雜草危害越來越嚴(yán)重，目前為止防除雜草比較有效的辦法就是施用化學(xué)除草劑，過多地使用化學(xué)除草劑會(huì)導(dǎo)致抗藥性的產(chǎn)生。原卟啉原氧化酶（PPO）是創(chuàng)制新型除草劑品種的主要靶標(biāo)之一，占市場比例相對(duì)較大。由于PPO抑制劑主要作用于葉綠素，對(duì)哺乳動(dòng)物毒性低，因而該類除草劑具有高效、低毒、的作用特點(diǎn)，是開發(fā)新型除草劑的主要目標(biāo)之一。本文在綜述PPO抑制劑作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，介紹PPO抑制劑的抗性現(xiàn)狀及研究進(jìn)展，并提出相應(yīng)的解決措施。
1 PPO抑制劑的作用機(jī)制
動(dòng)物、植物、細(xì)菌和真菌中都含有原卟啉原氧化酶，它在分子氧的條件下，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一個(gè)普通酶，主要合成亞鐵血紅素和葉綠素。在植物體中，原卟啉原氧化酶存在2種同工酶，分別位于線粒體和葉綠體中。原卟啉原氧化酶抑制劑是強(qiáng)觸殺性除草劑，主要通過抑制植物色素合成達(dá)到除草目的，在土壤的殘留期短，對(duì)后茬作物無藥害。該類除草劑的新品種具有選擇性、高活性、低毒、在環(huán)境中不易積累等特點(diǎn)，其前景非常可觀。
在早期，PPO抑制劑只有在光照條件下才能起作用，但在20世紀(jì)80年代以前，這類除草劑的作用機(jī)制不是十分明確，科學(xué)家經(jīng)過多次試驗(yàn)才得出結(jié)論：PPO抑制劑抑制原卟啉原氧化酶，造成產(chǎn)物原卟啉IX的積累，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室和科學(xué)家都肯定這個(gè)結(jié)論。抑制原卟啉原氧化酶的活性，會(huì)導(dǎo)致原卟啉原IX的積累，之后從葉綠體泄漏到細(xì)胞質(zhì)，迅速氧化為原卟啉IX，由于原卟啉IX不能與葉綠體和線粒體中的Mg、Fe的螯合物相互作用，所以它不能在葉綠素和血紅素合成途徑中得到利用。在光和氧的作用下，原卟啉IX產(chǎn)生單線態(tài)氧，加速細(xì)胞膜的每一次氧化，然后導(dǎo)致致命的細(xì)胞損傷。
PPO抑制劑之前被稱為白化除草劑，施用白化除草劑數(shù)小時(shí)之后，雜草一般會(huì)出現(xiàn)葉片卷曲、黃化、枯死等癥狀，幼苗時(shí)期受到的損傷更嚴(yán)重一些。該除草劑在相對(duì)濕度高時(shí)有較好的除草效果。在植物體內(nèi)，分子透過蠟質(zhì)層、原生質(zhì)膜、質(zhì)體膜之后與PPO結(jié)合，整個(gè)過程的吸收、運(yùn)輸、代謝差異等，沒有明顯選擇性，導(dǎo)致有些除草劑不能商品化。
原卟啉原氧化酶抑制劑的一般特性：（1）多數(shù)除草劑品種對(duì)雜草主要以觸殺為主，防除多年生雜草效果較差；（2）主要防治闊葉雜草；（3）用藥后迅速殺死部分雜草，24 h以內(nèi)葉片壞死，雜草易在4 d左右死亡；（4）對(duì)作物產(chǎn)生藥害，作物逐漸生長，恢復(fù)到正常；（5）與其他除草劑混用，藥效更強(qiáng)且殺草譜廣；（6）加入一些助劑（如植物油助劑、有機(jī)硅助劑等）可以提高除草劑的防除效果。
2 PPO抑制劑的主要除草劑品種
原卟啉原氧化酶抑制劑大多用于旱田除草，少數(shù)用于水田除草，應(yīng)用作物主要有大豆、玉米、小麥等眾多作物。該類除草劑有二苯醚類、吡唑類、咪唑二酮類等30個(gè)品種。在氯酞亞胺和惡草酮的基礎(chǔ)上研究出的新品種不斷出現(xiàn)，該類除草劑可以用來防除已經(jīng)對(duì)草甘膦和磺酰脲類除草劑產(chǎn)生抗性的雜草，PPO抑制劑的應(yīng)用較為廣泛。
2.1 二苯醚類除草劑
原卟啉原氧化酶抑制劑從除草醚活性被發(fā)現(xiàn)之后在市場上迅速發(fā)展起來。很多具有高活性的原卟啉原氧化酶抑制劑新品種在世界上被廣泛使用，如氟磺胺草醚、乙羧氟草醚、乙氧氟草醚等是生產(chǎn)中常用的除草劑，它們的除草活性超過除草醚10倍以上，其單位面積用量大大減少，藥效逐漸增強(qiáng)。在二苯醚類除草劑中，鄰位及對(duì)位取代的品種具有光活化機(jī)制，目前生產(chǎn)中施用的品種主要是對(duì)硝基二苯醚。
2.2 其他PPO抑制劑類除草劑
在二苯醚類除草劑推廣的同時(shí)，科學(xué)家也研制出其他PPO抑制劑類除草劑，先后有惡草酮、氟丙嘧草酯、苯嘧磺草胺和雙唑草腈等除草劑上市。PPO抑制劑的研究開始朝著多種結(jié)構(gòu)類型化合物發(fā)展。
日本農(nóng)藥公司研發(fā)的酞酰亞胺類除草劑是從殺菌劑衍生而來的，科學(xué)家不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了更多的酞酰亞胺類除草劑。其他PPO抑制劑主要適用于谷物和水稻等作物，轉(zhuǎn)基因技術(shù)還未影響到這類除草劑。
原卟啉原氧化酶抑制劑品種有很多，主要發(fā)展方向如下：（1）新型除草劑化學(xué)結(jié)構(gòu)由單一結(jié)構(gòu)向雜環(huán)化合物方向轉(zhuǎn)變；（2）該類除草劑的殺草譜廣、用量低、藥效強(qiáng)；（3）不斷提高生物活性；（4）提高生物的選擇性。原卟啉原氧化酶抑制劑品種能夠得到更好的開發(fā)，有效地用于田間生產(chǎn)活動(dòng)。
3 雜草對(duì)PPO抑制劑的抗藥性研究進(jìn)展
在雜草抗性研究中，通常認(rèn)為雜草抗性機(jī)理包括靶標(biāo)抗性和非靶標(biāo)抗性。原卟啉原氧化酶抑制劑的抗藥性屬于靶標(biāo)抗性機(jī)理，其作用機(jī)理包括靶標(biāo)位點(diǎn)基因的改變和靶標(biāo)酶的過量表達(dá)。
3.1 PPO抑制劑的抗性發(fā)生現(xiàn)狀和產(chǎn)生原因
20世紀(jì)初期，科學(xué)家從大腸桿菌和枯草桿菌中鑒定出了編碼順序不同的原卟啉原氧化酶基因hemY和hemG，第1個(gè)編碼537氨基酸殘基蛋白質(zhì)的植物PPO基因是從擬南芥中分離出來的？茖W(xué)家進(jìn)行PPO抑制劑抗性研究，其結(jié)果顯示：一種細(xì)胞系是因?yàn)樽杂苫东@劑的參與所產(chǎn)生抗性；另外一種是因?yàn)閿z入量的多少或者加快代謝產(chǎn)生抗性；還有一種細(xì)胞系的抗性可能是因?yàn)镻PO從敏感到產(chǎn)生抗性的轉(zhuǎn)變中發(fā)生了變化。其他試驗(yàn)結(jié)論是PPO超表達(dá)抵消了除草劑的藥效，從而產(chǎn)生抗性。關(guān)于PPO抑制劑產(chǎn)生抗性的機(jī)理仍然沒有具體的結(jié)論。
科學(xué)家在試驗(yàn)中將人體的PPO導(dǎo)入水稻基因里，此種轉(zhuǎn)基因水稻通過提高過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶的生物活性，增強(qiáng)乙氧氟草醚的抗性。甘蔗體外建立了一種高效的篩選系統(tǒng)，利用突變后的原氧化酶（PO）基因作為可供選擇的標(biāo)記而發(fā)展，2種基因編碼蛋白質(zhì)從玉米和煙草中分離了線粒體或質(zhì)體，以作用位點(diǎn)為導(dǎo)向的突變被用來改變這些基因的核苷酸序列，使所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)對(duì)二苯醚類除草劑不太敏感。Pcr分析證實(shí)了所有再生的轉(zhuǎn)基因甘蔗植物都含有轉(zhuǎn)基因，轉(zhuǎn)基因植物在土壤中具有抗除草劑的能力。長期且單一使用PPO抑制劑類除草劑，會(huì)增加其用量、降低藥效、導(dǎo)致抗性雜草發(fā)生，嚴(yán)重危害作物生長、降低產(chǎn)量。
2015年，乙氧氟草醚已經(jīng)對(duì)6種雙子葉植物產(chǎn)生抗性，到目前為止，國際抗除草劑雜草協(xié)會(huì)報(bào)道了13種雜草對(duì)PPO抑制劑類除草劑產(chǎn)生抗藥性。2011年，鐵莧菜在我國首次進(jìn)化出對(duì)PPO抑制劑類除草劑的抗性，并對(duì)大豆產(chǎn)生了感染；糙果莧和豚草在美國多個(gè)地區(qū)產(chǎn)生抗性，危害作物的生長發(fā)育；在我國，反枝莧在2017年出現(xiàn)多抗性，并感染大豆；在馬尼托克，野生燕麥對(duì)5個(gè)除草劑作用位點(diǎn)具有多抗性的活性；播娘蒿是十字花科的一種雙子葉雜草，這種雜草于2011年出現(xiàn)對(duì)PPO抑制劑的抗性，并感染了冬小麥；其他抗性雜草發(fā)生較晚，面積不大。
與其他類型除草劑相比，PPO抑制劑的抗性發(fā)生現(xiàn)狀并不是很普遍。雜草抗性是在長期的進(jìn)化當(dāng)中產(chǎn)生的，雜草抗性基因的遺傳與植物的生理及遺傳有關(guān)。有研究認(rèn)為帶有抗性基因的花粉傳給其他植物，不合理使用化學(xué)藥劑及對(duì)作物管理不規(guī)范都有可能影響作物產(chǎn)生抗性。
3.2 PPO抑制劑類除草劑的抗性治理措施
作物的生產(chǎn)方式、農(nóng)田生物耕作方式及栽培管理方式和大量使用化學(xué)除草劑均能導(dǎo)致抗藥性的產(chǎn)生，雜草抗藥性已經(jīng)成為雜草防除的一大問題。抗性雜草的防除應(yīng)嚴(yán)格遵循“預(yù)防為主，綜合防治”的植物保護(hù)方針，化學(xué)方法與農(nóng)業(yè)方式進(jìn)行結(jié)合，盡量延緩雜草抗藥性的發(fā)生，保護(hù)農(nóng)業(yè)中的糧食產(chǎn)量穩(wěn)增不降。應(yīng)結(jié)合PPO抑制劑產(chǎn)生抗性的原因，進(jìn)行綜合治理。
（1）選育具有抗性基因的作物品種
抗原卟啉原氧化酶抑制劑作物的選育可有效解決雜草抗性問題。根據(jù)該類除草劑抗性機(jī)制相同，對(duì)原卟啉原氧化酶的抗性突變基因進(jìn)行研究，選育抗性基因作物。隨著抗原卟啉原氧化酶抑制劑的應(yīng)用，親緣雜草與抗原卟啉原氧化酶交互授粉，引起抗性基因流動(dòng)。合理規(guī)范使用抗原卟啉原氧化酶抑制劑類作物，可以防止雜草產(chǎn)生抗藥性。
（2）交替輪換使用
由于長期單一使用某種除草劑，雜草會(huì)逐漸產(chǎn)生抗性，應(yīng)該根據(jù)作物種類及生長模式，使不同類型的除草劑品種進(jìn)行輪換使用。作用機(jī)理不同的除草劑交替輪換使用，可以延緩雜草抗性，對(duì)控制田間雜草抗性發(fā)展有很大的作用。交替輪換的除草劑必須選用機(jī)制不同的除草劑，以防產(chǎn)生交互抗性。不僅在當(dāng)季使用的農(nóng)田里需要進(jìn)行除草劑交替輪換使用，甚至還要考慮上下茬作物使用作用機(jī)制不同的除草劑。
（3）混用
除草劑之間的科學(xué)合理混用，也可將靶標(biāo)和作用機(jī)制不同的除草劑混用，這樣能有效避免雜草發(fā)生基因突變，保持其生物活性；煊贸輨┑脑瓌t：① 避免混用具有交互抗性的除草劑；② 混用的除草劑要求可以防除相同種類的雜草；③ 不同靶標(biāo)作用的除草劑進(jìn)行混用；④ 研究抗性雜草的發(fā)生規(guī)律，延緩抗性的產(chǎn)生。例如吡草醚觸殺活性強(qiáng)，但傳導(dǎo)作用差，田間雜草防除不，會(huì)出現(xiàn)返青生長的現(xiàn)象，該藥應(yīng)與其他類別除草劑進(jìn)行混用，可以增強(qiáng)防除效果和延緩雜草抗藥性的產(chǎn)生。
（4）理想的使用技術(shù)和時(shí)期
嚴(yán)格控制農(nóng)藥用量達(dá)到更佳，即理想的除草劑使用濃度，這種方法經(jīng)濟(jì)有效，且不污染環(huán)境，若不合理施藥會(huì)影響藥效。合理使用除草劑不僅可以延緩雜草抗性的產(chǎn)生，還可以降低成本，減少污染。
（5）農(nóng)業(yè)防治
作物與雜草共同生長，除草劑很難防除伴生性雜草，但輪作方式可以控制該雜草；作物適期播種及合理的栽培方式可以增加作物的性；覆蓋治草，是阻擋雜草的萌發(fā)和生長的方法；加強(qiáng)植物檢疫，防止檢疫性雜草傳播，危害農(nóng)作物生長。農(nóng)業(yè)措施可以避免單一使用某一種除草劑，減少雜草抗性的產(chǎn)生。
（6）生物防治
雜草的天敵有昆蟲、病原菌、微生物等。選擇雜草天敵時(shí)，必須堅(jiān)持“、高效、高致病力”的標(biāo)準(zhǔn)。該方法防效時(shí)間長且不污染環(huán)境，但效果較慢。
4 結(jié)論及展望
幾十年來，PPO抑制劑是靶標(biāo)抗性中發(fā)展較快的高活性除草劑。在國際上，關(guān)于PPO抑制劑的相關(guān)研究較少，僅有部分文章研究PPO抑制劑的抗性機(jī)理。20世紀(jì)末，轉(zhuǎn)基因抗草甘膦大豆在美國等地批準(zhǔn)應(yīng)用，影響了整個(gè)除草劑市場。更多公司和研究者對(duì)轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物品種進(jìn)行開發(fā)與研究，研究者可根據(jù)該類除草劑的特殊性狀繼續(xù)研究開發(fā)對(duì)環(huán)境無污染、、低毒、高活力的新型除草劑。加強(qiáng)除草劑的使用技術(shù)研究，可以更好地避免雜草抗性的產(chǎn)生。在除草劑的研究過程中，發(fā)現(xiàn)高活性的化學(xué)物的同時(shí)也要找到結(jié)構(gòu)新穎且廣譜性強(qiáng)的化合物。
我國在雜草抗性方面的研究較少。應(yīng)立足于國內(nèi)當(dāng)前的抗性現(xiàn)狀，深入了解抗性機(jī)制，明確抗性產(chǎn)生的過程，為PPO抑制劑在使用過程中提供合理的施式，為延緩雜草抗藥性的發(fā)生提供思路和開發(fā)新型除草劑提供理論基礎(chǔ)。
來源： 農(nóng)藥