新型手性除草剂氟磺胺草醚对稗草光合作用的对映选择性生物活性干扰机制研究

为解决手性除草剂对映体在靶标生物活性中的选择性差异问题，研究人员针对新型手性除草剂氟磺胺草醚（flusulfinam）开展对稗草（Echinochloa crus-galli）光合作用的对映选择性机制研究。结果表明，R-氟磺胺草醚的除草活性是S-型的7.13倍，通过抑制光合系统（PSAD、PSBS、PETE基因表达）、干扰类胡萝卜素（β-胡萝卜素、α-胡萝卜素）生物合成（PSY、PDS、ZDS基因下调）并诱导氧化损伤（SOD/CAT/POD酶活性失衡），首次揭示了其HPPD抑制剂的立体选择性作用机制，为开发高效低耗的单一对映体除草剂提供理论依据。

　　

在农业生产中，杂草防控一直是困扰科学家的难题。传统除草剂往往以消旋体形式使用，这意味着其中一半的成分可能是无效甚至有害的。这种现象在手性除草剂中尤为突出——虽然两种对映体（R型和S型）在物理化学性质上完全相同，但它们对靶标生物的作用效果却可能存在天壤之别。更令人担忧的是，这些"无效"对映体不仅浪费资源，还可能对环境造成不必要的负担。

正是在这样的背景下，中国的研究人员将目光投向了氟磺胺草醚（flusulfinam）——一种由青岛清原农冠抗除草剂有限公司开发的新型手性除草剂。作为首个酰胺结构的4-羟基苯丙酮酸双加氧酶（HPPD）抑制剂，氟磺胺草醚以其独特的结构和卓越的选择性引起了学界关注。然而，关于其对映体间的活性差异机制却仍是一片空白。

为了揭开这个谜团，研究人员以稻田恶性杂草稗草（Echinochloa crus-galli）为研究对象，开展了一系列深入实验。他们发现R-氟磺胺草醚展现出惊人的立体选择性——其除草活性（GR₅₀
=1.42 g a.i. ha^-1
）是S-型的7.13倍。这种差异究竟从何而来？通过系统研究，科学家们首次描绘出完整的机制图谱：R-对映体能够更有效地干扰植物的光合系统，破坏类胡萝卜素生物合成通路，并引发严重的氧化损伤。

这项发表在《Plant Physiology and Biochemistry》上的研究采用了多项关键技术：通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）系统分析了19种类胡萝卜素含量；运用实时荧光定量PCR检测了光合作用相关基因（如PSAD、PSBS、PETE）和类胡萝卜素合成基因（如PSY、PDS、ZDS）的表达变化；同时测定了过氧化氢（H₂
O₂
）、丙二醛（MDA）含量及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）活性等氧化应激指标。

Enantioselective bioactivity of flusulfinam isomers to E. crus-galli
研究发现，R-氟磺胺草醚处理5天后即引起稗草叶片脉间白化症状，而消旋体和S-型直到14天才出现类似症状。定量分析显示，R-型的50%生长抑制剂量（GR₅₀
）仅为1.42 g a.i. ha^-1
，显著低于S-型（10.16 g a.i. ha^-1
）和消旋体（2.41 g a.i. ha^-1
）。

Photosynthetic pigment contents
R-处理组导致叶绿素a、b和总类胡萝卜素含量分别下降53.2%、51.8%和49.3%。LC-MS/MS分析特别检测到β-胡萝卜素、α-胡萝卜素和番茄红素等关键光合色素的显著减少。

Gene expression analysis
实时荧光定量PCR显示，R-氟磺胺草醚显著改变了光合作用相关基因的表达：PSAD（光合系统I亚基D）、PSBS（光合系统II亚基S）和PETE（质体蓝素）表达量分别下调至对照的0.32、0.28和0.41倍。类胡萝卜素合成通路中PSY（八氢番茄红素合成酶）、PDS（八氢番茄红素脱氢酶）和ZDS（ζ-胡萝卜素脱氢酶）的转录水平也出现明显抑制。

Oxidative damage indicators
氧化应激分析发现，R-处理组的H₂
O₂
和MDA含量分别增加2.1和1.8倍，而SOD、CAT和POD活性则呈现先升高后降低的趋势，表明抗氧化防御系统最终被破坏。

这项研究不仅首次阐明了氟磺胺草醚的对映选择性作用机制，更重要的是为开发高效、环保的单一对映体除草剂提供了科学依据。使用高活性的R-氟磺胺草醚替代传统消旋体，有望将除草剂使用量降低85%以上，这对减少农业面源污染、推动绿色农药发展具有里程碑意义。正如研究人员指出的，这项工作为手性农药的立体选择性设计树立了新范式，将引领下一代除草剂的创新发展方向。