鄧希樂, 鄧亞男, 吳昌炅

(湖南省農(nóng)業(yè)科學院 湖南省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所 雜草生物學及安全防控湖南省重點實驗室，長沙 410125)

0 引言

除草劑在高效防控雜草、保護糧食作物生產(chǎn)安全、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮了重要作用，在節(jié)省了大量人力物力成本的同時給社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益[1-3]，但使用除草劑極易產(chǎn)生藥害問題，使用不當會給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來重大損失，嚴重時甚至導致作物絕產(chǎn)絕收，而使用除草劑安全劑是解決除草劑藥害問題最為直接且有效的方法[4-6]。除草劑安全劑是一類選擇性保護作物免受除草劑危害而不影響除草劑對目標雜草除草活性的農(nóng)用化學品[7]。它能增加除草劑安全性，擴大除草劑應(yīng)用范圍[8]。自從Hoffman 等發(fā)現(xiàn)第1 個保護番茄苗免受除草劑2,4-D 藥害的安全劑1,8-萘酸酐 (1,8-naphthalic anhydride，NA) 以來，拜爾、巴斯夫、先正達等公司已經(jīng)陸續(xù)研發(fā)了解草啶 (femclorim)、解草酮 (benocacor)、二氯丙烯胺 (dichlormid) 和解草烷 (MGI91) 等20 余種商品化安全劑，用于保護水稻、玉米、小麥等主要糧食作物的生產(chǎn)安全(表1)。含有安全劑的除草劑制劑也是實際生產(chǎn)中解決藥害問題不可或缺的產(chǎn)品，目前全球市場上約30%左右的除草劑制劑產(chǎn)品中含有安全劑成分[6]。商品化的除草劑安全劑均通過創(chuàng)制獲得，按其結(jié)構(gòu)可分為萘二甲酸酐類、二氯乙酰胺類、肟醚類和芳雜環(huán)類等[4]。

表1 部分商品化的除草劑安全劑Table 1 Some commercial herbicide safeners

然而，在長期使用過程中發(fā)現(xiàn)，除草劑安全劑本身并不一定是“安全”的，因為其通常作為除草劑制劑配方中的“惰性有效成分”使用，除日本外，在其他國家或地區(qū)作為安全劑產(chǎn)品上市并不需要經(jīng)過農(nóng)藥登記流程，因而也不需要進行農(nóng)藥登記所需的毒理學試驗結(jié)果，因而尚不能明確其環(huán)境行為和潛在的環(huán)境風險。然而，近年的一些研究表明，現(xiàn)有的某些商品化安全劑對環(huán)境存在潛在威脅，例如：解草酮對水生自養(yǎng)型生物淡水藻類具有高毒性，對水生動物如斑馬魚胚胎具有中等毒性；二氯乙酰胺類安全劑對鼠類表現(xiàn)出低到中等毒性[17-22]。鑒于此，需要研發(fā)新的除草劑安全劑來替代具有潛在環(huán)境風險的商品化安全劑。天然產(chǎn)物除草劑安全劑作為來源于動植物及微生物體內(nèi)的內(nèi)源性化合物，對環(huán)境相對友好，有廣闊的研究空間與重要的應(yīng)用價值。目前已發(fā)現(xiàn)多種天然產(chǎn)物如山椒素類化合物、紫錐菊烷基酰胺類化合物、Z-藁本內(nèi)酯及洋川芎內(nèi)酯等能應(yīng)用于除草劑安全劑方面。本文主要對天然產(chǎn)物安全劑的種類、作用機理及其應(yīng)用潛力方面的研究進展進行系統(tǒng)性的綜述，以期為天然產(chǎn)物作為安全劑的發(fā)掘、作用機制的研究及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)提供參考。

1 天然產(chǎn)物除草劑安全劑的種類

目前關(guān)于天然產(chǎn)物除草劑安全劑的發(fā)掘途徑主要有兩種：從中草藥植物中提取分離活性成分和對已知天然產(chǎn)物進行生物活性篩選。

1.1 從中草藥植物中提取分離活性成分

采用索式提取法等方法對中草藥植物進行提取，粗提物通過超臨界萃取等方法進行主要活性成分分離，通過與天然產(chǎn)物高分辨質(zhì)譜標準圖譜庫對比，對分離獲得的有效成分進行結(jié)構(gòu)鑒定，并生物活性驗證，最終獲得天然產(chǎn)物安全劑。例如：唐新科等[23]運用CO2超臨界萃取技術(shù)成功提取了花椒果實中的山椒素類化合物 (sanshools，SAN)，并通過質(zhì)譜分析確認該類化合物是由11 個化合物組成的混合物，分別為α/β/ε-山椒素及羥基-α/β/ε-山椒素 (質(zhì)量分數(shù)70.06%)、γ-山椒素(10.54%)、羥基-γ-山椒素 (9.60%)、二羥基-α/β-山椒素 (4.65%) 以及脫氫-γ-山椒素 (3.02%)。這些化合物的C 端均由11～13 個碳原子的不飽和長鏈組成，N 端則由異丁基、2-羥基-2-甲基丙基及2-甲基烯丙基構(gòu)成；胡南[24]采用有機溶劑提取法對紫錐菊Echinacea purpurea根進行提取，粗提取物經(jīng)濃縮后獲得浸膏，再采用乙酸乙酯等溶劑對浸膏進行萃取，并通過石油醚分離純化，結(jié)晶后獲得紫錐菊烷基酰胺類化合物 (Echinaceaalkylamides，ECHAAs)；李靜波[25]通過有機溶劑提取獲得了川芎 (Rhizoma Chuanxiong) 提取物，采用CO2超臨界流體萃取法從粗提物中分離了Z-藁本內(nèi)酯 (Zligustilide,Z-LIG，含量為40.58%) 和洋川芎內(nèi)酯A (senkyunolide A，SNA，含量為17.85%)；胡利鋒[26]首先采用索氏提取法從中草藥羌活 (Rhizoma et Radix Notopterygii) 中提取粗提物，再通過硅膠柱層析初步分離得到富集成分，借助高速逆流色譜對富集成分進一步分離純化，并通過活性追蹤確定活性成分的方式，最終獲得乙草胺在水稻上的天然產(chǎn)物安全劑——佛手苷內(nèi)酯 (bergapten, 5-methoxypsoralen，BP) 與異茴芹內(nèi)酯 (isopimpinellin，ISO)。

通過該種途徑獲得的天然產(chǎn)物安全劑從結(jié)構(gòu)上又可以分為：(i) 不飽和N-烷基酰胺類 (SAN 和ECHAAs)；(ii) 苯并呋喃類 (Z-LIG 和SNA)；(iii)呋喃香豆素類 (BP 和ISO)。由于主要活性成分是從中草藥植物中獲取的，因此這幾類天然產(chǎn)物通常具有一定的醫(yī)藥活性[27-29]，如Z-LIG 和SNA 具有活血化瘀、止咳平喘、抗膽堿等醫(yī)藥活性[30]，同時部分天然產(chǎn)物化合物安全劑亦被發(fā)現(xiàn)具備殺蟲、殺菌等農(nóng)用活性[31-32]。

1.2 對已知天然產(chǎn)物進行生物活性篩選

通過該方式獲得的天然產(chǎn)物安全劑有水楊酸(salicylic acid，SA)、赤霉酸A3(gibberelliic acid，GA3)、蕓苔素內(nèi)酯 (brassinolide，BR)、茉莉酸甲酯 (methyl jasmonate，MeJA)、二氫茉莉酮酸甲酯(methyl dihydrojasmonate，MDJ) 及褪黑素(melatonin，MEL)[33-39]。除MEL 是一種由腦松果體 (pineal gland) 分泌的動物激素外，其他幾種天然產(chǎn)物安全劑均為高等植物體內(nèi)的內(nèi)源性激素，在調(diào)控植物生長發(fā)育的眾多生理生化過程中扮演重要角色[40-43]。如BR 是一種甾醇類植物激素，于油菜花花粉中首次發(fā)現(xiàn)，是高效、廣譜、無毒的植物生長調(diào)節(jié)劑，能有效提高農(nóng)作物活力和抗逆性，增加作物產(chǎn)量[42-43]；GA3可影響高等植物種子發(fā)芽、胚軸伸長、葉片擴展等各個生長發(fā)育方面，可用于刺激葉和芽的生長，提高作物產(chǎn)量[44]。這幾種動植物激素類的天然安全劑在一定劑量下可以促進農(nóng)作物的生長發(fā)育，推測其可以抵消除草劑對作物生長過程中所造成的負面影響。天然產(chǎn)物安全劑的來源、結(jié)構(gòu)、適用的除草劑及作物范圍見表2。與商品化安全劑骨架結(jié)構(gòu)相比，天然產(chǎn)物安全劑具有截然不同的化學骨架，部分天然產(chǎn)物安全劑如GA3和BR 的分子結(jié)構(gòu)較合成的商品化安全劑復雜，但兩者作用的除草劑以及適用的作物范圍有相同之處。

表2 部分來源于天然產(chǎn)物的除草劑安全劑Table 2 Some natural herbicide safeners

2 天然產(chǎn)物作為除草劑安全劑的應(yīng)用

2.1 作為磺酰脲類除草劑的安全劑

磺酰脲類除草劑是目前世界上最重要的除草劑品種之一[45]。沐興武等[46]研究了BR 浸種對磺酰脲類除草劑甲磺隆的解毒效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)BR 存在劑量-效應(yīng)，BR 在濃度較低時，隨著濃度的升高可以顯著緩解甲磺隆對水稻的藥害，但當其達到一定濃度后，劑量-效應(yīng)消失，此時使用BR 反而會加深藥害；當甲磺隆濃度過高時，用BR 浸種幾乎無解毒作用。周小毛等[47]采用土培法和田間試驗法測試了BR 作為胺苯磺隆安全劑的潛力，測定了不同濃度BR 對胺苯磺隆的解毒效果，以及不同濃度胺苯磺隆下用BR 浸種對玉米生長的影響。結(jié)果表明：BR 浸種后可不同程度緩解胺苯磺隆對玉米的藥害。當BR 的質(zhì)量濃度為0.02 mg/L時解毒效果最好，但當胺苯磺隆劑量增加到64 μg/kg時，用BR 浸種則無解毒效果，預(yù)示著天然產(chǎn)物安全劑對作物的保護作用與劑量密切相關(guān)，針對同一作物、同一除草劑需篩選出解毒效果最好的安全劑使用濃度；田間試驗結(jié)果則表明，采用0.02 mg/L 和0.04 mg/L BR 浸種，能基本解除胺苯磺隆在有效成分15 g/hm2施藥劑量下對玉米的危害，證明了BR 可以作為胺苯磺隆的安全劑。林瑞嫦等[48]發(fā)現(xiàn)，BR 可完全消除低劑量 (有效成分450 g/hm2) 下闊世瑪對糜子產(chǎn)生的藥害，使高劑量下 (有效成分600 g/hm2) 闊世瑪 (3.6%二磺 ? 甲碘隆水分散粒劑) 的平均藥害指數(shù)顯著下降，達58.2%。拜爾公司的Bickers 等[25]發(fā)現(xiàn)，SA 類似物 (4-OH SA和4-F SA) 能在不影響除草劑藥效的情況下，以桶混或者拌種的方式作為安全劑與磺酰脲類除草劑甲酰氨磺隆聯(lián)用，可有效緩解該除草劑對玉米和大豆造成的藥害。與空白對照和單獨施用除草劑對照相比，SA 類似物最多可以使得水稻根長恢復至82%。上述結(jié)果表明，不同類別的天然產(chǎn)物安全劑可以適用于同一類型的除草劑，但針對同一類別除草劑的單一品種，需要進一步篩選以確定適用的最佳天然產(chǎn)物安全劑。

2.2 作為酰胺類除草劑的安全劑

與磺酰脲類除草劑類似，酰胺類除草劑也是生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的一類除草劑品種之一，在農(nóng)田化學除草劑中地位僅次于有機磷除草劑[49]。目前關(guān)于酰胺類除草劑的天然產(chǎn)物安全劑報道相對較多。唐新科等[23]采用瓊脂培養(yǎng)基法和土培盆栽法，測試和驗證了山椒素類化合物SAN 作為酰胺類除草劑異丙甲草胺安全劑的潛力。結(jié)果表明：在一定濃度范圍內(nèi)，SAN 對經(jīng)異丙甲草胺處理的水稻幼苗的恢復率隨著使用濃度的增加而逐漸加大，其中在0.8 mg/L 時效果最佳，然后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢[23]；用土培盆栽法驗證SAN 效果，結(jié)果呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，水稻幼苗的恢復情況也隨著其用量的增加逐漸轉(zhuǎn)好，在SAN 為5 mg/kg時達到最佳，此時可以使經(jīng)過異丙甲草胺處理的水稻幼苗基本恢復到空白對照組水平[50](圖1)。

圖1 山椒素類化合物(SAN)對水稻幼苗的安全劑效果(15 d 處理) [23]Fig.1 Safening effect of SAN on rice seedlings(15-day treatments) [23]

胡南[24]同樣通過室內(nèi)瓊脂培養(yǎng)基和土壤培養(yǎng)試驗法測定了紫錐菊烷基酰胺類化合物ECHAA緩解異丙甲草胺對水稻幼苗造成的藥害情況。結(jié)果表明，ECHAAs 與SAN 的作用效果類似，在一定使用劑量范圍內(nèi) (瓊脂法：0.25～1.00 mg/L 和土壤基培養(yǎng)法：1.25～5.00 mg/kg) 可明顯緩解0.20 mg/L異丙甲草胺對水稻幼苗產(chǎn)生的藥害。李靜波等[51-52]發(fā)現(xiàn)：川芎提取物可明顯緩解精異丙甲草胺對水稻產(chǎn)生的藥害。在瓊脂培養(yǎng)基中，4 mg/L 下的川芎提取物能夠完全恢復精異丙甲草胺對水稻幼苗株高造成的抑制效果，同時對根長的恢復效果接近對照處理空白水平 (圖2)；而在土壤基質(zhì)培養(yǎng)中，質(zhì)量濃度為11.12 mg/L 的川芎提取物對水稻株高的恢復亦接近對照水平；田間試驗表明，川芎提取物在實際應(yīng)用過程中也能較好地緩解精異丙甲草胺對水稻產(chǎn)生的藥害。李靜波就兩種主要有效成分Z-LIG 與SNA 以瓊脂培養(yǎng)基法進行安全劑活性測試，發(fā)現(xiàn)兩者活性存在顯著差異[25]。相較之下，SNA 在室內(nèi)生物活性測定中雖然表現(xiàn)出一定的安全劑活性，但效果遠不如Z-LIG，推測Z-LIG 可能是川芎提取物中主要起安全劑作用的化合物。

圖2 Z-LIG 保護水稻抵抗精異丙甲草胺的保護作用[51]Fig.2 Activities of Z-LIG in protecting rice from Smetolachlor injury[51]

胡利鋒等[26]報道了添加羌活粗提物能夠明顯減輕乙草胺對水稻產(chǎn)生的藥害 (圖3)，田間生物測定試驗結(jié)果則證明，3750 g/hm2的羌活粗提取物和乙草胺的組合處理能使水稻的株高和分蘗數(shù)完全恢復到空白對照水平，并明顯減少乙草胺對水稻產(chǎn)量所造成的損失。他們基于瓊脂培養(yǎng)基和土壤培養(yǎng)基進行的安全劑生物測定試驗結(jié)果顯示，羌活粗提取物中的有效成分BP 和ISO 對經(jīng)過乙草胺處理的水稻具有一定的解毒作用，但是解毒效果隨著安全劑濃度降低而減弱；在土壤基質(zhì)中，BP 和ISO 與乙草胺混合處理的水稻幼苗株高與乙草胺對照相比顯著差異，BP 和ISO 能明顯恢復乙草胺對水稻幼苗株高造成的負面作用，證實BP 和ISO 具有一定的安全劑活性，均可作為天然產(chǎn)物安全劑，但BP 活性遠優(yōu)于ISO；同時室內(nèi)除草試驗結(jié)果證明，BP 對乙草胺的除草效果并不產(chǎn)生負面影響。

圖3 土壤培養(yǎng)基中BP 保護水稻免受乙草胺的照片[26]Fig.3 The effect of BP in protecting rice from injury of acetochlor[26]

鄧希樂等[37]采用瓊脂培養(yǎng)基法測試了MeJA對兩種氯乙酰胺類除草劑 (乙草胺與精異丙甲草胺) 對水稻產(chǎn)生藥害的緩解作用。結(jié)果表明：在兩種除草劑的質(zhì)量濃度為0.073 mg/L 時，雖然MeJA 有效地保護水稻抵抗來自這2 種除草劑所造成的損傷，但與商品化安全劑相比，MeJA 表現(xiàn)出了用量大、活性不夠突出的缺陷。鄧希樂等[38]進一步篩選出了與商品化安全劑解草啶活性相當?shù)腗eJA 類似物MDJ，MDJ 甚至在較低質(zhì)量濃度下(1 mg/L) 使用時，其安全劑活性還略優(yōu)于對照藥劑解草啶。Deng 等[33]在室內(nèi)溫室瓊脂基培養(yǎng)條件下研究發(fā)現(xiàn)，SA 及其20 種取代類似物在0.25～8 mg/L 范圍內(nèi)能部分消除由0.25 μmol/L 異丙甲草胺對水稻幼苗株高、根長及鮮重所產(chǎn)生的抑制作用，其中4-OH SA 和4-CF3SA 在8 mg/L 下，能夠最大程度地緩解異丙甲草胺對水稻株高及鮮重所產(chǎn)生的負面效果，其安全劑效果與解草啶效果相當，甚至當其最低質(zhì)量濃度為0.25 mg/L 時，兩種類似物依然表現(xiàn)出良好的活性；此外，4-OH SA 和4-CF3SA 在部分濃度下的活性甚至優(yōu)于商品化對照藥劑解草啶。江慧[53]在噴霧條件下，分別采用盆栽法及田間小區(qū)試驗法測試了GA3緩解乙草胺對油菜藥害的作用效果。在盆栽試驗中，當GA3用量為168 g/hm2時，對油菜株高藥害的緩解效果最為明顯；而當GA3用量為21 g/hm2時，對油菜鮮重藥害的緩解效果最佳。Zhang 等[54]發(fā)現(xiàn)，GA3也能較好地緩解異丙甲草胺對高粱造成的損傷，800 mg/L 的GA3處理能夠充分解除200 mg/L 異丙甲草胺對高粱幼苗造成的藥害脅迫(圖4)。

圖4 高粱幼苗暴露于不同除草劑處理7 d 后的形態(tài)。其中異丙甲草胺處理為200 mg/L；GA3 的處理濃度為800 mg/L[54]Fig.4 Morphological responses of sorghum seedlings after 7 days of exposure to the different treatments.Where metolachlor was 200 mg/L; GA3 was 800 mg/L[54]

由于不同種類天然產(chǎn)物安全劑所測試的保護對象不盡相同，面對同一作物時，所測試的除草劑的種類以及濃度也有所差異，導致很難比較不同種類天然產(chǎn)物安全劑之間的活性差異。但上述結(jié)果表明，天然產(chǎn)物安全劑的化學結(jié)構(gòu)對其活性影響至關(guān)重要，某一個關(guān)鍵位點的結(jié)構(gòu)改變會導致活性發(fā)生較大差異，例如SNA 與Z-LIG 在六元環(huán)上的飽和度和取代基有所不同，BP 較ISO 僅在苯環(huán)上多出一個取代甲基，MeJA 與MDJ 的區(qū)別在于五元環(huán)上的戊基有無雙鍵，這些都導致具有類似結(jié)構(gòu)的天然產(chǎn)物安全劑在活性上存在顯著差異。該結(jié)論可為進一步就天然產(chǎn)物安全劑的結(jié)構(gòu)進行修飾以及類似物的合成提供指導。

2.3 作為其他類型除草劑的安全劑

同一種天然產(chǎn)物可以作為不同類型除草劑對同一種作物的安全劑，例如MeJA 除了能夠有效地保護水稻抵抗來自乙草胺和精異丙甲草胺的藥害以外，還能夠有效地緩解另一種芳基吡啶甲酸酯類除草劑氯氟吡啶酯對水稻造成的藥害損傷，但保護效果有所差異，0.25 mg/L MeJA 作為0.073 mg/L乙草胺的安全劑，對水稻幼苗株高和鮮重的保護效果明顯優(yōu)于其作為0.073 mg/L 精異丙甲草胺和0.073 mg/L 氯氟吡啶酯的安全劑。4-OH SA 和4-CF3SA 也同樣可以作為有機雜環(huán)類除草劑異噁唑草酮的安全劑，用于保護玉米和大豆免受除草劑所造成的藥害[37]。除作為酰胺類除草劑的安全劑以外，GA3可完全消除低劑量 (有效成分86 g/hm2)銳超麥 (20%雙氟?氟氯酯可濕性粉劑) 對糜子所造成的藥害，使高劑量 (有效成分100 g/hm2) 銳超麥的平均藥害指數(shù)下降81.7%[48]。Caputo 等[55]發(fā)現(xiàn)，在低劑量 (0.1 mmol/L) 下使用MEL，能夠減少脲嘧啶類除草劑30%苯達松乳油劑型所造成的損傷，與單獨使用苯達松乳油的對照相比其產(chǎn)量提高約2 倍，預(yù)示著MEL 可以作為甘薯田中除草劑苯達松的安全劑。這些研究結(jié)果表明，同一天然產(chǎn)物具備作為不同品種除草劑在同一作物上的安全劑以及同一品種除草劑在不同作物上安全劑的應(yīng)用潛力，但目前關(guān)于天然產(chǎn)物安全劑的研究大多局限在測試單一除草劑品種作用于單一作物上的保護效果，有關(guān)單一天然產(chǎn)物安全劑對不同除草劑品種在同一作物及同一除草劑品種作用于不同作物上的保護效果仍需進一步研究。

3 天然產(chǎn)物安全劑作用機制

目前學界普遍認同的一種除草劑安全劑的作用機理是安全劑在不影響除草劑代謝途徑的前提下，通過提高除草劑在作物體內(nèi)代謝速率的方式，增強作物對除草劑的抵抗能力。除草劑在作物體內(nèi)的代謝過程主要分為3 個階段 (圖5)[10]：第1 階段，除草劑分子通過水解作用等反應(yīng)形成具備新官能團的代謝物，此階段涉及的酶主要有過氧化物酶、細胞色素P450、酯酶等；第2 階段，前一階段的反應(yīng)產(chǎn)物與谷胱甘肽 (glutathione，GSH) 或者葡萄糖 (glucose) 結(jié)合，涉及的酶主要為谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶 (glutathioneS-transferase，GSTs) 和尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶 (glucuronyl transferase，UGTs)；第3 階段，第2 階段中產(chǎn)生的結(jié)合物通過原生質(zhì)膜和液泡膜上的三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運體 (ATP binding cassette transporter) 轉(zhuǎn)運到液泡或者藏匿于細胞壁，并被進一步加工 (部分被進行次級結(jié)合反應(yīng)或降解)。

圖5 除草劑在作物體內(nèi)的代謝過程[10]Fig.5 Metabolize of herbicides in crop plants[10]

3.1 誘導GSTs 活力提升

GSTs 能夠催化除草劑與作物植株中的GSH結(jié)合，形成無毒的除草劑-GSH 軛合物，緩解除草劑對作物植株細胞造成的氧化損傷。商品化除草劑安全劑能夠通過提高與GSTs 相關(guān)基因的表達量，從而提高GSTs 在除草劑與GSH 軛合過程中的催化能力[42]。已報道的天然產(chǎn)物安全劑的作用方式與之一致，例如：Z-LIG 可以通過誘導水稻幼苗根和莖葉中與GSTs 相關(guān)基因OsGSTU2 的表達，提高經(jīng)精異丙甲草胺處理后水稻幼苗的GSTs 活力而增強對除草劑的解毒代謝能力，從而緩解精異丙甲草胺對水稻的藥害，并且隨著Z-LIG質(zhì)量濃度的增大，根和莖葉中GSTs 活力隨之提高，當質(zhì)量濃度為4 mg/L 時，根和莖葉的GSTs活力分別約為空白對照的11 倍和5 倍；SAN 能夠激活GSTs 的編碼基因 (OsGSTF12、OsGSTU3、OsGSTU39及OsGSTU39)，進而誘導水稻體內(nèi)解毒酶編碼基因的表達，提高GSTs 活力，從而達到緩解除草劑藥害的目的[23]。與空白對照組相比，除草劑與安全劑的組合處理組的OsGSTU3和OsGSTU39的表達量分別提高了5.3 倍和8.3 倍，GSTs 活力與僅用異丙甲草胺的陰性對照和僅用清水處理的空白對照相比，分別提高了2 倍和4 倍[23]，與SAN 結(jié)構(gòu)相似的ECHAAs 也具有類似的提高空白處理組和除草劑處理組水稻GSTs 活力的功效[24]。羌活提取物 (2.5～25 mg/L) 與主要活性成分BP (1.25～5 mg/L) 可誘導水稻體內(nèi)GSTs 活性顯著增強，從而促進乙草胺在水稻體內(nèi)的代謝進程，緩解乙草胺對水稻幼苗的藥害[26]。BR 通過和提高GSTs 活力以促進除草劑復配配方苯唑 ? 二甲鈉與GSH 形成無毒性的軛合物來緩解其對糜子產(chǎn)生的藥害，從而促進糜子正常生長發(fā)育，提高糜子產(chǎn)量[56]；GA3和精異丙甲草胺共同處理4 d 后，發(fā)現(xiàn)水稻幼苗GSTs 活力顯著升高，促進了精異丙甲草胺與水稻GSH 的軛合作用，從而緩解了精異丙甲草胺對水稻幼苗產(chǎn)生的藥害，保護了水稻幼苗的生長發(fā)育[35]。目前關(guān)于SA 及其類似物作為安全劑的作用機制尚未得知，但有報道證明，SA 能夠誘導水稻體內(nèi)GSTs 活性增強，這可能是其潛在的作用機制[57]。以上結(jié)果印證了天然產(chǎn)物安全劑通過誘導GSTs 相關(guān)基因表達以提高GSTs 活力是目前報道最為廣泛的作用機制。

3.2 抗氧化損傷

作物在正常生長條件下植株體內(nèi)活性氧 (reactive oxygen species，ROS) 的產(chǎn)生與消除處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)，而除草劑脅迫可導致作物體內(nèi)產(chǎn)生大量ROS，導致平衡狀態(tài)被打破，引起細胞膜質(zhì)過氧化作用，最終影響作物的正常生長發(fā)育[48]。部分天然產(chǎn)物安全劑被報道能夠恢復除草劑所造成的氧化損傷。例如，SAN 能夠有效恢復經(jīng)過異丙甲草胺處理的水稻的葉綠素含量以及水稻幼苗根系活力 (提高到空白組的87%以上)，即恢復根系中抗氧化酶過氧化物酶 (peroxidase，POD)、超氧化歧化酶 (superoxide dismutase，SOD) 及過氧化氫酶 (catalase，CAT) 活力[23]；ECHAAs 的作用機制與SAN 類似，同樣可以通過恢復水稻幼苗葉片中的葉綠素含量 (與異丙甲草胺聯(lián)用后，葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量分別是除草劑處理組的144.7%、132.8% 和141.0%)，誘導水稻體內(nèi)SOD 酶活力的恢復，進而增強水稻對除草劑的氧化損傷抵抗能力以緩解除草劑對水稻的藥害[24]；水稻幼苗在浸漬BR 后再使用西草凈，幼苗吸收西草凈的量明顯降低，且水稻葉片中的葉綠素含量明顯增加[46]；GA3能在一定程度上提高經(jīng)過除草劑闊世瑪處理后糜子葉片的SOD 活力和葉綠素含量，并顯著降低了丙二醛含量，從而緩解除草劑對糜子產(chǎn)生的氧化損傷與藥害[48]。富含褐色素的轉(zhuǎn)基因水稻植株能夠表現(xiàn)出對脲嘧啶類除草劑氟丙嘧草酯的抗性，相較于僅用除草劑處理的陰性對照，水稻植株體內(nèi)的激抗氧化劑酶 (SOD、CAT 及POD) 活力保持在正常范圍內(nèi)，葉片的膜損傷和脂質(zhì)氧化減少[30]。此外，施加外源褐色素還可以增加植物暴露于除草劑部位中的抗氧化劑代謝物如抗壞血酸酯、谷胱甘肽、脯氨酸的含量以減輕除草劑對作物的損傷[39]。上述結(jié)果證實，天然產(chǎn)物安全劑提升作物對除草劑的抗氧化損傷能力也是其主要作用機制之一。

3.3 其他作用機制

與商品化安全劑作用機制具有類似特征，天然產(chǎn)物安全劑的作用機制也涉及多種途徑。例如，GA3除了能夠誘導作物體內(nèi)GSTs 催化活力以加快除草劑解毒進度進程以外，還能夠減少除草劑對作物產(chǎn)生的氧化損傷。Zhang 等采用植物激素代謝組學的方法，進一步解析了GA3保護高粱免受精異丙甲草胺藥害的作用機制，發(fā)現(xiàn)異丙甲草胺處理組的高粱內(nèi)源GA3含量下降78.10%，S-誘抗素 (abscisic acid, ABA) 含量增加120.2%，導致ABA/GA3比值增加10.3 倍，其中異丙甲草胺和GA3處理使ABA 和GA3的含量分別增加11.9.9倍和21.1 倍，導致ABA/GA3比值恢復[54]。此外，異丙甲草胺抑制了編碼與GA 合成相關(guān)的關(guān)鍵酶的基因表達，包括與ABA 代謝相關(guān)的CPS1、KO2、KAO、GA20ox1D和ABA8ox基因；異丙甲草胺和GA3聯(lián)合處理后，GA 代謝相關(guān)基因CYP714D1和GA2ox的轉(zhuǎn)錄水平分別上調(diào)11.2 倍和7.2 倍，而ABA 合成相關(guān)基因NCED和ZEP的轉(zhuǎn)錄水平則分別上調(diào)8.0 倍和3.0 倍[54]。值得一提的是，這是唯一的關(guān)于天然產(chǎn)物安全劑誘導的作物解毒信號途徑報道，且該例所研究的安全劑作用機制與商品化安全劑報道的實例[7]并不相同。除此之外，BR 還能夠恢復經(jīng)胺苯磺隆處理后玉米幼苗中乙酰乳酸合成酶 (acetolactate synthetase) 的活性，這可能是其保護玉米免受胺苯磺隆傷害的眾多潛在機制之一[38]。根據(jù)已有研究結(jié)果，可以推測出單一天然產(chǎn)物安全劑的作用機制往往并非單一，需要開展針對同一化合物不同作用機制的研究。

4 總結(jié)與展望

除草劑安全劑是目前實際生產(chǎn)中解決除草劑藥害問題不可或缺的農(nóng)用化學品，但目前已有商品化安全劑在長期使用過程中暴露出存在環(huán)境風險。天然產(chǎn)物可以作為除草劑安全劑的發(fā)現(xiàn)為彌補商品化安全劑這一缺陷提供了一種極具潛力的解決途徑。天然產(chǎn)物安全劑具有與已報道的商品化安全劑完全不同的化學結(jié)構(gòu)，且大多為高等植物中存在的調(diào)節(jié)生長發(fā)育相關(guān)過程的激素或信號分子，施用這些與生長相關(guān)的激素帶來的正面效應(yīng)，可有效地恢復除草劑對作物發(fā)育所產(chǎn)生的負面效果，且大部分這類安全劑對除草劑活性無影響。同一種天然產(chǎn)物安全劑有可能有效緩解不同除草劑對同一作物以及同一除草劑對不同作物產(chǎn)生的藥害。但目前發(fā)現(xiàn)的幾類天然產(chǎn)物安全劑均存在用量大、活性低、難以合成、提取成本高等方面的問題，因而限制了其在田間的進一步推廣應(yīng)用以及商品化，需要對其進行結(jié)構(gòu)改造。一些結(jié)構(gòu)相對簡單的天然產(chǎn)物安全劑，如水楊酸、山椒素、茉莉酸甲酯等均可以作為先導化合物或者活性片段，采用中間體衍生化方法或者活性亞結(jié)構(gòu)拼接等設(shè)計方法，結(jié)合其他高活性安全劑片段進行結(jié)構(gòu)修飾，以期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)全新、且對生態(tài)相對友好的新型除草劑安全劑候選化合物。

此外，目前對于天然產(chǎn)物安全劑作用機理的相關(guān)研究尚不深入，主要集中在加快作物體內(nèi)除草劑代謝這方面。天然產(chǎn)物安全劑能夠誘導植物體內(nèi)整個解毒途徑中一系列的關(guān)鍵酶，如GSTs和抗氧化劑酶 (SOD、CAT 和POD) 等酶活力提高，從而增強作物對除草劑的代謝降解。安全劑作用的分子機制涉及多個信號與解毒途徑之間復雜的相互作用，其他一些潛在的天然產(chǎn)物安全劑作用機制途徑，如對ABC 轉(zhuǎn)運體的誘導、對靶標酶活性的影響、以及具體誘導的信號途徑仍有待研究。

關(guān)于天然產(chǎn)物安全劑作用機理的研究對基于該類安全劑研發(fā)高效、安全、選擇性強的新型安全劑意義深遠。建議今后從以下幾個方面著重開展研究：1) 利用轉(zhuǎn)錄組學、代謝組學、蛋白質(zhì)組學等近年來新興的先進技術(shù)手段，深入研究天然產(chǎn)物安全劑對參與除草劑代謝過程的各種關(guān)鍵性因子 (酶、激素等) 的影響；2) 對天然產(chǎn)物安全劑的信號途徑進行深層次的研究，明確其是如何調(diào)節(jié)解毒基因表達的；3) 加強對其他潛在安全劑作用機制 (如細胞壁ABC 轉(zhuǎn)運體的誘導、對除草劑靶標酶活性的影響等) 的研究。明確天然產(chǎn)物安全劑的作用機制對于培育抗除草劑作物品種具有重要意義。