第三節(jié)　除草劑的主要類型及作用機(jī)理

化學(xué)除草具有高效、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，有的品種還可促進(jìn)作物生長(zhǎng)，它是大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化必不可少的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，成為農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要保障。

除草劑應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展程度的標(biāo)志，如美國(guó)、日本、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，主要農(nóng)作物的除草幾乎全部依賴于化學(xué)除草劑。在幾大類農(nóng)藥中，除草劑的商品化的程度呈逐年上升的趨勢(shì)。化學(xué)合成除草劑是在20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)的，以2，4-D的發(fā)現(xiàn)作為標(biāo)志，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，除草劑的研究與開(kāi)發(fā)，一直呈迅速發(fā)展的趨勢(shì)。70年代研究開(kāi)發(fā)了乙酰乳酸合成酶抑制劑——磺酰脲類和咪唑啉酮類除草劑，由于該類除草劑每畝（1畝≈666.7m2）僅用0.5～2g有效成分，加上它們對(duì)高等動(dòng)物的安全性高，因而此類除草劑躋身于超高效的行列。在除草劑使用方面，隨著耕作制度改革和農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，除草劑的需求量在逐年上升。

除草劑與其他農(nóng)藥一樣，由于高頻率地重復(fù)使用，也會(huì)伴隨產(chǎn)生許多不利的影響，諸如除草劑對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)當(dāng)茬或后茬作物的藥害，除草劑在作物中的殘留以及雜草對(duì)除草劑的抗藥性等。其中抗藥性雜草種群的蔓延，會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)潛在的威脅。因此，在推廣使用除草劑的同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)如何合理使用除草劑的宣傳，提高廣大農(nóng)村技術(shù)人員、農(nóng)民科學(xué)使用除草劑的水平。

一、除草劑的主要類型

要科學(xué)施用除草劑，就必須掌握除草劑的作用原理，掌握除草劑的分類和常見(jiàn)品種的使用方法。除草劑可以按作用方式、在植物體內(nèi)的輸導(dǎo)性、使用方法和化學(xué)結(jié)構(gòu)等分類。按作用方式可分為選擇性除草劑和滅生性除草劑；按在植物體內(nèi)輸導(dǎo)性可分為輸導(dǎo)型除草劑和觸殺型除草劑；按使用方法可分為土壤處理劑與莖葉處理劑。本節(jié)主要按除草劑化學(xué)結(jié)構(gòu)分類。

（一）苯氧羧酸類

首次發(fā)現(xiàn)具有植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)和除草活性的化合物為2，4-二氯苯氧乙酸即2，4-D，隨后開(kāi)發(fā)出2，4，5-涕，2甲4氯，2，4-D的丙酸和丁酸，2，4-D鈉鹽、鉀鹽、銨鹽、二甲胺鹽等，酯類品種2，4-D甲酯、乙酯、丁酯等。

苯氧羧酸類除草劑的基本特性：①由于酸不易溶于水和常見(jiàn)的有機(jī)溶劑，生產(chǎn)上多應(yīng)用其鹽或酯；②苯氧羧酸類為選擇性輸導(dǎo)型除草劑，多數(shù)品種具有較高的莖葉處理活性，并兼具土壤封閉效果；③該類除草劑的作用機(jī)理為干擾植物的激素平衡，使受害植物扭曲、腫脹、發(fā)育畸形等，最終導(dǎo)致死亡；④主要用于水稻、玉米、小麥、甘蔗、苜蓿等作物田防除一年生、多年生闊葉雜草和部分莎草科雜草。

代表品種有：2，4-D、2，4-D鈉鹽、2，4-D二甲胺鹽、2，4-D丁酯、2，4-D異丁酯，2甲4氯（MCPA）。

（二）芳氧苯氧基丙酸酯類

將2，4-D結(jié)構(gòu)中的苯基以二苯醚替換后所得化合物為禾草靈（diclofop-methyl），該化合物不具植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)活性，僅對(duì)禾本科雜草有效，而對(duì)闊葉雜草無(wú)效。以禾草靈為先導(dǎo)化合物，開(kāi)發(fā)出系列芳氧苯氧基丙酸酯類除草劑。

芳氧苯氧基丙酸酯類除草劑的共同特點(diǎn)：①以莖葉處理為主，表現(xiàn)出很強(qiáng)的莖葉吸收活性；②多用于闊葉作物田，少數(shù)品種可用于水稻和高粱田；③用來(lái)防除一年生和多年生禾本科雜草；④均具有輸導(dǎo)性；⑤該類化合物在丙酸部位具有手性碳，因而具有同分異構(gòu)體——R體、S體，其中R體為活性體；⑥為脂肪酸合成抑制劑，其靶標(biāo)酶為乙酰輔酶A羧化酶；⑦對(duì)哺乳類動(dòng)物低毒；⑧多數(shù)品種環(huán)境降解較快。

代表品種有：精喹禾靈（quizalofop-p-ethyl），高效氟吡甲禾靈（haloxyfop-p-methyl）、精吡氟禾草靈（fluazifop-p-butyl）。

（三）二硝基苯胺類

第一個(gè)二硝基苯胺類除草劑氟樂(lè)靈問(wèn)世，以后相繼出現(xiàn)了許多新品種。二硝基苯胺類除草劑有以下特點(diǎn)：①均為選擇性觸殺型土壤處理劑，在播種前或播后苗前應(yīng)用；②殺草譜廣，對(duì)一年生禾本科雜草高效，同時(shí)還可以防除部分一年生闊葉雜草；③易于揮發(fā)和光解，尤其是氟樂(lè)靈；④土壤中半衰期2～3個(gè)月，對(duì)大多數(shù)后茬作物安全；⑤水溶性低并易被土壤吸附，在土壤中不易移動(dòng)，不易污染水源；⑥對(duì)人、畜低毒，使用安全。

代表品種：氟樂(lè)靈（trifluralin）、二甲戊樂(lè)靈（pendimethalin）、仲丁靈（butralin）。

（四）三氮苯類

三氮苯類除草劑屬于氮雜環(huán)衍生物。目前開(kāi)發(fā)出的這類藥劑絕大多數(shù)是均三氮苯類，較重要的非均三氮苯類僅有嗪草酮一種。

三氮苯類除草劑可以分為“津”“凈”和“通”三個(gè)系統(tǒng)。即分子中取代基（X）為氯原子（—Cl）稱為“津”類，為甲硫基（—SCH3）稱為“凈”類，為甲氧基（—OCH3）稱為“通”類。

三氮苯類除草劑的通性：①水溶性非常低，多數(shù)不易在有機(jī)溶劑中溶解。多數(shù)三氮苯類除草劑的性質(zhì)穩(wěn)定，具有較長(zhǎng)的持效期；②選擇性輸導(dǎo)型土壤處理劑，易經(jīng)植物根部吸收，并隨蒸騰流向上轉(zhuǎn)移至地上部分，轉(zhuǎn)移僅限制在質(zhì)外體系中；③作用機(jī)制是抑制植物光合作用中的電子傳遞，雜草中毒癥狀，首先是在葉片尖端和邊緣產(chǎn)生失綠，進(jìn)而擴(kuò)及葉片，終致全株枯死；④在土壤中有較強(qiáng)的吸附性，通常在土壤中不會(huì)過(guò)度淋溶，因此，對(duì)有些敏感作物也能利用土壤位差，達(dá)到安全施藥的目的；⑤三氮苯類雖存在持效長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但有時(shí)會(huì)對(duì)后茬敏感作物產(chǎn)生影響。

主要品種有：莠去津（atrazine）、撲草凈（prometryn）。

（五）酰胺類

酰胺類除草劑中目前應(yīng)用較為廣泛的是N-苯基氯乙酰胺類。

酰胺類除草劑的特點(diǎn)：①都是選擇性輸導(dǎo)型除草劑；②廣泛應(yīng)用的絕大多數(shù)品種為土壤處理劑，部分品種只能進(jìn)行莖葉處理；③幾乎所有品種都是防除一年生禾本科雜草的除草劑，對(duì)闊葉雜草防效較差；④作用機(jī)制主要是抑制發(fā)芽種子α-淀粉酶及蛋白酶的活性；⑤土壤中持效期較短，一般為1～3個(gè)月；⑥在植物體內(nèi)降解速度較快；⑦對(duì)高等動(dòng)物毒性低。

代表品種：乙草胺（acetochlor）、異丙甲草胺（metolachlor）、丁草胺（butachlor）、甲草胺（alachlor）、丙草胺（pretilachlor）、敵草胺（napropamide）、異丙草胺（propisochlor）、苯噻酰草胺（mefenacet）、吡氟酰草胺（diflufenican）。

（六）二苯醚類

二苯醚類除草劑常用品種為對(duì)-硝基二苯醚，在這一類中鄰位取代的品種占重要地位，它們具有光活化機(jī)制，目前生產(chǎn)中應(yīng)用的都是此類除草劑。

常用二苯醚類除草劑的特點(diǎn)：①多數(shù)品種為觸殺型除草劑，可以被植物吸收，但傳導(dǎo)性差；②鄰位置換二苯醚除草劑的作用機(jī)制是抑制葉綠素的合成或破壞脂膜，其靶標(biāo)酶為原卟啉原氧化酶（protox）；③防除一年生雜草和種子繁殖的多年生雜草，多數(shù)品種防除闊葉雜草的效果優(yōu)于防除禾本科雜草；④對(duì)高等動(dòng)物低毒。

主要品種：氟磺胺草醚（fomesafen）、乙羧氟草醚（fluoroglycofen-ethyl）、三氟羧草醚（acifluorfen sodium）、乙氧氟草醚（oxyfluorfen）、乳氟禾草靈（lactofen）。

（七）磺酰脲類

磺酰脲類除草劑的模式結(jié)構(gòu)包括三部分：芳環(huán)、脲橋與雜環(huán)，每一部分的分子結(jié)構(gòu)與除草活性都有關(guān)，試驗(yàn)證明，高活性化合物的結(jié)構(gòu)必備條件是：芳環(huán)-脲橋-雜環(huán)。

磺酰脲類除草劑的共同特點(diǎn)：①活性高，用量極低，每畝使用劑量在0.5～3g有效成分；②殺草譜廣，所有品種都能防除闊葉雜草，部分品種還可防除禾本科或莎草科雜草；③選擇性強(qiáng)，對(duì)作物相對(duì)安全；④使用方便，多數(shù)品種既可進(jìn)行土壤處理，也可進(jìn)行莖葉處理；⑤植物根、莖葉都能吸收，并可迅速傳導(dǎo)；⑥作用機(jī)制為抑制乙酰乳酸合成酶（ALS）或乙酰羥基丁酸合成酶（AHAS），阻礙支鏈氨基酸的合成，該類除草劑通常稱為乙酰乳酸合成酶抑制劑；⑦一些品種土壤殘留較長(zhǎng)，影響下茬作物；⑧對(duì)人、畜毒性極低。

主要品種：氯磺隆（chlorsulfuron）、苯磺?。╰ribenuron-methyl）、芐嘧磺?。╞ensulfuron-methyl）、煙嘧磺?。╪icosulfuron）等。

（八）氨基甲酸酯類

氨基甲酸酯類除草劑的作用機(jī)理還不太清楚，可能與抑制脂肪酸、脂類、蛋白質(zhì)、類異戊二烯、類黃酮的生物合成有關(guān)。雜草和作物間對(duì)此類除草劑的降解代謝或軛合作用的差異是其選擇性的主要原因，位差、吸收與傳導(dǎo)的差異也是此類除草劑選擇性的原因之一。

此類除草劑主要用作土壤處理劑，在播前或播后苗前施用。但禾草敵在稗草3葉期前均可施用。硫代氨基甲酸酯類除草劑的揮發(fā)性強(qiáng)，為了保證藥效，旱地施用的除草劑需混土。

主要品種：禾草丹（thiobencarb）、甜菜寧（phenmedipham）、哌草丹（dimepiperate）、禾草特（molinate）。

（九）有機(jī)磷類

第一個(gè)有機(jī)磷除草劑為伐草磷（2，4-DEP，falone），隨后相繼研制出一些用于旱田作物、蔬菜、水稻及非耕地的品種如草甘膦、草丁膦、調(diào)節(jié)磷、莎稗磷、胺草磷、哌草磷、抑草磷、丙草磷、雙硫磷等除草劑。其中草甘膦成為世界上生產(chǎn)量和使用量最高的除草劑品種之一。

主要品種：草甘膦（glyphosate）、雙丙氨膦（bilanafos）、草銨膦（glufosinate-ammonium）、莎稗磷（anilofos）。

（十）咪唑啉酮類

咪唑啉酮類除草劑具有殺草譜廣、選擇性強(qiáng)、活性高等優(yōu)點(diǎn)。咪唑啉酮類化合物是繼磺酰脲類后的第二個(gè)超高活性的除草劑，它既能防除一年生禾本科與闊葉雜草，也能防除多年生雜草，其作用機(jī)理是抑制植物體內(nèi)乙酰乳酸合成酶和乙酰羥基丁酸合成酶的活性。

主要品種：咪唑乙煙酸（imazethapyr）、甲氧咪草煙（imazamox）。

（十一）磺酰胺類

磺酰胺類除草劑是一類新的乙酰乳酸合成酶抑制劑，其主要結(jié)構(gòu)形式是三唑并嘧啶磺酰胺，現(xiàn)有六個(gè)品種，均為含氟的旱田除草劑，包括唑嘧磺草胺、甲氧磺草胺、氯酯磺草胺、雙氯磺草胺、雙氟磺草胺和五氟磺草胺。

主要品種：唑嘧磺草胺（flumetsulam）。

（十二）嘧啶水楊酸類

嘧啶水楊酸類除草劑是又一類新的乙酰乳酸合成酶抑制劑，可以防除水稻田和旱作物地雜草?，F(xiàn)有五個(gè)品種：嘧草硫醚、嘧草醚、雙草醚、嘧啶肟草醚和環(huán)酯草醚。

主要品種：嘧啶肟草醚（pyribenzoxim）、雙草醚（bispyribac-sodium）。

（十三）環(huán)己烯酮類

環(huán)己烯酮類除草劑是選擇性內(nèi)吸傳導(dǎo)型莖葉處理劑。已有一些品種實(shí)現(xiàn)商品化，如禾草滅、烯禾啶、cloproxydim、噻草酮、烯草酮、苯草酮、丁苯草酮、吡喃草酮和環(huán)苯草酮，除環(huán)苯草酮為水田除草劑外，其他均為旱田除草劑。吡喃草酮用于防除油菜、大豆田的禾本科雜草。

環(huán)己烯酮類除草劑在結(jié)構(gòu)上同芳氧苯氧基丙酸酯類除草劑完全不同，但其作用機(jī)制一樣，都是乙酰輔酶A羧化酶（ACCase）抑制劑，用于闊葉作物苗后防除一年生或多年生禾本科雜草，田間癥狀為雜草葉片黃化，停止生長(zhǎng)，幾天后，枝尖、葉和根分生組織相繼壞死。

主要品種：烯禾啶（sethoxydim）、烯草酮（clethodim）。

（十四）取代脲類

發(fā)現(xiàn)滅草隆的除草作用后，相繼開(kāi)發(fā)出一系列的鹵代苯基脲和含氟脲類除草劑，其中除草劑一號(hào)、敵草隆、綠麥隆、殺草隆、異丙隆等品種，在化學(xué)除草方面中發(fā)揮了重要的作用。

主要品種：敵草隆（diuron）、綠麥?。╟hlorotoluron）。

（十五）環(huán)狀亞胺類

環(huán)狀亞胺類除草劑為原卟啉原氧化酶抑制劑，是一種觸殺型除草劑，可被迅速吸收到敏感植物或雜草組織中，使原卟啉原Ⅺ在植物細(xì)胞中逐漸累積而發(fā)揮藥效，使植株迅速壞死，或在陽(yáng)光照射下使莖葉脫水干枯而死。對(duì)后茬作物無(wú)影響。

主要品種：草酮（oxadiazon）、氟烯草酸（flumiclorac-pentyl）。

（十六）三酮類

三酮類除草劑是一類對(duì)羥基苯丙酮酸酯雙氧化酶（HPPD）抑制劑，可分為三類：吡唑類、三酮類和異唑類，其作用特點(diǎn)是具有廣譜除草活性，苗前和苗后都可使用。其中磺草酮能有效防除玉米多種闊葉雜草和禾本科雜草。甲基磺草酮主要用于防除玉米田雜草如蒼耳等。對(duì)磺酰脲除草劑產(chǎn)生抗性的雜草有效。雙環(huán)磺草酮是由SDS生物技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的新品種。

主要品種：磺草酮（sulcotrione）、甲基磺草酮（mesotrion）。

（十七）有機(jī)雜環(huán)類

1.滅草松

滅草松（bentazone）是選擇性觸殺型苗后處理劑。主要用于水稻、大豆、花生、禾谷類作物田，防除莎草科和闊葉雜草，如矮慈姑、荸薺、鴨舌草、節(jié)節(jié)菜、異型莎草、三棱草、蒼草、馬齒莧、薺菜、繁縷、曼陀羅、苘麻、豚草、莎草及蓼等。為低毒除草劑。

2.二氯喹啉酸

二氯喹啉酸（quinclorac）是內(nèi)吸傳導(dǎo)型選擇性苗后除草劑。主要用于水稻秧田、直播田和移栽田特效殺除稗草。可殺死1～7 葉期的稗草，對(duì)4～7葉期的高齡稗草藥效突出，還能有效地防除鴨舌草、水芹、田皂角，但對(duì)莎草科雜草效果差。由于該品種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在水體和土壤中不易降解，將對(duì)后茬作物產(chǎn)生藥害。

3.異草酮

異草酮（clomazone）是內(nèi)吸傳導(dǎo)型選擇性滅芽除草劑。可防除稗草、狗尾草、馬唐、金狗尾草、龍葵、香薷、水棘針、馬齒莧、苘麻、野西瓜苗、藜、蓼、蒼耳、狼巴草等一年生禾本科雜草和闊葉雜草，對(duì)多年生雜草小薊、大薊、苣荬菜、問(wèn)荊有一定抑制作用。

4.草除靈

草除靈（benazolin-ethyl）是選擇性內(nèi)吸傳導(dǎo)型芽后處理除草劑。主要用于油菜、麥類、苜蓿等作物防除一年生闊葉雜草如繁縷、牛繁縷、雀舌草、莧、豬殃殃等。

二、除草劑的作用機(jī)理

（一）作用機(jī)理分類

1.光合作用抑制劑及其機(jī)理

綠色植物是靠光合作用來(lái)獲得養(yǎng)分的，光合作用是植物體內(nèi)各種生理生化活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是植物特有的生理機(jī)制。生物界活動(dòng)所消耗的物質(zhì)和能量主要是由光合作用來(lái)積累的，所有動(dòng)植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及生存所必需的復(fù)雜分子，都來(lái)源于光合作用的產(chǎn)物及環(huán)境中的微生物。光合作用在溫血?jiǎng)游矬w內(nèi)并不發(fā)生，因此抑制光合作用的除草劑對(duì)溫血?jiǎng)游锏亩拘院艿汀９夂献饔檬蔷G色植物利用光能將所吸收的二氧化碳同化為有機(jī)物并釋放出氧的過(guò)程，植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，可將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能：

這一反應(yīng)過(guò)程是由一系列復(fù)雜的生物物理及生物化學(xué)過(guò)程來(lái)完成的。一般把發(fā)生在葉綠體內(nèi)的光合作用分成光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩大階段。葉綠體內(nèi)的光合作用可分成下列幾個(gè)步驟：

① 葉綠體內(nèi)的色素（通常由葉綠素a及b所組成）被吸收的光量子所激活。

② 將貯藏在“激活了的色素”中的能量，在光系統(tǒng)Ⅰ及Ⅱ中經(jīng)過(guò)一系列的電子傳遞，轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，在水光解過(guò)程中，將氧化型輔酶Ⅱ（NADP+）還原成還原型輔酶Ⅱ（NADPH）。

與此反應(yīng)相偶聯(lián)的是ADP與無(wú)機(jī)磷酸鹽（Pi）形成ATP。

③ 將貯存在NADPH及ATP中的能量，消耗于后面不直接依賴光的反應(yīng)，即固定和還原二氧化碳的反應(yīng)——暗反應(yīng)中。

光系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ及各種電子載體（如質(zhì)體醌、細(xì)胞色素、質(zhì)體藍(lán)素、鐵氧化還原蛋白等）組成了電子傳遞鏈，它們將水光解所釋放出的電子傳遞給NADP+，每還原一分子NADP+為NADPH需要兩個(gè)電子，并同時(shí)形成ATP。ATP的合成包括在兩個(gè)光系統(tǒng)中，稱為非循環(huán)光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation）。近來(lái)的研究表明，每?jī)蓚€(gè)電子不是形成一分子ATP，而是約4/3分子ATP。相反，僅光系統(tǒng)Ⅰ是包含在循環(huán)的光合磷酸化過(guò)程中，這一過(guò)程也發(fā)生在光的影響下，但與開(kāi)鏈的電子傳遞系統(tǒng)無(wú)關(guān)。現(xiàn)已逐步弄清，光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心包含兩個(gè)同系的分子量為3.2×104和3.4×104的蛋白，分別稱為D1和D2多肽，它們?cè)谌~綠體的類囊體膜上分別與光系統(tǒng)Ⅱ系統(tǒng)中電子傳遞起重要作用的質(zhì)體醌QB和QA相結(jié)合，圖2-6為植物光合電子傳遞鏈及光合抑制劑作用位點(diǎn)。

（1）抑制光合電子傳遞　干擾光合作用的除草劑品種中大約70%是抑制光合電子傳遞。抑制光合電子傳遞的除草劑種類很多。

植物的光系統(tǒng)Ⅱ光合反應(yīng)中心，其核心蛋白（core protein）由兩個(gè)亞單位，即D1和D2組成，包含葉綠素、褐藻素、β-胡蘿卜素、非血紅素鐵及細(xì)胞色素b559；兩種質(zhì)醌QA和QB就結(jié)合在這一D1/D2復(fù)合體上。

水裂解系統(tǒng)提供的電子經(jīng)過(guò)一個(gè)電子受體Z、葉綠素二聚體（chlz）、葉綠素（chl）和褐藻素（pheo）傳遞到QA，然后經(jīng)Fe到QB，最后傳遞到質(zhì)體醌（PQ）。

QB一端和215位組氨酸（His215）結(jié)合，另一端和靠近262位酪氨酸（Tyr262）的羰基結(jié)合；QA一端和215位組氨酸（His215）結(jié)合，另一端則和靠近261位丙氨酸（Ala261）的酰胺基結(jié)合：Fe和4個(gè)組氨酸相連，從而將D1、D2兩個(gè)亞單位聯(lián)結(jié)成一個(gè)復(fù)合體，見(jiàn)圖2-7。

三嗪類、尿嘧啶類除草劑的作用機(jī)制就是競(jìng)爭(zhēng)性地占領(lǐng)了在D1蛋白上QB的“結(jié)合龕”（bing niche），即QB的天然配體，見(jiàn)圖2-8。除草劑占領(lǐng)該天然配體后，QB即失去這種配體，其電子傳遞功能喪失，從而阻礙了電子從QA→QB→PQ的傳遞。

除草劑疊氮三嗪（azido-triazine）和QB的“結(jié)合龕”結(jié)合如圖2-9。疊氮三嗪含烷基的側(cè)鏈朝向第264位絲氨酸的氨基酸片段，側(cè)鏈上與N相連的H可能和絲氨酸OH形成橋鍵，而疊氮?jiǎng)t朝向跨膜螺旋Ⅳ上第214位甲硫氨酸（Met214）。

三嗪類除草劑特丁凈（terbutryn）在QB“結(jié)合龕”上結(jié)合的模式如圖2-10。特丁凈以2～3個(gè)橋鍵和蛋白相聯(lián)結(jié)；223位絲氨酸OH和三嗪環(huán)乙基側(cè)鏈N相連的H組成“橋”，靠近224位異亮氨酸（Ile224）的N上的H和三嗪環(huán)的N組成“橋”。

取代脲類除草劑（如敵草?。┑慕Y(jié)合位點(diǎn)也在這個(gè)由葉綠體基因編碼的D1蛋白上，但不是三嗪類除草劑的結(jié)合位點(diǎn)。已有研究指出，在D1/D2蛋白復(fù)合體上，電子從QA到QB的傳遞還必須有低濃度的HC離子的參與，在D1蛋白上亦有HC結(jié)合位點(diǎn)，可能位于敵草隆結(jié)合位點(diǎn)下面，而被敵草隆結(jié)合位點(diǎn)所覆蓋。取代脲類除草劑和D1蛋白上的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合后，改變了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而阻礙了HC和其結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合，結(jié)果影響電子從QA→QB的傳遞。

（2）攔截傳遞到NADP+的電子　 敵草快、百草枯（基于毒性問(wèn)題，已限制使用）這類聯(lián)吡啶類除草劑具有－450mV和－350mV的氧還電勢(shì)，可以作用于光系統(tǒng)Ⅰ，攔截從X到Fd的電子，使電子流徹底脫離電子傳遞鏈，從而導(dǎo)致NADP+還原中止，破壞了同化力的形成，見(jiàn)圖2-11。此外，聯(lián)吡啶類陽(yáng)離子在攔截電子后就被還原成相應(yīng)的自由基。在氧參與下，自由基被氧化成初始離子，這個(gè)初始離子又參與反應(yīng)，形成一系列氧的活化產(chǎn)物。

這些氧的活化產(chǎn)物同樣是植物毒劑，導(dǎo)致類囊體膜中不飽和脂肪酸的過(guò)氧化。葉綠體的內(nèi)囊體膜脂類化合物中含大約90%的不飽和脂肪酸，主要是亞麻酸和亞油酸，其功能是保持膜的流動(dòng)性。上述除草劑作用產(chǎn)生的單態(tài)氧在脂質(zhì)膜中不能快速除去，將和亞麻酸和亞油酸相互作用，從而導(dǎo)致過(guò)氧酸的形成，脂肪酸過(guò)氧化物接著又被還原，進(jìn)一步通過(guò)碳鏈斷裂，產(chǎn)生醛及短鏈的烷烴。按照這種方式，亞麻酸將產(chǎn)生乙烷，亞油酸將產(chǎn)生戊烷。此外，單態(tài)氧也能和其他富含未共用電子的分子反應(yīng)，如和組氨酸、甲硫氨酸等氨基酸反應(yīng)，而且單態(tài)氧的反應(yīng)也不僅限脂類，亦可擴(kuò)大到蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸及色素等。

（3）光系統(tǒng)Ⅱ作為除草劑的靶標(biāo)　在抑制光合作用除草劑種類中，最明顯的是三氮苯類（如莠去津、西瑪津）和取代脲類（如敵草隆、滅草?。?，它們通過(guò)結(jié)合D1蛋白上的質(zhì)體醌PQ抑制光合作用電子鏈的傳遞。D1蛋白是光系統(tǒng)Ⅱ中心復(fù)合體的一種重要蛋白。位于D2蛋白上的電子供應(yīng)體QA把電子傳遞給PQ，PQ再把電子傳遞給位于D2蛋白上的細(xì)胞色素b6f復(fù)合體，PQ被抑制使這個(gè)過(guò)程被抑制。這種電子傳遞的抑制通常是通過(guò)測(cè)定除草劑的氧化效應(yīng)而得知的。

電子傳遞鏈的抑制有兩方面的影響：第一，NADP+的量減少，CO2的固定受阻。第二，更重要的是中斷光合作用暗反應(yīng)，光系統(tǒng)Ⅱ的電子能量不能轉(zhuǎn)化為底物，不能降低能量，導(dǎo)致氧自由基的大量積累，引起葉綠素的光氧化，產(chǎn)生不飽和的脂以及破壞分子結(jié)構(gòu)。另外，除草劑結(jié)合到D1蛋白上阻止它的快速變構(gòu)，這可能會(huì)加大各種自由基帶來(lái)的破壞效應(yīng)。

通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)可以證明除草劑結(jié)合在D1蛋白上的位點(diǎn)。D1蛋白的分子質(zhì)量是32kDa，psbA基因已經(jīng)找出并被測(cè)序，親水性表明它們是類囊體膜蛋白。光親和標(biāo)記技術(shù)表明PQ和除草劑競(jìng)爭(zhēng)D1蛋白上的同一個(gè)位點(diǎn)，D1蛋白上位于類囊體腔的一側(cè)。X-射線晶體衍射檢測(cè)出來(lái)腸道細(xì)菌光系統(tǒng)Ⅱ中心復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)，它是一種模式結(jié)構(gòu)。通過(guò)高等植物的自然突變體、細(xì)菌自然突變體、光合藻類自然突變體，利用定點(diǎn)突變技術(shù)，可以從分子水平上詳細(xì)分析除草劑的結(jié)合點(diǎn)和除草劑的抗性。結(jié)果表明光系統(tǒng)Ⅱ結(jié)合位點(diǎn)是除草劑最具代表性的結(jié)合位點(diǎn)，也是植物異生物質(zhì)最具代表性的結(jié)合位點(diǎn)。

2.干擾呼吸作用與能量代謝

呼吸作用是碳水化合物等基質(zhì)通過(guò)糖酵解和三羧酸循環(huán)的一系列酶的催化而進(jìn)行的有機(jī)酸氧化過(guò)程，并通過(guò)氧化磷酸化反應(yīng)將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槿姿嵯佘眨ˋTP），以供生命活動(dòng)的需要。

植物在呼吸作用過(guò)程中，氧化作用和磷酸化作用是兩個(gè)相互聯(lián)系又同時(shí)進(jìn)行的不同過(guò)程，此過(guò)程為偶聯(lián)反應(yīng)。凡是破壞這個(gè)過(guò)程的物質(zhì)稱為解偶聯(lián)劑。植物的呼吸作用是在細(xì)胞的線粒體中進(jìn)行的，除草劑可以改變線粒體的機(jī)能，包括對(duì)ATP合成的解偶聯(lián)反應(yīng)和干擾電子傳遞等兩個(gè)方面。如五氯酚鈉、地樂(lè)酚、敵稗和苯氧羧酸等除草劑都是解偶聯(lián)劑，干擾呼吸作用。植物在這些藥劑的作用下，體內(nèi)貯存的能量ATP不斷地用于植物生長(zhǎng)、生化反應(yīng)及養(yǎng)分的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)，變成ADP，隨著ADP濃度的增加，植物的呼吸作用加速。另外，呼吸所釋放的能量，不能用于ADP的氧化磷酸化，因而，中斷了ATP的形成，使植物體中ATP的濃度降低，其結(jié)果是呼吸作用成為一種無(wú)用的消耗，造成植物能量的虧缺，使植物體內(nèi)各種生理、生化過(guò)程無(wú)法進(jìn)行，從而導(dǎo)致植物死亡。

例如，均三氮苯類除草劑抑制植物的呼吸作用，特別是提高濃度就能顯著抑制呼吸過(guò)程中氧的吸收和CO2的釋放，從而大大降低了呼吸系數(shù)，造成呼吸過(guò)程的紊亂。

均三氮苯類除草劑干擾光合作用中希爾反應(yīng)中氧釋放時(shí)的能量傳遞，進(jìn)而影響NADP的還原作用和ATP的形成。

3.抑制光合色素合成

高等植物葉綠體內(nèi)的色素主要是葉綠素（包括葉綠素a和葉綠素b）和類胡蘿卜素。類胡蘿卜素包括胡蘿卜素和葉黃素，后者是前者的衍生物。胡蘿卜素和葉黃素都是脂溶性色素，與脂類結(jié)合，被束縛在葉綠體片層結(jié)構(gòu)的同一蛋白質(zhì)中。光合作用中光能的吸收與傳遞及光化反應(yīng)和電子傳遞過(guò)程均在這里進(jìn)行，因此，抑制色素的合成將抑制光合作用。

（1）抑制類胡蘿卜素的合成　類胡蘿卜素大量存在于類囊體膜上，靠近集光葉綠素及光反應(yīng)中心，其主要功能是保護(hù)葉綠素，防止其受光氧化而遭到破壞。類胡蘿卜素生成酶系包括合成酶（synthase）、脫飽和酶（desaturase）和環(huán)化酶（cyclase）。這些酶系主要分布在葉綠體被膜，而在類囊體膜中則少有分布。去飽和酶的催化作用需要分子氧的參與。去飽和作用可能是由羥基化（hydroxylation）引起的，但單加氧酶（羥化酶）是否參與反應(yīng)尚未證實(shí)。羥基化后再脫去一個(gè)水分子，雙鍵就形成。類胡蘿卜素的生物合成途徑如圖2-12，類胡蘿卜素生物合成過(guò)程中除草劑的主要靶標(biāo)是去飽和酶。噠嗪酮類、氟啶酮、苯氧基苯酰胺主要是抑制了八氫番茄紅素去飽和酶，導(dǎo)致八氫番茄紅素積累；氟草敏、嘧啶類可抑制六番茄紅素去飽和酶活性。

由于類胡蘿卜素合成被抑制，導(dǎo)致失去葉綠素保護(hù)色素，而出現(xiàn)失綠現(xiàn)象。

（2）抑制葉綠素合成　二苯醚類除草劑（如除草醚）和環(huán)亞胺類除草劑（如草靈）都是過(guò)氧化型除草劑。用這些除草劑處理植物后往往顯示以下的特點(diǎn)：①阻礙葉綠素的合成；②色素在光照中被分解，即所謂“漂白”作用；③在光照中形成乙烷及其他短鏈烷烴化合物；④葉綠素光合成中的關(guān)鍵酶——原卟啉原氧化酶被抑制；⑤植物中原卟啉Ⅸ積累。

因此，原卟啉原氧化酶是這兩類除草劑作用的第一靶標(biāo)。原卟啉原氧化酶被抑制后，原卟啉原Ⅸ不能被氧化成原卟啉Ⅸ，并在鎂螯合酶和鐵螯合酶作用下分別生成葉綠素和血紅素，造成原卟啉原Ⅸ瞬間積累，漏出并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，并在除草劑誘導(dǎo)的氧化因素作用下氧化成原卟啉Ⅸ（PPⅨ），PPⅨ進(jìn)一步被轉(zhuǎn)換為一個(gè)代謝物（590FP）見(jiàn)圖2-13。590FP在細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生高活性氧，從而引起細(xì)胞組分的過(guò)氧化降解，植物枯死。

4.抑制氨基酸、核酸和蛋白質(zhì)的合成

氨基酸是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)及其他含氮有機(jī)物合成的重要物質(zhì)，氨基酸合成的受阻將導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成的停止。蛋白質(zhì)與核酸是細(xì)胞核與各種細(xì)胞器的主要成分。因此，對(duì)氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸代謝的抑制，將嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)、發(fā)育，造成植物死亡。

（1）抑制氨基酸的生物合成　目前已開(kāi)發(fā)并商品化的抑制氨基酸合成的除草劑有：有機(jī)磷類、磺酰脲類、咪唑啉酮類、磺酰胺類和嘧啶水楊酸類等。在上述這些類別中，除含磷除草劑外，其他均為抑制支鏈氨基酸生物合成的除草劑。

①含磷除草劑對(duì)氨基酸的抑制作用。目前常用的含磷除草劑有草甘膦、草銨膦和雙丙氨膦。草甘膦的作用部位是抑制莽草酸途徑中的5-烯醇丙酮酸基莽草酸-3-磷酸酯合酶（5-enolpyruvylshikimic acid-3-phosphate synthase，EPSPS），使苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等芳香族氨基酸生物合成受阻。草銨膦和雙丙氨膦則抑制谷氨酰胺的合成，其靶標(biāo)酶為谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）。

② 抑制支鏈氨基酸的合成。植物體內(nèi)合成的支鏈氨基酸為亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，其合成開(kāi)始階段的重要酶為乙酰乳酸合成酶（acetolactate synthetase，ALS），其可將2分子的丙酮酸或1分子丙酮酸與α-丁酮酸催化縮合，生成乙酰乳酸或乙酰羥基丁酸?；酋ｋ孱悺⑦溥蜻悺⒒酋０奉?、嘧啶水楊酸類等除草劑的作用靶標(biāo)酶為ALS，見(jiàn)圖2-14。靶標(biāo)ALS抑制劑是目前開(kāi)發(fā)最活躍的領(lǐng)域之一。

另外，殺草強(qiáng)為雜環(huán)類滅生性除草劑，它通過(guò)抑制咪唑甘油磷酸脫水酶（IGPD）而阻礙組氨酸的合成。

綜上所述，植物體內(nèi)氨基酸合成受相應(yīng)酶的調(diào)節(jié)控制，而各種氨基酸合成抑制劑則正是通過(guò)控制這種不同階段的酶以發(fā)揮其除草效應(yīng)的。氨基酸合成抑制劑抑制植物氨基酸合成的作用位點(diǎn)見(jiàn)圖2-15。

（2）干擾核酸和蛋白質(zhì)的合成　除草劑抑制核酸和蛋白質(zhì)的合成主要是間接性的，直接抑制蛋白質(zhì)和核酸合成的報(bào)道很少。已知干擾核酸、蛋白質(zhì)合成的除草劑幾乎包括了所有重要除草劑的類別。例如，苯甲酸類、氨基甲酸酯類、酰胺類、二硝基酚類、二硝基苯胺類、鹵代苯腈、苯氧羧酸類與三氮苯類等。試驗(yàn)證明，很多抑制核酸和蛋白質(zhì)合成的除草劑干擾氧化與光合磷酸化作用。通常除草劑抑制RNA與蛋白質(zhì)合成的程度與降低植物組織中ATP的濃度存在相關(guān)性。因此，多數(shù)除草劑干擾核酸和蛋白質(zhì)合成被認(rèn)為不是主要機(jī)制，而是抑制ATP產(chǎn)生的結(jié)果?；酋ｋ孱惓輨┦峭ㄟ^(guò)抑制支鏈氨基酸的合成而影響核酸和蛋白質(zhì)的合成，并證明氯磺隆能抑制玉米根部DNA的合成。目前尚未有商品化的除草劑是直接作用于核酸和蛋白質(zhì)的合成。

5.抑制脂類的合成

類脂包括脂肪酸、磷酸甘油酯與蠟質(zhì)等。它們分別是組成細(xì)胞膜、細(xì)胞器膜與植物角質(zhì)層的重要成分。脂肪酸是各種復(fù)合脂類的基本結(jié)構(gòu)成分。如磷酸甘油酯是脂肪酸與磷脂酸的復(fù)合體。因此，除草劑抑制脂肪酸的合成，也就抑制了脂類合成，最終造成細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)膜或蠟質(zhì)生成受阻。

目前，已知芳氧苯氧基丙酸酯類、環(huán)己烯酮類和硫代氨基甲酸酯類除草劑是抑制脂肪酸合成的重要除草劑。芳氧苯氧基丙酸酯類和環(huán)己烯酮類除草劑的靶標(biāo)酶為乙酰輔酶A羧化酶（ACCase），它是催化脂肪酸合成中起始物質(zhì)乙酰輔酶A生成丙二酸單酰輔酶A的酶，見(jiàn)下式：

硫代氨基甲酸酯類除草劑是抑制長(zhǎng)鏈脂肪酸合成的除草劑，它是通過(guò)抑制脂肪酸鏈延長(zhǎng)酶系，而阻礙長(zhǎng)鏈脂肪酸的合成，見(jiàn)圖2-16。

6.干擾植物激素的平衡

激素是調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)、發(fā)育、開(kāi)花和結(jié)果的物質(zhì)，在植物的不同組織中都有適當(dāng)?shù)暮俊?/p>

激素類型的除草劑可以破壞植物生長(zhǎng)的平衡，當(dāng)?shù)蜐舛葧r(shí)對(duì)植物有刺激作用，高濃度則產(chǎn)生抑制作用。受害植物的組織可以表現(xiàn)刺激與抑制兩種癥狀，導(dǎo)致生長(zhǎng)畸形或扭曲，如2，4-D對(duì)雙子葉植物的毒害癥狀。

屬于激素型的除草劑種類很多，如苯氧羧酸類（2，4-D、2甲4氯）、苯甲酸類（麥草畏、豆科威）、毒莠定等。

7.抑制微管形成與組織發(fā)育

微管是存在于所有真核細(xì)胞中的絲狀亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。高等植物中，紡錘體微管是決定細(xì)胞分裂程度的功能性機(jī)構(gòu)，微管的組成與解體受細(xì)胞末端部位的微管機(jī)能中心控制，微管機(jī)能中心是一種細(xì)胞質(zhì)的電子密布區(qū)。由于除草劑類型與品種不同，它們對(duì)微管系統(tǒng)的抑制部位不同：①抑制細(xì)胞分裂的連續(xù)過(guò)程；②阻礙細(xì)胞壁或細(xì)胞板形成，造成細(xì)胞異常，產(chǎn)生雙核及多核細(xì)胞；③抑制細(xì)胞分裂前的準(zhǔn)備階段如G1與G2階段。二硝基苯胺類除草劑是抑制微管的典型代表，它們與微管蛋白結(jié)合并抑制微管蛋白的聚合作用，造成紡錘體微管喪失，使細(xì)胞有絲分裂停留于前期或中期，產(chǎn)生異常的多形核。由于細(xì)胞極性喪失，液泡形成增強(qiáng)，故在伸長(zhǎng)區(qū)進(jìn)行放射性膨脹，結(jié)果形成多核細(xì)胞，造成腫根。

8.抑制細(xì)胞分裂、伸長(zhǎng)和分化

除草劑對(duì)植物的抑制作用往往表現(xiàn)于植物形態(tài)的變化，如出現(xiàn)畸形或不正常的生長(zhǎng)發(fā)育等，其原因是除草劑抑制了細(xì)胞分裂、伸長(zhǎng)和分化。

例如，用2，4-D處理敏感性植物幼苗，用量極少時(shí)，具有與植物體內(nèi)天然生長(zhǎng)素吲哚乙酸相似的作用，可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)；但當(dāng)用量較多，作為除草劑應(yīng)用時(shí)，植物的生長(zhǎng)就會(huì)迅速發(fā)生分化。分生組織細(xì)胞停止分裂，已經(jīng)伸長(zhǎng)的細(xì)胞停止長(zhǎng)度生長(zhǎng)，但繼續(xù)進(jìn)行輻射膨大，成熟的植株薄壁組織細(xì)胞膨大，迅速開(kāi)始分裂，并產(chǎn)生愈傷組織和膨大的根基，根停止伸長(zhǎng)，被阻塞，停止輸導(dǎo)，根尖膨大。幼齡葉片停止膨大，組織過(guò)度發(fā)育，根喪失吸收水分與無(wú)機(jī)鹽能力，最終導(dǎo)致植物株死亡。

二硝基苯胺類和氨基甲酸酯類除草劑造成植物死亡的原因之一，就是強(qiáng)烈地抑制了細(xì)胞的分裂。

除草劑對(duì)植物的干擾、破壞作用常常是幾種作用共同發(fā)生，有些是直接作用，也有些是間接作用。地樂(lè)酚、敵稗等是直接抑制RNA和蛋白質(zhì)的合成，同時(shí)也抑制呼吸作用和光合作用；二硝基苯胺類除草劑除直接干擾細(xì)胞有絲分裂、激素的形成與傳導(dǎo)外，還間接影響蛋白質(zhì)的合成。

因此，與病菌和害蟲對(duì)殺菌劑與殺蟲劑的抗性相比，雜草對(duì)除草劑的抗性難以產(chǎn)生。多年使用某種除草劑的農(nóng)田，只是被控制的敏感雜草逐漸減少，而該除草劑防除范圍之外的雜草卻得以發(fā)展。

（二）重要的靶標(biāo)酶及其抑制劑

1. 5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶及其抑制劑

（1）5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶（5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthetase，EPSP）　5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶（EC2.5.1.19）是莽草酸代謝途徑芳香氨基酸生物合成的一種酶。它存在于植物、微生物和真菌中。動(dòng)物缺乏這種酶的代謝途徑，它們從食物中獲取芳香基化合物，即芳香氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸）。莽草酸代謝的意義除合成芳香氨基酸外，并由這些化合物衍生次生代謝產(chǎn)物包括生長(zhǎng)素、植物抗毒素、生氰糖苷、維生素葉酸、木質(zhì)素和質(zhì)體醌的前體、合成類胡蘿卜素的原料和上百種類黃酮、苯酚和生物堿等。

酶結(jié)構(gòu)：酶單體大約為50000Da。對(duì)許多有機(jī)體的5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶氨基酸序列進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示，不同的植物之間具有高度的同源性。如牽?；ê婉R鈴薯的序列有93%的同源性，植物與E.coli有55%的同源性。該酶位于葉綠體內(nèi)。

通過(guò)X衍射測(cè)定5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶的結(jié)構(gòu)，酶的多肽鏈形成兩個(gè)接近相同的球狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)球狀結(jié)構(gòu)由三個(gè)很相似的折疊單位組成，每個(gè)折疊單位又是由兩個(gè)平行的螺旋和四條鏈的片層結(jié)構(gòu)組成。每個(gè)球狀結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)域）的三股螺旋埋在酶的內(nèi)部，三個(gè)螺旋的部分朝外。螺旋的定向使之帶有氨基酸末端接近兩個(gè)結(jié)構(gòu)的平板內(nèi)表面，使之形成一種螺旋大偶極效應(yīng)，導(dǎo)致積累正電荷，有利于負(fù)電荷底物到活性部位。

活性部位：用p-苯二甲醛和吡哆-5-磷酸氰基硼氫化鈉，可使5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶失活。如使22位賴氨酸點(diǎn)突變?yōu)楸彼峄蚬劝彼嵋部墒姑甘Щ?。若用精氨酸取代，則不改變酶動(dòng)力常數(shù)。說(shuō)明酶中的22位賴氨酸的陰離子電荷對(duì)于酶活性部位的重要性，22位賴氨酸可能是磷酸烯醇丙酮酸的結(jié)合部位。340位賴氨酸不與3-磷酸吡哆醛反應(yīng)，可與o-苯二甲醛反應(yīng)，加入5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸后可避免修飾作用，表明340位賴氨酸為5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸結(jié)合部位?；钚圆课话被徇€有28位精氨酸和418位的谷氨酸。

催化反應(yīng)的大致過(guò)程：

第一，磷酸烯醇丙酮酸C2親核攻擊莽草酸-3-磷酸（S3P）的5-OH，形成四面體中間體；

第二，中間體可重新與酶結(jié)合；

第三，催化形成產(chǎn)物5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸。

（2）5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶抑制劑　5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶抑制劑主要是該類酶代謝物的類似物。如磷酸烯醇丙酮酸（PEP）類似物，莽草酸三磷酸（S3P）類似物，5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸（EPSP），芳香基類似物，四面體中間體類似物，丙二酸酯等排物和草甘膦類似物。

（3）草甘膦作用機(jī)理　草甘膦，化學(xué)名稱為N-（膦羧甲基）甘氨酸。草甘膦為磷酸烯醇丙酮酸的氧碳離子形成的過(guò)渡態(tài)類似物，在與酶的結(jié)合中，為一種完全擴(kuò)展的構(gòu)型，邏輯上推測(cè)，由莽草酸三磷酸所引起的磷酸烯醇丙酮酸與草甘膦的結(jié)合，這種協(xié)同增效超過(guò)4000倍。原因是：莽草酸三磷酸與草甘膦復(fù)合體類似于四面體中間體，或過(guò)渡態(tài)B。草甘膦與5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸結(jié)合和5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶形成二元復(fù)合體，抑制了5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶的活性，造成體內(nèi)積累莽草酸。

植物致死的原因：①芳香氨基酸的耗盡，蛋白質(zhì)合成中斷，丟失基本的迅速周轉(zhuǎn)的蛋白質(zhì)；②生長(zhǎng)素合成前體耗盡，造成生長(zhǎng)與發(fā)育的失衡；③醌合成前體耗盡，造成類胡蘿卜素合成的失衡；④次生代謝產(chǎn)物的前體耗盡，造成木質(zhì)素、黃酮類、苯酚類和植物毒素的減少；⑤受抑制后莽草酸積累，造成進(jìn)一步的毒害作用。

2.乙酰羥酸合成酶及其抑制劑

1982年第一個(gè)乙酰羥酸合酶抑制劑氯磺隆商品化，1986年美國(guó)氰胺公司開(kāi)發(fā)了第一個(gè)咪草地喹，由于這兩種除草劑為常規(guī)除草劑用量的1/1000～1/100倍，這種超高效活性和它的極低毒性，使以乙酰羥酸合成酶為靶標(biāo)的除草劑，開(kāi)創(chuàng)了除草技術(shù)的新時(shí)代，即超高效時(shí)代。美國(guó)對(duì)發(fā)現(xiàn)咪唑啉酮類和磺酰脲類除草劑的Marins Los和 Geoge Levitt授予國(guó)家發(fā)明技術(shù)大獎(jiǎng)。至1994年統(tǒng)計(jì)，已有30多種乙酰羥酸合成酶抑制劑作為除草并已商品化。在我國(guó)試驗(yàn)登記已達(dá)20種，南開(kāi)大學(xué)元素所李正名院士創(chuàng)制的單嘧磺隆，使我國(guó)在除草劑的創(chuàng)制方面邁進(jìn)了世界領(lǐng)先水平。

（1）乙酰羥酸合成酶　乙酰羥酸合成酶（acetohydroxyacid synthase， AHAS， EC 4.1.3.18）是由細(xì)胞核編碼的葉綠體酶。它完成兩種平行反應(yīng)，第一，乙酰羥酸合成酶濃縮二分子的丙酮酸合成產(chǎn)生乙酰乳酸。稱之為乙酰乳酸合成酶，在反應(yīng)體系中最終可合成纈氨酸和亮氨酸。第二，乙酰羥酸合成酶催化一分子丙酮酸和一分子2-丁酮酸，產(chǎn)生乙酰羥丁酸，乙酰羥丁酸的終產(chǎn)物為異亮氨酸，纈氨酸和亮氨酸為支鏈氨基酸，這三種氨基酸對(duì)于動(dòng)物來(lái)說(shuō)是必需氨基酸，必須從食物中攝取。已知植物中這種酶具有二種不同的形式：四聚體（乙酰羥酸合成酶Ⅰ）和單聚體（乙酰羥酸合成酶 Ⅱ）。乙酰羥酸合成酶存在于植物所有部位，但它的活性在不同的植物的不同器官、不同的發(fā)育階段是不同的。一般植物分生組織的活性較高，而黃化部分活性降低。

抑制劑：主要由四大類組成，即磺酰脲、磺酰氨類、咪唑啉酮類、三唑嘧啶類等。

咪唑啉酮是乙酰羥酸合成酶非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，緊密地結(jié)合到酶-丙酮酸復(fù)合體上?；酋ｋ鍨楦?jìng)爭(zhēng)性抑制劑，結(jié)合到酶與丙酮酸或α-丁酮酸的位點(diǎn)。第一個(gè)丙酮酸與乙酰羥酸合成酶結(jié)合后，第二個(gè)丙酮酸與嘧磺隆競(jìng)爭(zhēng)。而咪唑啉酮與磺酰脲在酶的結(jié)合位點(diǎn)有重疊現(xiàn)象。

（2）植物毒性與生理效應(yīng)?、僦ф湴被岷铣芍兄?，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)合成造成植物發(fā)育受阻，還可引起一系列生理變化。②積累α-丁酮酸和α-氨酮酸：用氯磺隆處理的植物，在體內(nèi)積累α-氨酮酸達(dá)250倍，α-氨酮酸是α-丁酮酸的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。α-氨酮酸的積累可干擾根尖細(xì)胞的分裂，毒害機(jī)體，最終致植物死亡。

（3）其他的生理效應(yīng)　①抑制光合色素的運(yùn)轉(zhuǎn)；②花色素苷的積累；③抑制離子吸收；④抑制或刺激乙烯合成；⑤抑制呼吸作用；⑥抑制DNA合成；⑦苯丙氨酸氨裂合酶活性提高；⑧中性糖含量提高。

存在的問(wèn)題：①殘留時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)后茬作物的影響；②雜草易產(chǎn)生抗性，抗性速度是各類除草劑之首，并具交互抗性。

3.八氫番茄紅素脫氫酶（脫飽和酶）及其抑制劑

（1）八氫番茄紅素脫氫酶　在植物體內(nèi)是合成類胡蘿卜素的主要酶類。如β-胡蘿卜素合成是以異戊烯焦磷酸為前體，分為七大步驟合成而來(lái)。參加合成的關(guān)鍵性酶有：八氫番茄紅素合成酶、八氫番茄紅素脫氫酶、zeta-胡蘿卜素脫飽和酶、番茄紅素環(huán)化酶等。

合成反應(yīng)途徑見(jiàn)如下圖：

反應(yīng)變化：由八氫番茄紅素（phytoene）的3個(gè)共軛雙鍵到番茄紅素（lycopene）的11個(gè)共軛雙鍵。反應(yīng)由二分子的GGpp在八氫番茄紅素合成酶作用下合成1，5-順八氫番茄紅素。該化合物在八氫番茄紅素脫氫酶作用下合成六氫番茄紅素和zeta-胡蘿卜素。隨后在zeta-胡蘿卜素脫飽和酶作用下脫氫產(chǎn)生番茄紅素。最后在番茄紅素環(huán)化酶作用下產(chǎn)生beta-胡蘿卜素。

（2）類胡蘿卜素生理功能　類胡蘿卜素主要生理功能：第一是當(dāng)光照強(qiáng)度較弱的情況下作為輔助色素捕獲光能供葉綠素光合作用用，第二是光照強(qiáng)度太強(qiáng)可作為光敏反應(yīng)的保護(hù)劑，使葉綠素免遭光損傷。因?yàn)楣饪杉ぐl(fā)葉綠素分子形成活化狀態(tài)，三線態(tài)的葉綠素可特異地與氧分子作用，轉(zhuǎn)移能量給氧分子，使之形成單線態(tài)氧，單線態(tài)氧能氧化附近任何分子。此時(shí)的類胡蘿卜素能保護(hù)葉綠素免遭這種破壞過(guò)程。如類胡蘿卜素含量降低或被其他化合物抑制（除草劑）就失去保護(hù)性功能。結(jié)果是氧化降解葉綠素，破壞光合膜，導(dǎo)致葉片出現(xiàn)失綠，降低植物光合作用。

（3）抑制劑　許多除草劑是該酶的抑制劑，大多數(shù)含氟化合物。如氟草敏（norflurazon），氟啶草酮（fluridone），氟咯草酮（fluorochloridone），吡氟酰草胺（diflufenican）等。

（4）其他作用點(diǎn)的抑制劑　zeta-胡蘿卜素去飽和酶抑制劑：該酶受抑制后在體內(nèi)積累zeta-胡蘿卜素。抑制劑大多數(shù)為嘧啶類和二氫吡喃酮類，如殺草強(qiáng)。

番茄紅素環(huán)化酶抑制劑：如取代二乙胺類CPTA［2-（4-氯化硫苯）二乙胺-HCl］。被抑制后積累番茄紅素。萜類生物合成抑制劑和類胡蘿卜素合成前體抑制劑，如異草酮（dimethazone）。

4.原卟啉原氧化酶及其抑制劑

（1）原卟啉原氧化酶（protoprophyrinogen oxidase）　卟啉代謝可合成血紅素和葉綠素，代謝合成中兩種共同的酶為原卟啉原氧化酶，隨后的反應(yīng)由鐵和鎂絡(luò)合酶催化，促使原卟啉原分別合成血紅素和葉綠素。

酶促反應(yīng)：原卟啉原氧化酶氧化連接吡啶環(huán)上的亞甲基團(tuán)為次甲基團(tuán)。使無(wú)光動(dòng)力活性的原卟啉原Ⅸ底物去掉6個(gè)氫轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N紅色高光敏的化合物原卟啉Ⅸ產(chǎn)物。由于原卟啉Ⅸ是一個(gè)光動(dòng)力化合物。在正常情況下，生物合成的這種化合物貯存在細(xì)胞內(nèi)的量是有限的，不會(huì)給自身造成危害。

（2）抑制劑及其生理效應(yīng)

① 抑制劑的類型。

A.環(huán)狀二苯醚：如對(duì)-硝基-二苯醚（除草醚）（nitrofen）、三氟羧草醚（acifluorfen）。

B.非二苯醚類：如草酮（oxadiazon）。

C.苯基雜環(huán)苯酰亞胺類：如戊氟草胺（flumiclorac）。

D.O-苯基氨基甲酸酯類和雜環(huán)羰基酰胺類。

該酶的抑制劑有數(shù)千種，這些抑制劑除部分具有抑制原卟啉原氧化酶作用外，還具有抑制乙酰CoA羧化酶和八氫番茄紅素脫飽和酶的作用。

② 生理效應(yīng)。原卟啉原氧化酶抑制劑屬于過(guò)氧化除草劑（peroxidizing herbicide），它可以引起膜質(zhì)過(guò)氧化。用該酶抑制劑處理的植物，細(xì)胞內(nèi)可迅速積累原卟啉原Ⅸ，1h后可檢測(cè)到原卟啉Ⅸ，紅光可促進(jìn)它的積累。質(zhì)體原卟啉原氧化酶被抑制后，酶底物原卟啉原Ⅸ從質(zhì)體內(nèi)滲漏到細(xì)胞質(zhì)中，質(zhì)膜上的過(guò)氧化酶能迅速將它轉(zhuǎn)化為原卟啉Ⅸ，在有光的條件下，可引起光動(dòng)力損傷。

③ 光動(dòng)力損傷。主要是生物膜的結(jié)構(gòu)損傷。原卟啉Ⅸ是一種強(qiáng)烈的光動(dòng)力色素，在光誘導(dǎo)下產(chǎn)生單線態(tài)氧，單線態(tài)氧可引發(fā)膜脂過(guò)氧化，產(chǎn)生乙烷和丙二醛。乙烷可作為光誘導(dǎo)的氧自由基過(guò)氧化作用的膜脂過(guò)氧化的標(biāo)志物。在形態(tài)上，質(zhì)膜結(jié)構(gòu)被破壞，葉綠體膨脹，細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)空泡。線粒體密度急劇下降。

④ 中毒癥狀。處理后葉形成杯狀，幾小時(shí)內(nèi)葉片呈現(xiàn)水泡樣斑點(diǎn)，由綠變黃到黑，24h內(nèi)萎蔫和干枯。

⑤ 田間毒理。

A.濕度對(duì)活性的影響，相對(duì)高的濕度可提高活性，主要原因是有利于吸收。

B.溫度對(duì)活性的影響，溫度不直接影響活性，但當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)提高溫度可提高活性。

C.夜間施藥有利于植物吸收除草劑（相對(duì)濕度高），再暴露在太陽(yáng)光下，可產(chǎn)生強(qiáng)烈致毒效應(yīng)。

⑥ 毒性。原卟啉原氧化酶的抑制劑，可引起人的原卟啉代謝紊亂，哺乳動(dòng)物的線粒體對(duì)原卟啉原氧化酶的抑制劑相當(dāng)敏感，接觸后可提高肝、脾的糞卟啉的含量。對(duì)于卟啉代謝遺傳缺陷病——雜質(zhì)斑卟啉癥病人具有更強(qiáng)的毒性。

這種抑制劑可作為光動(dòng)力腫瘤和癌癥的治療劑，當(dāng)用原卟啉原氧化酶的抑制劑處理培養(yǎng)人的海拉（HeLa）細(xì)胞時(shí)，可積累有毒的原卟啉Ⅸ，若用光照處理可產(chǎn)生光動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，選擇性地殺死腫瘤和癌細(xì)胞。

5.乙酰輔酶A羧化酶及其抑制劑

（1）乙酰輔酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase）　植物脂肪酸生物合成的第一個(gè)關(guān)鍵步驟需要乙酰輔酶A羧化酶。羧化酶催化乙酰輔酶A發(fā)生羧化作用形成丙二酰輔酶A。在脂肪酸生物合成中，丙二酰輔酶A是主要的碳提供者。一個(gè)含有16個(gè)碳原子的脂肪酸由一個(gè)乙酰輔酶A和七個(gè)丙二酰輔酶A形成。在脂肪酸合成開(kāi)始之前，丙二酰輔酶A的?；盒枰獋鬟f給蛋白質(zhì)輔助因子ACP。脂肪酸鏈由丙二酰-ACP和乙酰輔酶A縮合，鏈的伸長(zhǎng)是由另外的丙二酰-ACP來(lái)完成。合成一個(gè)16碳的脂肪酸至少需要30個(gè)酶促反應(yīng)。

植物脂肪酸生物合成不同于其他有機(jī)體（動(dòng)物、真菌和一些細(xì)菌），植物的脂肪酸合成位于質(zhì)體內(nèi)而不是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。由ACCase催化的反應(yīng)的產(chǎn)物，乙酰輔酶A是脂肪酸的底物或者是中間產(chǎn)物，是植物脂類物質(zhì)的主要成分。除了脂肪酸，乙酰輔酶A還是角質(zhì)層蠟、類黃酮、類芪、蒽醌、萘醌、N-丙二酰-乙酰輔酶A和丙二酸合成的底物或中間產(chǎn)物。ACCase催化植物內(nèi)脂肪酸合成的第一個(gè)限速步驟。

由ACCase催化依賴ATP提供能量的羧化反應(yīng)使乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為丙二酰輔酶A。ACCase是一種生物素結(jié)合蛋白質(zhì)，促成生物素轉(zhuǎn)移一個(gè)碳，使其作為一個(gè)碳基到受體。這兩步反應(yīng)是由一種單一的復(fù)雜酶來(lái)催化的。第一步生物素的羧化反應(yīng)由ATP提供能量。第二步酶反應(yīng)涉及從生物素傳遞活化的CO2到乙酰輔酶A，形成丙二酰輔酶A。第二步反應(yīng)是由羧化轉(zhuǎn)移酶催化的。

（2）抑制劑　抑制劑為環(huán)己二酮（CHD）、芳氧苯氧基丙酸酯類（APP）和硫代氨基甲酸酯類除草劑。芳氧苯氧基丙酸酯類、環(huán)己烯酮類和硫代氨基甲酸酯類除草劑是抑制脂肪酸合成的重要除草劑。芳氧苯氧基丙酸酯類和環(huán)己烯酮類除草劑的靶標(biāo)酶為乙酰輔酶A羧化酶，它是催化脂肪酸合成中起始物質(zhì)乙酰輔酶A生成丙二酸單酰輔酶A的酶。

（3）ACCase抑制劑的毒理　ACCase是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的酶。因?yàn)锳CCase在脂肪酸和類脂物生物合成中起重要作用，脂肪酸和類脂物生物合成受阻可能會(huì)導(dǎo)致植物死亡，特別是在生長(zhǎng)速度最快的分生組織和對(duì)類脂物的含量要求很高的組織中。禾草靈（diclofop）抑制谷物根尖生長(zhǎng)可以由添加油酸來(lái)逆轉(zhuǎn)。

除草劑CHD還可以抑制燕麥秧苗葉片內(nèi)的光合色素的積累。原因可能與類脂物生成以及膜的形成的減少有關(guān)。膜和膜的組成成分的形成與葉綠素和其他色素的生物合成是一致的。

除草劑CHD和APP傷害雜草分生組織的共同的癥狀是使葉片發(fā)紅。葉片發(fā)紅和壞死與植物分生組織中有效脂肪酸合成的減少與來(lái)自其他途徑的產(chǎn)物和中間產(chǎn)物增多有關(guān)，可能會(huì)導(dǎo)致表皮細(xì)胞內(nèi)類黃酮生物合成增加。