灭生性除草剂草铵膦的作用机理及其应用

第17卷　第4期

2002年10月北　京　农　学　院　学　报JOURNALOFBEIJINGAGRICULTURALCOLLEGEVol.17,No.4Oct.,2002

文章编号:100223186(2002)0420100206　　

灭生性除草剂草铵膦的作用机理及其应用

杨逢玉,张宏军,倪汉文

(中国农业大学,北京100094)

摘要:草铵膦(Glufosinate)(GS)。,还可以作为转基因技术研究的筛选剂,,更加拓展了使用空间。光强、关　键;;:+8文献标识码:A

美国有利来路公司于1958年(Uniroyalchemical)发现第一个有机磷除草剂即伐草膦(2,42DEP,Falone)。随后,其他农药公司也相继研制出了一些有机磷类除草剂品种。草铵膦(Glufosinate)是艾格福公司开发的有机磷类非传导性灭生除草剂,靶标酶为谷氨酰胺合成酶(GS)。对其基本特性的总结和研究,为更好利用和开发草铵膦的潜力奠定基础。

1　草铵膦的基本特性

111　草铵膦的研制与开发

草铵膦(Glufosinate)是有机磷类除草剂,属灭生性仿生茎叶处理剂[1]。草铵膦的研制与开发是与双丙氨膦密切相关。双丙氨膦是从链霉菌(Streptomyceshygroscopicus)发酵液中分离提纯的一种三肽天然产物,双丙氨膦本身无除草活性,在植物体内降解成具有除草活性的草铵膦。据此,德国艾格福公司直接合成草铵膦(Glufosinate),成功开发出一个新除草剂品种。草铵膦制剂已被广泛使用在非耕地防除多种一年生和多年生禾本科草和阔叶草[2]。

112　草铵膦的杀草机理

谷氨酰胺合成酶在植物的氮代谢中起重要作用,它是植物中一个重要的解毒酶,其可以解除由硝酸盐还原、氨基酸降解及光呼吸中释放出的氨的毒性。草铵膦的靶标酶正是谷氨酰胺合成酶(GS)[3～5],草铵膦抑制植物GS的活性,造成植物氮代谢失调,必需氨基酸缺乏,最终导致细胞内氨的含量过量而中毒,随之叶绿素解体,植物死亡(见图1)[6～7]。喷施草铵膦3～5d后,植株固定CO2的速率迅速下降,植物叶片出现枯黄和坏死　　收稿日期:2002206208;修订日期:2002206220

　　作者简介:杨逢玉,中国农业大学植物保护学院,010-62891302

　2002年第四期杨逢玉等:灭生性除草剂草铵膦的作用机理及其应用　101的症状[8]。虽然草铵膦抑制细菌、植物及哺乳动物的GS,但因它不能进入哺乳动物的血液和脑组织,因此草铵膦对哺乳动物安全[6,9～10]

。

图1()对生物氮代谢的作用机制

113,传导较差。一般来说,草铵膦在植物体内随蒸腾流在木质部运输[11],但是在一些植物体内,14C2草铵膦也可以由韧皮部运输到根的分生组织。研究还发现杂草对草铵膦的敏感性与草铵膦在韧皮部内传导的速率密切相关[12]。Steckel等人(1997b)报道,草铵膦处理狗尾草、稗草、苘麻和藜24h后,对草铵膦的吸收依次是67%、53%、42%、16%。用14C2同位素示踪法检测这4种杂草对草铵膦传导性,处理狗尾草12h后,对草铵膦运输达到26%;处理稗草24h后,对草铵膦运输达到14%。经研究发现,处理叶片将所吸收的草铵膦向根部运输,这就说明狗尾草和稗草对草铵膦的运输是经韧皮部进行的[13]。

114　草铵膦的代谢

最早研究草铵膦在土壤中的代谢是Tebbe和Reber(1988,1991)[14～15],随后Smith(1988,1989)[16～17]也进行了研究。草铵膦在土壤中降解很快,半衰期短,其土壤活性很低。草铵膦在土壤中一般被降解为42甲基磷酸亚基222氧代丁酸(PPO)和32甲基磷酸亚基2丙酸(MPP)。

2　环境因子对草铵膦活性的影响

除草剂的药效受环境因子的影响很大[18～19],已有报道证明,水分和温度等对草铵膦活性有很大影响。

211　温　度

在一定温度条件下,可以改善苗后除草剂除草的效果,McWhorter(1980)[20]发现当温度由24℃增加到35℃时,草铵膦对假高粱的防效增加;在较低温度情况下,草铵膦对狗尾草和大麦的防效降低[12～21]。温度在12～24℃之间,草铵膦对猪殃殃的防效较理想,但在低温情况下,防效会降低。

212　水　分

在空气湿度40%,温度22/17℃情况下,01100kg/hm2(有效量)的草铵膦无法杀死

　102北　京　农　学　院　学　报第17卷狗尾草。同样条件下,空气湿度达到95%时,草铵膦就可以彻底杀死狗尾草[21]。Coetzer等人(2001)研究发现,环境因子可以影响杂草对草铵膦的吸收,通过对苋属杂草帕麦尔苋、反枝苋的研究发现,空气湿度对草铵膦药效的作用要显著于温度的作用[23]。

空气湿度较高可提高杂草对药剂的吸收与传导[21],这是因为在这种条件下,植株表皮是亲水性的[19],可以延长药液浸润叶片的时间[24],所以水溶性除草剂,如草铵膦就很容易进入到叶片中。如果在湿度较低的情况下,表皮干燥,植株气孔关闭,吸收明显减少[22]。

土壤含水量也会影响茎叶处理剂的吸收与传导下,苗后茎叶处理剂的药效降低[25～27],,从而降低了对除草剂的吸收,低,药液传导能力下降[19]。

经研究发现,。在高温、高湿和高光,植物死亡的速度也快[28]。3　311　灭生性除草

草铵膦具有活性高,吸收好,杀草谱广,低毒,环境兼容性好等特点,大量的文献表明01400kg/hm2就可很好的防除一年生杂草,较高剂量可防除多年生杂草。01300～01500kg/hm2的草铵膦就可防除野燕麦、雀麦、早熟禾、辣子草、宝盖草、小野芝麻、龙葵、繁缕、田野勿忘草等。01500～01600kg/hm2的草铵膦可防除鼠尾看麦娘、马唐、稗草、野大麦、多花黑麦草、狗尾草、金狗尾草、野小麦、野玉米,多年生禾本科和莎草科杂草,如:野茅、曲艺发草、羊茅、绒毛草、黑麦草、双穗雀稗、芦苇、早熟禾;01700～11000kg/hm2可防除匍匐冰草、匍匐翦股颖、拂子茅、苔草、狗牙根、反枝苋等。

312　转基因研究的筛选剂

获得有用的目的基因是基因工程的基本前提。目前用于作物的外源基因,已从早期用来检测的报告基因,如:cat、nos、npt等,转向具有应用价值的基因,包括抗除草剂基因,抗虫基因、抗病基因、抗逆基因及改良作物品质的种子贮藏蛋白基因等[29]。

有效的识别转化基因是基因操作的一个关键步骤。大多数转基因作物中常用的筛选标记主要为抗性基因。在选择压力存在的条件下,抗性基因在受体细胞内的表达有利于从大量的非转化细胞中筛选出转化克隆。来源于大肠杆菌的npt基因,可编码卡那霉素(Kanamycin)、新霉素(Neomycin)的抗性产物,被广泛用于转化体的筛选。但有些作物对卡那霉素有较高的天然的抗性,而G418[30]、巴龙霉素(Paromycin)[31]做筛选试剂可克服这一缺点。hpt基因可赋予细胞潮霉素(hygromycin)抗性,是水稻和玉米转化中理想的筛选标记[32～33]。除草剂抗性基因筛选作用明显,检测方法灵敏,越来越受到人们的青睐。bar基因是其中的代表,目前吸水链霉菌(Streptomyceshygroscopicus)的bar基因被普遍用作水稻中的选择标志基因,该基因编码膦丝菌素乙酰转移酶(PAT)提供对除草剂(草铵膦和双丙氨膦)的抗性[34～35],作为筛选标记的同时又赋予转基因植株农业上的有

　2002年第四期杨逢玉等:灭生性除草剂草铵膦的作用机理及其应用　103用性状,还有报道认为bar基因的插入表达有助于提高分化频率。

313　抗草铵膦转基因作物

抗草铵膦的基因是一种来自土壤细菌吸水链霉菌(Streptomyceshygroscopicus)的bar基因[36～37],另一种来自S1viridochromogenes的pat基因[38]。德国学者用化学合成法合成了bar基因。Bar基因为615bp,编码的草铵膦乙酰转移酶(PAT),其由183个氨基酸组成,pat基因为1312bp,编码的PAT在pat基因的Bg/Ⅱ-SstⅡ片段上,物有相似的催化能力,氨基酸序列86%同源。bar,bar基因编码的PAT。

通过PEG法、微弹轰击法、电激法及Ribar、马铃薯、番茄、颠茄、水稻、小麦、玉米,铵膦、～,为]。

,但伤害很轻,。抗草铵膦作物安全剂量(有效量)范围在210kg/hm2以上,)014～015kg/h2的草铵膦就可防除大部分的杂草[41～47]。

4　结　语

由于转基因技术的应用,成功培育出抗草铵膦作物,使草铵膦用于作物田除草成为可能。草铵膦具有活性高,吸收好,杀草谱广,低毒,环境兼容性好等特点,所以草铵膦具有广阔的使用前景。虽然草铵膦具有这么多优点,但草铵膦成本高,对某些杂草防效不好等制约其推广和使用,所以研究草铵膦的合成路线,降低其生产成本,添加某些农化物质,在保证草铵膦除草活性的同时,降低其田间用量现已成为研究的热点。

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