很多不同的假说,包括影响刀葡萄糖生物世界农药第卷合成的一蛋白,认或认〔亚基以及次生细胞壁中与微管相关的蛋白〕等。苯甲酞胺类哪面商品化产品为异恶酞草胺,是陶氏公司开发的产品,于年申请专利。本品只用作芽前除草剂,主要用于禾谷类作物田中防除阔叶杂草。其在麦田苗前除草有效成分用量为小爪平,用途不同,用量也不同。以拟南芥为试验对象,分别测试了异恶酞草胺对放射性标记的葡萄糖、亮氨酸、尿啼咙、醋酸纤维进入细胞壁的酸不溶性成分、蛋白质、核酸、脂肪酸的影响,发现在级别的浓度下它能快速有效的抑制〔标记的葡萄糖进入其根细胞壁的酸不溶性成分中,从而抑制易感杂草的根伸展和分支。敌草睛亦表现出这种抑制作用,且产生这种抑制效果的浓度大约是异恶酞草胺的倍。、甸、介省`、异恶酞草胺三嫂甲酞胺类代表化合物有旧刀和商品化产品氟胺草哇,两者是公司分别于年和年申请专利的化合物,均为芽前或芽后除草剂。主要用于谷物田和稻田,用量为有效成分厄。氟胺草哇可以十分有效地作用于靶标植株迅速生长的分生组织区,对植株的根系和叶面分生组织均有活性,除草效果与土壤类型有关,通常在轻质土壤中效果优于豁重土或者有机质土。该除草剂主要用于草坪防除多年生阔叶杂草和越冬谷物田中一年生阔叶杂草,有效成分用量为小。显,「「夕一`伙厂入一`刊、一、“犷“犷氟胺草哇这种化合物原被认为是有丝分裂抑制剂,后来。任比阴和在对豆芽根系进行试验后发现这种机制是错误的。试验中的生理学数据显示,能高效地抑制〔,标记的葡萄糖进入靶标植株根细胞壁的酸不溶性成分中,这一点与敌草腊和异恶酞草胺不同。氟胺草哇可以提高棉花纤维中果胶的含量,抑制细胞的分裂。总之,两者均能够引起细胞壁结构和组成的根本性变化,表现为抑制纤维素生物合成,但确切的作用机制还不明确。氮基三嗓类代表化合物有超科、夕'以及商品化产品三嗦氟草胺了和。科是拜耳公司研发的均三嗦类除草剂,可芽前使用防除广泛的单子叶植物和双子叶植物杂草,也可以用于某些杂草的芽后除草。文献中观点认为,是通过影响玫瑰花环复合体等离子体膜的稳定性来抑制结晶纤维素的形成,进而产生除草效应的。所以它只作用于那些通过玫瑰花环复合体来合成纤维素的生物体。,巧是原诺华现先正达公司开发的化合物,年等申请了相关专利。对,巧作用机制研究发现,它主要是通过影响纤维素的结晶,导致非晶体状态葡萄糖链、蛋白以及与膜相关的纤维素酶的大量积累'一,从而抑制纤维素的合成。三嗦氟草胺是而于年申请的专利,型的三嗦氟草胺的活性高于其型的同分异构体。型异构体可优先抑制光和系统的电子传输,对藻类生长的影响类似于荞去津。三嗦氟草胺主要用于稻田苗前和苗后防除禾本科杂草和阔叶杂草,用量为有效成分。小月,可作用于多个位点阴抑制光合作用、微管形成及纤维素形成,这个特点有利于延缓抗性的形成。其中该剂对纤维素合成的抑制性只是它的一个次要效应。它主要是通过影响纤维素在次生细胞壁中的沉积而发挥除草效应。是拜耳公司于年开发的产品,可用于草地、林业、工业植被和观赏植物。该剂于年月在美国获准在草皮上使用,当时的商品名为。此外,此除草剂被登记用于梨果、石材、柑橘类水果、橄榄、坚果和葡萄等作物田,商品名为,是一种浓度为几的悬浮浓缩液。拜耳公司指出,这种除草剂可以在一个月内保持对一个较大范围内的杂草和阔叶植物的控制活性,每公顷推荐使用的活性成分含量为一,一年每公顷推荐使用的活性成分最大含量为。该除草剂可与用在幼苗长出后的除草剂如草丁麟、草钱麟共同使用。是目前为止发现的最强有力的纤维素生物合成抑制剂,可以抑制结晶纤第期张秀兰等纤维素生物合成抑制剂类除草剂研究进展维素在植物细胞壁的沉积,从而严重地影响细胞壁的形成、细胞分裂以及细胞伸长。此外它还可以抑制细胞膜生物合成。,望'弊厅内私。戈并「二“扛泞气、创尸卜`。自行丫护。一常三嘴氟草胺一唾哇琳酮类此类除草剂中的代表化合物为年公司申请专利。其被用于大豆田芽前除草,防除马唐、狗尾草、稗草以及小种子阔叶杂草等,有效成分用量一“。该剂可有效地抑制易感杂草根的生长和分支,在防除杂草的浓度下表现出很好的选择性。的作用方式与相似,能快速有效地抑制〔,标记的葡萄糖进入其根细胞壁的酸不溶性成分中,但与不同。对具有抗性的拟南芥突变体对也有交互抗性,但是对币介敏感,。是年报道的一个化合物,它主要作用于水稻杂草、稗草和属莎草科杂草,在有效成分和时都具有较好的除草活性和较高的水稻安全性。通过对该除草剂的作用机制进行研究后发现,它主要作用于生长区,抑制嫩枝和根的生长,导致根分生组织近端坏死。显微镜下可观察到经其处理的细胞,它的内质网和高尔基体膨胀,等离子体膜从细胞壁上脱落,这些结果显示其属于细胞壁生物合成类即纤维素生物合成类。此外其衍生物也具有一定的除草活性。嗯嗦草酮是内吸传导型水稻田除草剂,',主要用于水稻田的一年生禾本科杂草,高效且残效长,有效成分用量一山。该剂对水稻、其他作物以及人畜和环境生物等安全,扩散性较好,除草作业省力,可以直接甩瓶使用,且代谢分解快。嗯啧草酮主要由杂草的根部吸收,除草症状类似于敌草睛等。它可以抑制细胞壁的伸展,但是对可能的作用机制如对呼吸阻害、光合成阻害、生化合成阻害、生化合成阻害、蛋白质生化合成阻害、脂质生化合成阻害、脂肪酸合成酶阻害、酶阻害、氨基酸生化合成阻害和天冬酞氨合成酶阻害等进行研究但未得出一致性的结果。虽然被认为是纤维素合成抑制剂,但它对细胞壁主要组分的合成或者后期的变化却没有影响,因此有观点认为它可能涉及细胞壁生物合成中的独特过程,目前正在进一步研究之中。还有一些具有双重效应的药物如哇琳酸类、喀咙醇类、香豆素类、芳基内酞胺类等也显示出纤维素合成抑制性,但仅作为次要效应。在某些作用对象和特定浓度下它发挥纤维素生物合成抑制作用,在其他情况下作为生长激素类除草剂或者植物生长阻滞剂等。

、。名众氨腐日飞污尸必其他类除了以上这些公认的纤维素合成抑制剂类除草剂之外,另外一个被深入研究并商品化的产品有嗯嗦草酮。该剂由日本三菱油化株式会社于年申请了相关专利,安万特公司开发。总结与展望除草剂作用机制决定除草剂的使用技术,如用药时期、用药量、施用方法和增效剂使用等,所以探明除草剂的作用机制,对于新品种的设计、优化、复配、使用技术的完善等都具有十分重要的作用。研究清楚现有除草剂品种的作用靶标以及继续寻找新的靶标,是解决杂草抗性的关键,也是开发新型高效、低毒、无残留除草剂的关注点。以纤维素生物合成为靶标开发除草剂具有一定的优势,纵观其各类结构差异很大,很难将之归在哪一具体的结构类别。到目前为止,生物学上纤维素生物合成的具体过程还不清楚,只能通过一些生物试验来说明它们是通过抑制纤维素的合成来达到除草效果的。人们应以现有的生物学知识及己开发的除草剂品种为基础,大力加强对其作用机制的研究,以进一步指导除草剂的创制。相信未来纤维素生物合成抑制剂类除草剂的开发将以其对人类环境生态独有的特色在除草剂领域中占据有一席之地。参考文献刘远雄,邹本勤,柴宝山,等除草剂研究开发的新进展与发展趋势明农药,,一。,翻一,」