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农药内吸性的研究现状与改善策略 qrcode

2020-09-16

世界农化网中文网报道: 提高农药利用率仍然是中国目前亟待解决的重要问题之一,而提高农药与靶标部位接触的机会是提高农药利用率的一种重要方式。对于内吸性农药,其与植物接触后可以通过渗透作用进入植物体内并随体内的水分循环到达植物各部位,从而提高与靶标的接触几率并减少在环境中的浪费;而对于非内吸性农药,如果其未与靶标生物直接接触就很难得到有效利用,未接触靶标的农药会因雨水冲刷或漂移作用进入土壤、水等环境中,有的还会随食物链富集而对有益生物产生影响。随着导向农药和纳米载体材料的发展,以其作为提高农药利用率的手段得到了广泛关注,目前有关改善农药内吸性或靶向性的研究也取得了一定进展。笔者拟从介绍农药与植物的相互作用原理入手,对农药在植物中的内吸性研究进展进行简述,概述当前研究农药内吸性的主要方法和手段,提出并就两种改善农药内吸性的策略或途径进行分析,旨在为提高农药利用率提供建议。


1  农药在植物中的内吸性研究进展

       

内吸性农药可以被植物的根系或叶片吸收,并通过短距离运输和长距离运输两种方式在植物中传导,从而在植物体中形成系统性分布,最终使作物得到保护。以下即从农药与植物间的关系阐明内吸性农药在植物体内的吸收方式、传导途径与判断方法。


1.1  植物根系对农药的吸收

       

根系是农药进入植物的重要部位之一。植物根系对农药的吸收能力受农药本身物理化学性质、植物的生物学特性和环境介质因素的影响。植物根系吸收农药有主动吸收和被动扩散两种方式,通常以被动扩散为主。一般来说,农药通过根系进入植物体可分为吸附和吸收两个步骤:首先,农药被吸附在植物根系表面,而后被根吸收穿过根表皮,再通过质外体和共质体途径进入木质部导管(图 1)。


 

图1  农药进入植物根系的主要途径


土壤的温度、pH 值、有机质含量和有机碳含量等均会影响土壤对农药的吸附,导致不同土壤中有机物的生物利用性存在差异。在植物根系被动吸收农药的过程中,环境中农药的浓度可直接影响植物根系对农药的吸附作用。此外,根系中的碳水化合物、含水量以及脂溶性物质之间的含量关系等均对植物吸收农药起到重要作用。正辛醇/水分配系数的对数值(logKow)通常被用作评价化合物在水和有机质或生物脂肪之间分配的重要指标,多被用来比较植物从土壤中吸收有机物的能力,也可用来预测农药在植物体内的传导方式。但也有研究发现,部分新烟碱类农药并不适用这项规律,以噻虫嗪(logKow=-0.13)和啶虫脒(logKow=0.8)为例,虽然噻虫嗪更容易被植物根系吸收,但啶虫脒在小青菜中却有更好的转移能力,产生该差异似乎与其logKow值呈弱相关,而与其相对分子质量呈显著相关。


1.2  植物叶片对农药的吸收

       

叶片是农药进入植物的重要部位,农药通过叶片进入植物体内必须克服许多障碍,其中首要屏障是叶片的表皮。因此,叶片表皮上的角质层、气孔或亲水小孔就是农药进入植物的主要途径。不同种植物的蜡质层构造与厚度存在差异,角质层的厚度随植物种类而变化,但对于大多数农业植物而言,其范围为0.5~25 μm。通过角质层进行扩散的农药,其扩散能力与农药的分子大小、温度和角质层的性质存在密切联系。亲脂性农药的扩散过程可以用Fick扩散第一定律进行描述;而气孔或亲水小孔则是亲水性农药进入植物表皮的主要途径,这与植物组织结构有着较为密切的联系,角质层中也有一些供极性物质通过的亲水小孔和气孔。质膜作为叶片吸收农药的最后一步,膜上的一些载体和质子泵也有可能参与农药的吸收过程。此外,植物叶片吸收农药的能力还与植物品种、植物生长阶段以及一些环境因素密切相关(图2)。


 

图2  农药进入植物叶片的主要途径


1.3  农药在植物中的传导

       

植物质膜是吸收和传导农药的物理屏障,细胞膜是一个疏水载体,主要用来控制细胞和环境之间的信息和物质交换。农药通过细胞膜才能在细胞之间传导,并最终进入维管束进行长距离运输。因此,膜渗透机理是影响植物长距离运输和分布的关键因素。


1.3.1  植物的传导组织

       

木质部是植物运输水和矿物盐的主要组织,与细胞相比,木质部可以更好地输送水溶液,而不易被阻塞。韧皮部在植物中主要起到运输营养物质的作用。木质部与韧皮部在植物中形成了水、溶质和光合作用产物的平行运输方式。不同性质的农药在植物体中的运输方式也存在差异,一般认为存在木质部运输、韧皮部运输和双向传导3种方式。


1.3.2  判断农药在植物中传导的方法

       

农药被植物吸收和传导一般来说是一个连续的过程。判断农药在植物中的传导方法有多种,比如蒸腾流富集比(TSCF)、传导因子(TF)、正辛醇/水分配系数的对数值(logKow)、解离常数(pKa)、传导蛋白及脂肪含量等都会影响农药在植物中的传导情况。蒸腾流富集比表示有机化合物在木质部的含量与其在溶液中的浓度之比,通常用来评价有机化合物通过被动运输从根到茎的传导能力。传导因子用来评估在不同处理方式下有机化合物在植物体内的传导能力,Ge等用传导因子值比较了毒死蜱在不同蔬菜中的传导能力以及几种新烟碱类农药在水稻中的传导能力。然而,农药在植物中的吸收和传导能力都与农药自身的 logKow值大小存在一定的关系。有研究表明,疏水性较弱的有机化合物主要通过蒸腾流来吸收和传导,疏水性较强的有机化合物则不易在植物中发生传导,而是以根系聚积为主,也有一些脂溶性农药的传导需要借助脂质传导蛋白来实现。Hsu等发现,logKow值过大或过小,蒸腾流富集比值(TSCF)都会降低,不利于农药的传导。当外源化合物的logKow=1.78时,其在水稻中的TSCF达到最大值。也有研究发现,logKow>1.8的农药可以被植物根系吸收,但不易通过木质部向植物其他部位传导,造成农药在植物根系的聚积。农药在传导过程中还有可能在木质部和韧皮部被降解或代谢,而这些代谢物的出现也会影响农药在植物中的传导能力。判断农药在植物中的传导除上述指标外,也要注重植物的品种、生育期和环境条件等其他因素。


2  农药在植物中的内吸性研究方法

       

研究农药内吸性的方法有多种,其目的都是研究植物吸收农药的能力与传导农药的途径。目前,应用最多的研究方法是利用残留分析的手段测定农药在植物体内的含量与分布差异。此外,也有利用可视化途径来研究农药的内吸性,通过靶标生物或在细胞层面上进行分析等。


2.1  生物测定法

      

 利用靶标生物在植物上的分布或死亡率来判断农药在植物中的传导情况,这种方法一般会将生物测定与农药内吸性研究结合在一起,通过观察害虫死亡情况或病菌受抑制情况来判断农药在植物体内的分布情况。如Olson将吡虫啉施用至种植马铃薯的土壤中,通过观察马铃薯不同叶片上的马铃薯甲虫死亡率判断出吡虫啉在马铃薯中的传导情况。然而,该方法的缺点在于特定生物所需的饲养和检测方法复杂,加之特定生物对农药的敏感性存在差异,从而导致试验误差较大,且部分农药在植物体内形成的代谢产物可能会影响检测结果。


2.2  同位素标记法

       

同位素标记法就是借助同位素原子追踪农药分子在植物体内的分布情况和传导过程,使农药内吸性研究变得可视化。例如用放射性同位素14C标记腈菌唑后,通过放射性自显影照片可观察到植物各部位的放射强度,进而判断农药在植物中的分布和途径。


2.3  荧光标记法

       

异硫氰酸荧光素(FITC)是一种在细胞生物学、分子生物学和药物研究等领域广泛应用的荧光素类标记物。FITC 是在荧光素的结构上引入异硫氰基(-N=C=S)得到的,异硫氰基通过与被标记物如蛋白质的伯胺基团反应形成硫脲键,成为牢固的荧光蛋白质结合物,从而实现对农药分子的荧光标记。因此,FITC 与农药分子结合后将有利于农药在植株中的可视化研究。Wang等利用荧光蛋白与氟虫腈结合,检测了氟虫腈在蓖麻韧皮部中的传导情况,使其在蓖麻韧皮部的传导途径可视化。Nair等将FITC与农药载体结合,可观察到荧光农药载体在水稻幼苗根部的有效传输途径。然而,也有研究发现,FITC标记的农药载体对水稻种子萌发具有抑制作用。因此,在利用FITC作为农药内吸性的检测方法时,不仅要注意荧光基团对植物的生理影响,还要确保选择的荧光基团不能影响农药自身的理化性质。


2.4  亚细胞定位法

       

植物的亚细胞主要分为可溶性组分、细胞壁和细胞器3部分。柯林斯等报道,溶解度低的有机物更容易被分配至脂肪含量较高的固相。Kang等发现,植物的细胞壁主要由多糖组成,细胞器中含有更多的脂类成分,而可溶性组分则由质外体中的水分、液泡溶液和细胞或细胞器之间的溶胶状基质组成。一般来说,疏水性的农药更容易被分配至脂肪含量较高的组分中。通过测定农药在亚细胞组分中的含量,可以推测出农药在细胞中的富集位置,也可以用于分析农药在植物中的分布。Ju等发现,乙草胺在小麦根系细胞器中的浓度明显高于其在细胞壁和可溶性组分中的浓度,表明乙草胺主要富集在小麦根系,不易向上传导;而莠去津则在细胞器和细胞壁中的富集能力较低,致使其不易在根系中富集,而更易向上传导。然而,采用亚细胞定位法对农药传导情况进行预测也存在一定的局限性,在某些情况下农药在植物亚细胞中的分布可能会随logKow、pKa值、亚细胞组分相对含量和植物种类的不同而出现差异。有研究发现,虽然嘧菌酯在植物根系的可溶性细胞组分中分布比例最高,但并未出现较好的向上传导现象。


3  改善农药内吸性的策略

       

改善农药内吸性可以增加农药接触靶标的机会,进而提高农药利用率。近年来,随着导向农药的开发和纳米载体应用研究的深入,部分研究在已有农药的基础上显著改善了农药的内吸性。其中导向农药是指一种可以在植物体内定向传导并积累的农药,其是通过二元拼接的方法或其他方法与农药活性成分偶联形成的导向载体-农药活性成分的复合物。纳米载体在哺乳动物的研究和应用较早,在医学领域主要用于药物传递技术的研究,在农业方面则多用于农药控释技术的研究,近年通过采用纳米载体的方式提高农药内吸性的研究也被研究者关注。部分相关报道见表1。


表1  提高农药内吸性的案例

 


3.1  提高农药在植物体内的导向性

       

导向农药可以利用农药分子与一些植物的营养物质,如肽、氨基酸或葡萄糖等分子或基团相偶联,通过植物转运营养物质的方法将农药转移到营养物质的积累部位;若有昆虫取食植物形成伤口,植物会产生一些抗性物质,如水杨酸、茉莉酸或酚类化合物等在伤口处积累,导向农药即可以利用该特性使农药在植物中形成定向积累。


3.1.1  导向农药的应用

       

糖基化导向农药已成为开发具有韧皮部传导能力的新型杀虫剂的一种有效途径。Hsu等指出,酸性物质在韧皮部具有较高的韧皮部迁移率,葡萄糖醛酸化可促进化合物在韧皮部的移动。农药经糖基化改性后,可以使原本在韧皮部流动性差或不发生传导的农药产生流动,进而转化为可以在韧皮部传导的结合物,利用内源植物单糖传导可以实现单糖-农药结合物在韧皮部的迁移。Wu等将葡萄糖与氟虫腈结合,发现所得到的糖基氟虫腈在蓖麻韧皮部的传导能力显著提高。在Wang等的研究中还发现,蓖麻韧皮部细胞对低浓度的荧光葡萄糖-脯氨酸衍生物(2-NBDGTF)的吸收量随pH值的降低而显著上升,同时发现该过程也有主动运输的参与。随后的研究也发现,植物质膜转运蛋白在细胞、器官及其环境之间的信息和物质交换中起着重要作用,以氨基酸为导向农药的复合物可由多种植物转运蛋白调节来提高内吸性。Xie等在研究甘氨酸-氟虫腈复合物在蓖麻韧皮部传导时发现,蓖麻的RcLHT6、RcANT15、RcProT2和RcCAT2等4个氨基酸转运蛋白基因参与了甘氨酸-氟虫腈复合物的吸收和传导过程。当然,也有学者利用酸性衍生化来提高农药在韧皮部的传导能力,如Chollet等就利用拌种咯的酸性衍生化提高了其在韧皮部的传导能力,并表现出良好的生物活性。


3.1.2  导向农药存在的问题

       

导向农药通过提高农药的内吸性,增加了农药在靶标部位的聚集,为发现用于可持续植物保护的新产品开辟了广阔的前景。然而,由于对各种植物营养物质转运载体的功能和结构特征了解有限,寻找能够用于农药转运的特异性载体十分困难。导向农药一旦到达目标位置,植物将通过各种酶或化学溶解等作用释放农药分子,但同时农药的活性也会受到影响。Xia等研究发现,虽然葡萄糖-氟虫腈复合物中的O-糖苷键可以被β-葡萄糖苷酶水解释放出氟虫腈活性成分,但其杀虫活性稍有降低。在植物对导向农药吸收的过程中,一些与导向农药中某些基团相似的营养物质会对其产生竞争性抑制作用。在蓖麻吸收氨基酸导向农药甘氨酸-氟虫腈时,其中的谷氨酸、甘氨酸、组氨酸和苯丙氨酸4种氨基酸与甘氨酸-氟虫腈存在竞争抑制关系,尽管苯丙氨酸与甘氨酸一样是中性氨基酸,但苯丙氨酸的抑制作用却显著高于另外3种氨基酸。因此,未来导向农药在基团选择与农药搭配的研究中仍面临着众多挑战。


3.2  采用纳米载体提高农药在植物中的传导性

       

纳米载体具有理化性质稳定、易于表面功能化、高生物相容性和在植物中的低降解性等特点。将农药分子负载于纳米载体中,通过纳米技术和纳米材料的应用,可以改善脂溶性农药的水基化分散特性,利用特定的纳米载体可以改善部分农药在细胞中的吸收和转移能力。因此,通过纳米技术改善植物对农药吸收和传导的能力,是提高农药利用效率的另一种有效途径。


3.2.1  纳米载体的应用


纳米载体中常用的无机纳米材料包括金属、金属氧化物、半导体和二氧化硅等,其中,介孔二氧化硅纳米颗粒(MSNs)作为一种高效的生物分子载体在哺乳动物系统中的应用占据主导地位。在医学领域,为了提高细胞对药物、蛋白质和核酸等分子的吸收能力,MSNs成为了增强化合物在组织和器官中运输的重要载体。在农业领域,有研究发现MSNs对植物几乎没有毒性且具有促进植物吸收和传导的特点,这使得利用MSNs改善农药内吸性的应用得到广泛关注。Chang等利用功能化MSNs将外源DNA导入拟南芥的根中,并且在众多现象中发现,MSNs可能具有跨维管束长距离运输和细胞间运输的功能。Zhu等研究发现,MSNs可提高水稻对杀菌剂氰菌胺(或稻瘟酰胺)的吸收传导能力。还有研究发现,以MSNs为载体的咪鲜胺与传统的咪鲜胺悬浮剂具有几乎相同的杀菌活性,并且以MSNs为载体的咪鲜胺更易被黄瓜植株吸收,且具有更长的持效期。以MSNs为载体不仅提高了黄瓜叶片对螺虫乙酯的吸收能力,也提高了螺虫乙酯在黄瓜体内的传导能力。尽管MSNs可提高螺虫乙酯在黄瓜果实中的积累量,但并未超过农药残留标准。


3.2.2  纳米载体存在的问题

       

MSNs的粒径是限制植物吸收纳米农药的关键因素,只有合成了具有最佳粒径和构型的MSNs,才可能被植物细胞或组织吸收。在多数植物的根系中,只有当纳米载体颗粒的粒径小于或等于50 nm时才能穿过植物的根系细胞。然而,Zhao等研究发现,粒径在200~300 nm之间的MSNs也可以被黄瓜叶片吸收并发生跨叶传导现象;此外水稻也能吸收平均粒径在258 nm的MSNs。Dietz等对这种现象做出了解释,认为植物细胞在受到钙、硅、蛋白质、病毒和环境胁迫等影响下,会适当改变对被吸收物质的尺寸限制。可见,不同植物的各部位对纳米载体的粒径要求并非完全一致,因此设计结构合理的MSNs是改善农药内吸性的关键。


4  小结与展望

       

研究农药在植物中的内吸传导原理和方法,可为新农药开发和剂型创新提供重要依据。目前,农药的内吸性主要由农药的理化性质、制剂类型以及植物生理特性决定。新农药研发也往往需要花费数年的时间,才能得到兼备良好内吸性和高生物活性的化合物。因此,单靠筛选内吸性的农药化合物,并不是提高农药内吸性的最佳措施。在现有农药品种的基础上,随着农药改性与纳米载体两种手段的出现,改善农药内吸性的成功案例正逐渐增加。虽然这两种途径的发展还会面临众多的挑战,但为日后提高农药利用率的基础研究和实际应用开辟了广阔的前景。


作者:扬州大学园艺与植物保护学院/农业与农产品安全国际合作联合实验室 范添乐 宋玥颐 陈小军 方天平 沈殿晶 徐王瑾 王欣宇

BSM CHEMICAL IMPORT & EXPORT CO.,LTD.
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