新型PSII抑制剂的研究：系统的筛选方法用于评估其除草活性、理化性质及作用机制

《Pest Management Science》：Discovery of new PSII inhibitors: systematic investigation for herbicidal activity screening, properties, and mode of action

光合系统II抑制剂开发及作用机制研究：新型三嗪类除草剂K-31706和K-31487在SPIPO生物测定中表现出优于 atrazine的除草活性，通过合成、剂量响应测试、作物选择性实验及分子对接分析，证实其通过抑制PSII的Q_B结合位点发挥作用，具有广谱除草特性但为接触式机制，对水稻等作物存在选择性伤害。

　　在当今农业实践中，除草剂的应用对于作物生长和产量保护至关重要。然而，随着农业技术的不断发展，许多传统除草剂已经难以有效控制各种杂草，尤其是那些对现有除草剂产生抗性的物种。这促使研究人员不断探索新的除草剂化合物，以提高其除草效果和选择性，同时减少对环境和非目标植物的负面影响。本文的研究聚焦于开发一种新型的三嗪类除草剂，这类化合物能够有效抑制光系统II（PSII）的功能，从而破坏植物的光合作用，导致其生长受阻甚至死亡。

三嗪类化合物因其对PSII的抑制作用而被广泛应用于农业生产中，其中一些常见品种如阿特拉津和西玛津，已广泛用于玉米、高粱等作物的除草工作。然而，长期使用这些除草剂导致了杂草抗性的普遍增加，尤其是在如反枝苋菜和藜等杂草中，已经出现了广泛的抗药性现象。这不仅影响了除草效果，也对农业可持续发展构成了威胁。因此，研究团队致力于开发新的三嗪类化合物，以克服抗药性问题，同时改善其对作物的选择性，使其对作物的伤害降到最低。

研究从内部化学库中筛选了224种三嗪衍生化合物，并通过Spirodela polyrhiza（SPIPO）生物测定法评估其除草活性。该方法利用一种快速生长的水生植物作为模型，通过不同浓度的化合物处理，观察其对植物生长的影响。结果显示，K-31706和K-31487两种化合物在0.4微摩尔浓度下表现出显著的除草效果，其抑制活性甚至超过了常规使用的阿特拉津。这一发现表明，这两种化合物具有较强的除草潜力，因此被选为后续研究的重点对象。

为了进一步验证这两种化合物的除草效果，研究团队在温室条件下进行了更详细的实验，测试其在不同杂草种类上的表现。实验中，K-31706和K-31487被用于控制包括多种单子叶和双子叶杂草。在预出苗应用中，这两种化合物在较低剂量下即能有效抑制杂草生长，其导致50%生物量减少的剂量（GR??）低于100克活性成分每公顷。相比之下，西玛津的GR??值更高，表明其对杂草的抑制效果不如K-31706和K-31487。在出苗后应用中，K-31487表现出了更广泛的抑制效果，特别是在对双子叶杂草的控制方面更为有效。

尽管K-31706和K-31487在除草方面表现出色，但它们对主要农作物如水稻、小麦、大豆和大白菜也表现出显著的毒害作用，尤其是在预出苗阶段。这种广泛的植物毒性表明，这两种化合物可能缺乏选择性，因此在实际应用中需要特别注意对作物的潜在影响。为了解决这一问题，研究团队进一步探讨了这些化合物的吸收和运输特性，以期找到改进其选择性的方法。

通过吸收实验发现，K-31706和K-31487在土壤单独施用和表面喷洒（即土壤+叶片）的情况下均表现出较强的吸收能力。对于单子叶杂草如Digitaria ciliaris，吸收主要发生在根部；而对于双子叶杂草如Abutilon theophrasti，这两种化合物不仅通过根部吸收，还可能通过叶片进行吸收。然而，叶切实验显示，这两种化合物的作用方式更接近接触型除草剂，而非系统性除草剂。这意味着它们主要在接触部位产生作用，而不会通过植物的维管系统进行长距离运输，从而对植物整体的影响有限。

为了进一步确认这些化合物的作用机制，研究团队利用叶绿素荧光诱导曲线（OJIP曲线）和分子对接分析技术。OJIP曲线反映了PSII中电子传递的效率，而分子对接分析则揭示了这些化合物与D1蛋白的相互作用。结果显示，K-31706和K-31487能够有效抑制PSII中的电子传递过程，与已知的三嗪类除草剂如西玛津和二氯喹啉酸（diuron）相比，其作用机制类似，均通过与D1蛋白中的Q_B位点相互作用，阻断电子传递路径。这一发现支持了这些化合物作为PSII抑制剂的分类，并进一步说明了其在除草中的作用方式。

研究还通过分子对接分析揭示了K-31706和K-31487与D1蛋白的结合特性。K-31706在三嗪环中的氮原子与His252氨基酸形成强氢键，而K-31487则在Q_B位点中与Glu226和Leu223形成氢键。这些相互作用表明，这两种化合物能够有效地与D1蛋白结合，从而干扰PSII的功能。然而，它们的结合能较低，表明其与D1蛋白的相互作用可能不如已知的三嗪类除草剂如西玛津那么强。

从结构角度来看，K-31706和K-31487在C4位置具有氟化烷基取代基，这可能增强了它们的分子结合亲和力和脂溶性。这些结构特征使得它们在某些作物中表现出非选择性，但同时也赋予了它们较高的除草活性。相比之下，已知的选择性除草剂如阿特拉津、西玛津等，通常在C2和C6位置采用不同的取代基，如乙基，这可能影响其对作物的毒性。K-31706和K-31487在C2位置采用次级环烷基取代基，而C6位置未进行取代，这可能是其非选择性作用的一个关键因素。

此外，研究还探讨了这些化合物在不同应用方式下的表现。在土壤单独施用和表面喷洒的情况下，K-31706和K-31487均表现出较强的除草效果。然而，它们在叶片单独喷洒时的效果相对较低，这进一步支持了它们作为接触型除草剂的特性。这一发现对实际应用具有重要意义，因为接触型除草剂通常需要在杂草出苗前或出苗后立即施用，以确保其有效作用。

考虑到这些化合物的广泛除草活性和对作物的非选择性，研究团队认为它们具有进一步优化的潜力。然而，为了实现更高的选择性，未来的研究可能需要对这些化合物的结构进行调整，以减少对作物的毒害。例如，通过在C6位置引入不同的取代基，或者改变其氟化烷基的结构，可能有助于提高其对作物的安全性，同时保持对杂草的高效抑制。

综上所述，K-31706和K-31487作为新型的三嗪类除草剂，展现出显著的除草活性，能够有效抑制PSII的电子传递过程，从而影响杂草的生长。然而，它们对主要作物的广泛毒性表明，这些化合物仍需进一步的结构优化，以实现更高的选择性和更低的环境影响。未来的研究将聚焦于如何调整这些化合物的结构，使其在保持高效除草能力的同时，对作物的影响降到最低，从而为现代农业提供更加安全和有效的除草解决方案。