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原卟啉原氧化酶(PPO)抑制剂类除草剂作用机制及抗性进展

2019-11-29 10:12:57来源:《农药》杂志作者:李君君,戴玲玲,黄文化,毕亚玲编辑:bianji2
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杂草危害越来越严重,目前为止防除杂草最有效的办法就是施用化学除草剂,过多地使用化学除草剂会导致抗药性的产生。原卟啉原氧化酶(PPO)是创制新型除草剂品种的主要靶标之一,占市场比例相对较大。由于这种除草剂主要作用于叶绿素,对哺乳动物毒性低,因而该类除草剂具有高效、低毒、安全的作用特点,是开发新型除草剂的主要目标之一。本文在综述PPO抑制剂作用机制的基础上,介绍PPO抑制剂的抗性现状及研究进展,并提出相应的解决措施。

1 PPO抑制剂的作用机制
 
动物、植物、细菌和真菌中都含有原卟啉原氧化酶,它在分子氧的条件下,催化原卟啉原IX生成原卟啉IX,原卟啉原氧化酶是四吡咯生物合成中的最后一个普通酶,主要合成亚铁血红素和叶绿素。在植物体中,原卟啉原氧化酶存在2种同工酶,分别位于线粒体和叶绿体中。原卟啉原氧化酶抑制剂是强触杀性除草剂,主要通过抑制植物色素合成达到除草目的,在土壤的残留期短,对后茬作物无药害。该类除草剂的新品种具有选择性、高活性、低毒、在环境中不易积累等特点,其前景非常可观。
 
在早期,PPO抑制剂只有在光照条件下才能起作用,但在80年代以前,这类除草剂的作用机制不是十分明确,科学家经过多次试验才得出PPO抑制剂抑制原卟啉原氧化酶,造成产物原卟啉IX的积累,大多数实验室和科学家都肯定这个结论。抑制原卟啉原氧化酶的活性,会导致原卟啉原IX的积累,之后从叶绿体泄漏到细胞质,迅速氧化为原卟啉IX,由于原卟啉IX不能与叶绿体和线粒体中的Mg和Fe的螯合物相互作用,所以它不能在叶绿素和血红素合成途径中得到利用。在光和氧的作用下,原卟啉IX产生单线态氧,加速细胞膜的每一次氧化,最终导致致命的细胞损伤。
 
PPO抑制剂之前被称为白化除草剂,施用白化除草剂数小时之后,杂草一般会出现叶片卷曲、黄化、枯死等症状,幼苗时期受到的损伤更严重一些。该除草剂在相对湿度高时有较好的除草效果。在植物体内,分子透过蜡质层、原生质膜、质体膜之后与PPO结合,整个过程的吸收、运输、代谢差异等,没有明显选择性,导致有些除草剂不能商品化。原卟啉原氧化酶抑制剂的一般特性:1)多数除草剂品种对杂草主要以触杀为主,防除多年生杂草效果较差;2)主要防治阔叶杂草;3)用药后迅速杀死部分杂草,24 h以内叶片坏死,杂草易在4 d左右死亡;4)对作物产生药害,作物逐渐生长,恢复到正常;5)与其他除草剂混用,药效更强且杀草谱广;6)加入一些助剂如植物油助剂、有机硅助剂等可以提高除草剂的防除效果。
 
2 PPO抑制剂的主要除草剂品种
 
原卟啉原氧化酶抑制剂大多是用于旱田除草,少数用于水田除草,应用作物主要有大豆玉米小麦等众多作物。该类除草剂有二苯醚类、吡唑类、咪唑二酮类等30个品种左右。在氯酞亚胺和恶草酮的基础上研究出的新品种不断出现,该类除草剂可以用来防除已经对草甘膦和磺酰脲类除草剂产生抗性的杂草,PPO抑制剂的应用较为广泛。
 
2.1 二苯醚类除草剂
 
原卟啉原氧化酶抑制剂从除草醚活性被发现之后在市场上迅速发展起来。很多具有高活性的原卟啉原氧化酶抑制剂新品种在世界上被广泛使用,如氟磺胺草醚、乙羧氟草醚、乙氧氟草醚等是生产中常用的除草剂(见表1),它们的除草活性超过除草醚10倍以上,其单位面积用量大大减少,药效逐渐增强。在二苯醚类除草剂中,邻位及对位取代的品种具有光活化机制,目前生产中施用的品种主要是对硝基二苯醚。
 
表1 二苯醚类除草剂

 
2.2 其他PPO抑制剂类除草剂
 
在二苯醚类除草剂推广的同时,科学家也研制出其他PPO抑制剂类除草剂,先后有恶草酮、氟丙嘧草酯、苯嘧磺草胺和双唑草腈等除草剂上市。PPO抑制剂的研究开始朝着多种结构类型化合物发展。
 
日本农药公司研发的酞酰亚胺类除草剂是从杀菌剂衍生而来的,科学家不断优化其结构,开发出了更多的酞酰亚胺类除草剂。其他PPO抑制剂主要适用于谷物和水稻等作物,转基因技术还未影响到这类除草剂(见表2)。
 
原卟啉原氧化酶抑制剂品种有很多,主要发展方向如下:1)新型除草剂化学结构由单一结构向杂环化合物方向转变;2)该类除草剂的杀草谱广、用量低、药效强;3)不断提高生物活性;4)提高生物的选择性。原卟啉原氧化酶抑制剂品种能够得到更好的开发,有效地用于田间生产活动。
 
表2 其他PPO抑制类除草剂

 
3 杂草对PPO抑制剂的抗药性研究进展
 
在杂草抗性研究中,通常认为杂草抗性机理包括靶标抗性和非靶标抗性。原卟啉原氧化酶抑制剂的抗药性属于靶标抗性机理,其作用机理包括靶标位点基因的改变和靶标酶的过量表达。
 
3.1 PPO抑制剂的抗性发生现状和产生原因
 
20世纪初期,科学家从大肠杆菌和枯草杆菌中鉴定出了编码顺序不同的原卟啉原氧化酶基因hemY和hemG,第1个编码537氨基酸残基蛋白质的植物PPO基因是从拟南芥中分离出来。科学家进行PPO抑制剂抗性研究,其结果显示:一种细胞系是因为自由基捕获剂的参与所产生抗性,另外一种是因为摄入量的多少或者加快代谢产生抗性,还有一种细胞系的抗性可能是因为PPO从敏感到产生抗性的转变中发生了变化。其他试验结论是PPO超表达抵消了除草剂的药效,从而产生抗性。关于PPO抑制剂产生抗性的机理仍然没有具体的结论。

科学家在试验中将人体的PPO导入水稻基因里,此种转基因水稻通过提高过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶的生物活性,增强乙氧氟草醚的抗性。甘蔗体外建立了一种高效的筛选系统,利用突变后的原氧化酶(PO)基因作为可供选择的标记而发展,2种基因编码蛋白质从玉米和烟草中分离了线粒体或质体,以作用位点为导向的突变被用来改变这些基因的核苷酸序列,使所产生的蛋白质对二苯醚类除草剂不太敏感。Pcr分析证实了所有再生的转基因甘蔗植物都含有转基因,转基因植物在土壤中具有抗除草剂的能力。由于长期且单一使用PPO抑制剂类除草剂,会增加其用量、降低药效、导致抗性杂草发生,严重危害作物生长、降低产量。2015年,乙氧氟草醚已经对6种双子叶植物产生抗性,到目前为止,国际抗除草剂杂草协会报道了13种杂草对PPO抑制剂类除草剂产生抗药性。在中国,铁苋菜在2011年首次进化出对PPO抑制剂类除草剂的抗性,并对大豆产生了感染;糙果苋和豚草在美国多个地区产生抗性,危害作物的生长发育;在中国,反枝苋在2017年出现多抗性,并感染大豆;在马尼托克,野生燕麦对5个除草剂作用位点具有多抗性的活性;播娘蒿是十字花科的一种双子叶杂草,这种杂草于2011年出现对PPO抑制剂的抗性,并感染了冬小麦;其他抗性杂草发生较晚,面积不大。与其他类型除草剂相比,PPO抑制剂的抗性发生现状并不是很普遍。杂草抗性是在长期的进化当中产生,杂草抗性基因的遗传与植物的生理及遗传有关。有研究认为可能是带有抗性基因的花粉传给其他植物,不合理使用化学药剂及对作物管理不规范都有可能影响作物产生抗性。
 
3.2 PPO抑制剂类除草剂的抗性治理措施
 
作物的生产方式、农田生物耕作方式及栽培管理方式和大量使用化学除草剂均能导致抗药性的产生,杂草抗药性已经成为杂草防除的一大问题。抗性杂草的防除应严格遵循“预防为主,综合防治”植物保护方针,化学方法与农业方式进行结合,尽量延缓杂草抗药性的发生,保护农业中的粮食产量稳增不降。应结合PPO抑制剂产生抗性的原因,进行综合治理。
 
3.2.1 选育具有抗性基因的作物品种
 
抗原卟啉原氧化酶抑制剂作物的选育可有效解决杂草抗性问题。根据该类除草剂抗性机制相同,对原卟啉原氧化酶的抗性突变基因进行研究,选育抗性基因作物。随着抗原卟啉原氧化酶抑制剂的应用,亲缘杂草与抗原卟啉原氧化酶交互授粉,引起抗性基因流动。合理规范使用抗原卟啉原氧化酶抑制剂类作物,可以防止杂草产生抗药性。
 
3.2.2 交替轮换使用
 
由于长期单一使用某种除草剂,杂草会逐渐产生抗性,应该根据作物种类及生长模式,使不同类型的除草剂品种进行轮换使用。作用机理不同的除草剂交替轮换使用,可以延缓杂草抗性,对控制田间杂草抗性发展有很大的作用。交替轮换的除草剂必须选用机制不同的除草剂,以防产生交互抗性。不仅在当季使用的农田里需要进行除草剂交替轮换使用,甚至还要考虑上下茬作物使用作用机制不同的除草剂。
 
3.2.3 混用
 
除草剂之间的科学合理混用,也可将靶标和作用机制不同的除草剂混用,这样能有效避免杂草发生基因突变,保持其生物活性。混用除草剂的原则:1)避免混用具有交互抗性的除草剂;2)混用的除草剂要求可以防除相同种类的杂草;3)不同靶标作用的除草剂进行混用;4)研究抗性杂草的发生规律,延缓抗性的产生。例如吡草醚触杀活性强,但传导作用差,田间杂草防除不彻底,会出现返青生长的现象,该药应与其他类别除草剂进行混用,可以增强防除效果和延缓杂草抗药性的产生。
 
3.2.4 最佳的使用技术和时期
 
严格控制农药用量达到最佳,即最佳的除草剂使用浓度,这种方法经济有效,且不污染环境,若不合理施药会影响药效。合理使用除草剂不仅可以延缓杂草抗性的产生,还可以降低成本,减少污染。
 
3.2.5 农业防治
 
作物与杂草共同生长,除草剂很难防除伴生性杂草,但轮作方式可以控制该杂草;作物适期播种及合理的栽培方式可以增加作物的安全性;覆盖治草,是阻挡杂草的萌发和生长的方法;加强植物检疫,防止检疫性杂草传播,危害农作物生长。农业措施可以避免单一使用某一种除草剂,减少杂草抗性的产生。
 
3.2.6 生物防治
 
杂草的天敌有昆虫、病原菌、微生物等。选择杂草天敌时,必须坚持“安全、高效、高致病力”的标准。该方法防效时间长且不污染环境,但效果较慢。
 
4 结论及展望
 
几十年来,PPO抑制剂是靶标抗性中发展较快的高活性除草剂。在国际上,关于PPO抑制剂的相关研究较少,仅有部分文章研究PPO抑制剂的抗性机理。上个世纪末,转基因抗草甘膦大豆在美国等地批准应用,影响了整个除草剂市场。更多公司和研究者对转基因抗除草剂作物品种进行开发与研究,研究者可根据该类除草剂的特殊性状继续研究开发对环境无污染、安全、低毒、高活力的新型除草剂。加强除草剂的使用技术研究,可以更好地避免杂草抗性的产生。在除草剂的研究过程中,发现高活性的化学物的同时也要找到结构新颖且广谱性强的化合物。
 
我国在杂草抗性方面的研究较少。应立足于国内当前的抗性现状,深入了解抗性机制,明确抗性产生的过程,为PPO抑制剂在使用过程中提供合理的施药方式,为延缓杂草抗药性的发生提供思路和开发新型除草剂提供理论基础。
 
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