除草剂的作用机理.doc

除草剂的作用机理除草剂的作用机理比较复杂，许多除草剂的作用机理至今尚未十分清楚。这是因为它们的作用不仅受防治对象影响，同时还受环境条件的干扰；许多除草剂的杀草作用并不限于某一因素，有时是几种因素同时发生，形成一个多种复杂的过程。无论触杀型或是内吸传导型除草剂，当被植物吸收后，必须对植物的正常生理生化过程进行某种干扰作用，才能把植物杀死。植物的生长发育是植物体内许多生理生化过程协调统一的表现，当除草剂干扰了其中某一环节时，就会使植物的生理生化过程失去平衡，从而导致植物的生长发育受到抑制或死亡。除草剂对植物干扰、破坏的作用机理可以归纳为以下几个主要方面：一、 抑制光合作用：绿色植物是靠光合作用来获得的养分，光合作用是植物体内各种生理生化活动的物质基础，是植物特有的生理机制。生物界活动所消耗的物质和能量主要是由光合作用来积累，所有动植物的细胞结构及生存所必需的复杂分子，都来源于光合作用的产物及环境中的微生物。光合作用在温血动物体内并不发生，因此抑制光合作用的除草剂对温血动物的毒性很低。光合作用是绿色植物利用光能将所吸收的二氧化碳同化为有机物并释放出氧的过程，植物在进行光合作用时，可将光能转变成化学能：hCO2+H2O C6H12O2 + 6O2叶绿体这一反应过程是由一系列复杂的生物物理及生物化学过程来完成的。一般把发生在叶绿体内的光合作用分成光反应和暗反应两大阶段。叶绿体内的光合作用可分成下列几个步骤：(1)叶绿体内的色素(通常由叶绿素a及b所组成)被吸收的光量子所激活。(2)将贮藏在“激活了的色素”中的能量，在光系统I及中经过一系列的电子传递，转变成化学能，在水光解过程中，将氧化型辅酶(NADP+)还原成还原型辅酶(NADPH)：hNADP+ + H2O NADPH + 12O2十H+与此反应相偶联的是ADP与无机磷酸盐(Pi)形成ATP：hADP + Pi ATP(3)将贮存在NADPH及ATP中的能量，消耗在后面不直接依赖光的反应，即固定和还原二氧化碳的反应暗反应。 图中表示了叶绿体中光合作用电子传递时的氧化还原电位图，图中D1及D2分别表示光系统I及光系统中的电子给予体，AI及A分别表示光系统I及夏中的电子接受体。Cytf：细胞色素f；Fd：铁氧化还原蛋白；Fp：Fd-NADP+，氧化还原酶；PC：质体蓝素；PQ：质体醌。光系统I、及各种电子载体(如质体醌、细胞色素、质体蓝素、铁氧化还原蛋白等)组成了电子传递链，它们将水光解所释放出的电子传递给NADP+，每还原一分子NADP+为NADPH需要两个电子，并同时形成ATP。ATP的合成包括在两个光系统中，称为非循环光合磷酸化(noncyclicphotophorylation)。近来的研究表明，每两个电子不是形成一分子ATP，而是约43分子ATP。相反，仅光系统I是包含在循环的光合磷酸化过程中，这一过程也发生在光的影响下，但与开链的电子传递系统无关。现已逐步弄清，光系统反应中心包含两个同系的相对分子质量为3.2104和3.4X104的蛋白，分别称为D1和D2多肽，它们在叶绿体的类囊体膜上分别与光系统系统中电子传递起重要作用的质体醌QB和QA相结合。基于一定的实验基础，1991年KGTietjen等利用分子图形学的方法设计了质体醌QB与D1蛋白结合的部分三维结构模型。1、抑制光合电子传递：干扰光合作用的除草剂品种中大约70是抑制光合电子传递。抑制光合电子传递的除草剂种类很多，近10年来，对光合反应中心的结构和功能的除草剂的作用研究取得了突破性进展，不但分离了光合反应中心，而且测定了氨基酸序列。植物的光系统光合反应中心，其核心蛋白(core protein)由两个亚单位，即D1和D2组成，包含叶绿素、褐藻素、胡萝卜素、非血红素铁及细胞色素b559；两种质醌QA和QB就结合在这一D1D2复合体上。光系统反应中心从水到质体醌的电子流如图528所示。 图示水裂解系统提供的电子经过一个电子受体Z、叶绿素二聚体(chlz)、叶绿素(chl)和褐藻素(pheo)传递到QA，然后经Fe到QB，最后传递到质体醌(PQ)。QA和QB在D1和D2蛋白上的结合部位如图。从图5-29可以看出，QB一端和215位组氨酸(His215)结合，另一端和靠近262位酪氨酸(Tyr262)的羰基结合；QA一端和215位组氨酸(His 215)结合，另一端则和靠近261位丙氨酸(Ala261)的酰胺基结合：Fe和4个组氨酸相连，从而将D1、D2两个亚单位联结成一个复合体。三嗪类、尿嘧啶类除草剂的作用机制就是竞争性地占领了在D1蛋白上QB的“结合龛” (bing niche)，即QB的天然配体。除草剂占领该天然配体后，QB即失去这种配体，其电子传递功能丧失，从而阻碍了电子从QA QB PQ。除草剂叠氮三嗪(azido-triazine)和QB的“结合龛”结合如图。叠氮三嗪含烷基的侧链朝向第264位丝氨酸的氨基酸片断，侧链上与N相连的H可能和丝氨酸OH形成桥键，而叠氮则朝向跨膜螺旋上第214位甲硫氨酸（Met214）。三嗪类除草剂去草净（terbutrun）在QB“结合龛”上结合的模式如图5-31。去草净以23个桥键和蛋白相连结；223位丝氨酸OH和三嗪环乙基侧链N相连的H组成“桥”，靠近224位异亮氨酸（ile224）的N上的H和三嗪环的N组成“桥”。取代脲类除草剂(如敌草隆)的结合位点也在这个由叶绿体基因编码的D1蛋白上，但不是三嗪类除草剂的结合位点。已有研究指出，在DlD2蛋白复合体上，电子从QA到QB的传递还必须有低浓度的HCO3-离子的参与，在D1蛋白上亦有HCO3-结合位点，可能位于敌草隆结合位点下面，而被敌草隆结合位点所覆盖。取代脲类除草剂和D1蛋白上的结合位点结合后，改变了蛋白质的结构，从而阻碍了HCO3-和其结合位点的结合，结果影响电子从QAQB的传递。2 拦截传递到NADP+的电子敌草快、对草快(百草枯)这类联吡啶类除草剂具有-450mV和-350 mV的氧还电势，可以作用于光系统，拦截从X到Fd的电子，使电子流彻底脱离电子传递链，从而导致NADP+还原中止，破坏了同化力的形成。此外，联吡啶类阳离子在拦截电子后就被还原成相应的自由基。在氧参与下，自由基被氧化成初始离子，这个初始离子又参与反应，形成一系列氧的活化产物：这些氧的活化产物同样是植物毒剂，将导致类囊体膜中不饱和脂肪酸的过氧化。叶绿体的内囊体膜脂类化合物中含大约90的不饱和脂肪酸，主要是亚麻酸和亚油酸，其功能是保持膜的流动性。上述除草剂作用产生的单态氧在脂质膜中不能快速除去， 将和亚麻酸和亚油酸相互作用，从而导致过氧酸的形成，脂肪酸过氧化物接着又被还原,进一步通过碳链断裂，产生醛及短链的烷烃。按照这种方式，亚麻酸将产生乙烷，亚油酸将产生戊烷。此外，单态氧也能和其他富含未共用电子的分子反应，如和组氨酸、甲硫氨酸等氨基酸反应，而且单态氧的反应也不仅限脂类，亦可扩大到蛋白质、氨基酸、核酸及色素等。二、干扰呼吸作用和能量代谢：呼吸作用是碳水化合物等基质通过糖酵解和三羧酸循环的一系列酶的催化而进行的有机酸氧化过程，并通过氧化磷酸化反应将产生的能量转变为三磷酸腺苷（ATP），以供生命活动的需要。植物在呼吸作用过程中，氧化作用和磷酸化作用是两个相互联系又同时进行的不同过程，此过程为偶联反应。凡是破坏这个过程的物质称为解偶联剂。植物的呼吸作用是在细胞的线粒体中进行的，其此除草剂可以改变线粒体的机能，包括对ATP合成的解偶联反应和干扰电子传递等两个方面。如五氯酚钠、地乐酚、敌稗和苯氧羧酸等除草剂都是解偶联剂，干扰呼吸作用。植物在这些药剂的作用下，体内贮存的能量ATP不断地用于植物生长，生化反应和养分的吸收和运转，变成ADP（二磷酸酰酶），随着ADP浓度的增加，加速植物的呼吸作用。另外，呼吸所释放出了能量，不能用于ADP的氧化磷酸化，因而，中断了ATP的形成，使植物体中ATP的浓度降低，其结果是呼吸作用成为一种无用的消耗，造成植物能量的亏缺，使植物体内各种生理、生化过程无法进行，从而导致植物死亡。例如，均三氮苯类除草剂抑制植物的呼吸作用，特别提高浓度显著抑制呼吸过程中氧的吸收和CO2的释放，从而大大降低了呼吸系数，造成呼吸过程的紊乱。均三氮苯类除草剂干扰光合作用中希尔反应中氧释放时的能量传递，进而影响NADP的还原作用和ATP的形成。三、抑制植物的生物合成：1、抑制色素合成：高等植物叶绿体内的色素主要是叶绿素(包括叶绿素a和叶绿素b)和类胡萝卜素。类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素，后者是前者的衍生物。胡萝卜素和叶黄素都是脂溶性色素，与脂类结合，被束缚在叶绿体片层结构的同一蛋白质中。光合作用中光能的吸收与传递及光化反应和电子传递过程均在这里进行，因此，抑制色素的合成将抑制光合作用。（1）抑制类胡萝卜素的合成：类胡萝卜素大量存在于类囊体膜上，靠近集光叶绿素及光反应中心，其主要功能是保护叶绿素，防止受光氧化而遭到破坏。类胡萝卜素生成酶系包括合成酶(Synthase)、去饱和酶(desaturase)和环化酶(cyclase)。这些酶系主要分布在叶绿体被膜，而在类囊体膜中则少有分布。去饱和酶的催化作用要求分子氧的参与。去饱和作用可能是由羟基化(hydroxylation)起动的，但单加氧酶(羟化酶)是否参与反应尚未证实。羟基化后再脱去一个水分子，双键就形成。类胡萝卜素的生物合成途径如图， 类胡萝卜素生物合成过程中除草剂的主要靶标是去饱和酶。哒嗪酮类、氟啶酮、苯氧基苯酰胺主要是抑制了八氢番茄红素去饱和酶，导致八氢番茄红素积累；哒草伏、嘧啶类可抑制六番茄红素去饱和酶活性。由于类胡萝卜素合成被抑制，导致失去叶绿素保护色素，而出现失绿现象。（2）抑制叶绿素合成：叶绿素的生物合成途径如图5-35所示。二苯醚类除草剂(如除草醚)和环亚胺类除草剂(如恶草灵)都是过氧化型除草剂。用这些除草剂处理植物后往往显示以下的特点：(1)阻碍叶绿素的合成；(2)色素在光照中被分解，即所谓“漂白”作用；(3)在光照中形成乙烷及其他短链烷烃化合物； (4)叶绿素光合成中的关键酶原卟啉原氧化酶被抑制；(5)植物中原卟啉积累。因此，原卟啉原氧化酶是这两类除草剂作用的第一靶标。原卟啉原氧化酶被抑制后，原卟啉原不能被氧化成原卟啉并在Mg螯合酶和Fe螯合酶作用下分别生成叶绿素和血红素，而是造成原卟啉原的瞬间积累，漏出并进入细胞质，并在除草剂诱导的氧化因素作用下氧化成原卟啉(PP)，PP进一步被转换为一个代谢物（590FP）。590FP在细胞质中产生高活性氧，从而引起细胞组分的过氧化降解，植物枯死。2、抑制氨基酸、核酸和蛋白质的合成：氨基酸是植物体内蛋白质及其他含氮有机物合成的重要物质，氨基酸合成的受阻将导致蛋白质合成的停止。蛋白质与核酸是细胞核与各种细胞器的主要成分。因此，对氨基酸、蛋白质、核酸代谢的抑制，将严重影响植物的生长、发育，造成植物死亡。（1）抑制氨基酸的生物合成 目前已开发并商品化的抑制氨基酸合成的除草剂有：有机磷类、磺酰脲类、咪唑啉酮类、磺酰胺类和嘧啶水杨酸类等。在上述这些类别中，除含磷除草剂外，其他均为抑制支链氨基酸生物合成的除草剂。含磷除草剂对氨基酸的抑制作用： 目前常用的含磷除草剂有草甘膦、草铵膦和双丙氨膦。草甘膦的作用部位是抑制莽草酸途径中的5烯醇丙酮酸基莽草酸3磷酸酯合成酶(5-enolpyruvylshikimic acid-3-phosphate synthase，简称EPSPS)， 使苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等芳族氨基酸生物合成受阻。草铵膦和双丙氨膦则抑制谷氨酰胺的合成，其靶标酶为谷氨酰胺合成酶(glutaminesythase，简称为GS)。抑制支链氨基酸的合成： 植物体内合成的支链氨基酸为亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，其合成开始阶段的重要酶为乙酰乳酸合成酶(acetolactate synthase简称为ALS)，其可将2分子的丙酮酸或1分子丙酮酸与丁酮酸催化缩合，生成乙酰乳酸或乙酰羟基丁酸。磺酰脲类、咪唑啉酮类、磺酰胺类、嘧啶水杨酸类等除草剂的作用靶标酶为ALS。靶标ALS抑制剂是目前开发最活跃的领域之一。另外，杀草强为杂环类灭生性除草剂，它通过抑制咪唑甘油磷酸脱水酶(IGPD)而阻碍组氨酸的合成。综上所述，植物体内氨基酸合成受相应酶的调节控制，而各种氨基酸抑制剂则正是通过控制这种不同阶段的酶以发挥其除草效应的。（2）干扰核酸和蛋白质的合成 除草剂抑制核酸和蛋白质的合成主要是间接性的，直接抑制蛋白质和核酸合成的报道很少。已知干扰核酸、蛋白质合成的除草剂几乎包括了所有重要除草剂的类别。例如，苯甲酸类、氨基甲酸酯类、酰胺类、二硝基酚类、二硝基苯胺类、卤代苯腈、苯氧羧酸类与三氮苯类等。试验证明，很多抑制核酸和蛋白质合成的除草剂干扰氧化与光合磷酸化作用。通常除草剂抑制RNA与蛋白质合成的程度与降低植物组织中ATP的浓度存在相关性。因此，多数除草剂干扰核酸和蛋白质合成被认为不是主要机制，而是抑制ATP产生的结果。磺酰脲类除草剂是通过抑制支链氨基酸的合成而影响核酸和蛋白质的合成；并证明绿磺隆能抑制玉米根部DNA的合成。目前尚未有商品化的除草剂是直接作用于核酸和蛋白质的合成。（3）抑制脂类的合成： 类脂包括脂肪酸、磷酸甘油酯与蜡质等。它们分别是组成细胞膜、细胞器膜与植物角质层的重要成分。脂肪酸是各种复合脂类的基本结构成分。如磷酸甘油酯是脂肪酸与磷脂酸的复合体。因此，除草剂抑制脂肪酸的合成，也就抑制了脂类合成，最终造成细胞膜、细胞质膜或蜡质生成受阻。目前，已知芳氧苯氧基丙酸酯类、环己烯酮类和硫代氨基甲酸酯类除草剂是抑制脂肪酸合成的重要除草剂。芳氧苯氧基丙酸酯类和环己烯酮类除草剂的靶标酶为乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)，它是催化脂肪酸合成中起始物质乙酰辅酶A生成丙二酸单酰辅酶A的酶，见下式：ACCase乙酰-CoA十HCO3+ATP 丙二酸单酰-CoA+ADP+Pi硫代氨基甲酸酯类除草剂是抑制长链脂肪酸合成的除草剂，它是通过抑制脂肪酸链延长酶系，而阻碍长链脂肪酸的合成(图515)。四、干扰植物的激素作用：激素是调节植物生长、发育、开花和结果可能缺少的物质，在植物的不同组织中都有适当的含量。激素类型的除草剂可以破坏植物生长的平衡，当低浓度时对植物有刺激作用，高浓度则产生抑制作用。受害植物的组织可以表现刺激与抑制两种症状，导致生长畸形或扭曲，如2，4D 对双子叶植物的毒害症状。属于激素型的除草剂种类很多，如苯氧羧酸类，（2，4D、2甲4氯）、苯甲酸类(百草敌、豆科威)、毒莠定等。五、抑制微管与组织发育微管是存在于所有真核细胞中的丝状亚细胞结构。高等植物中，纺锤体微管是决定细胞分裂程度的功能性机构，微管的组成与解体受细胞末端部位的微管一机能中心控制，微管机能中心是一种细胞质的电子密布区。由于除草剂类型与品种不同，它们对微管系统的抑制部位不同：抑制细胞分裂的连续过程；阻碍细胞壁或细胞板形成，造成细胞异