《Environmental Research》：Advancements in the Absorption, Metabolism, and Transport Mechanisms of HPPD Inhibitor Herbicides in Soil-Plant System
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摘要4-羟基苯丙酮酸双加氧酶（HPPD）抑制型除草剂凭借其独特的作用机制、优异的生物活性和广谱除草效果，已成为最重要的农药类别之一。然而，其在玉米、水稻和小麦等主要粮食作物田块中长期广泛使用，引发了人们对环境残留、生态毒性和抗性演化的日益增长的担忧。本综述批判性地审视了主要H
摘要
4-羟基苯丙酮酸双加氧酶（HPPD）抑制型除草剂凭借其独特的作用机制、优异的生物活性和广谱除草效果，已成为最重要的农药类别之一。然而，其在玉米、水稻和小麦等主要粮食作物田块中长期广泛使用，引发了人们对环境残留、生态毒性和抗性演化的日益增长的担忧。本综述批判性地审视了主要HPPD抑制型除草剂在土壤-植物体系中的吸收机制、组织分布模式、代谢途径和分子调控机制的最新进展。重点阐明了决定其环境归趋的生物学基础，包括植物物种特异性生理特性、转运蛋白系统以及细胞色素P450和谷胱甘肽S-转移酶等解毒酶的作用。本综述系统地评估了HPPD抑制剂对靶标和非靶标生物的毒理学效应，特别关注某些转化产物相比母体化合物具有更高的生态毒性。此外，本综述总结了代表性三酮类除草剂的微生物降解途径，强调硝基还原是主要降解机制并指出参与的关键酶。本文指出了当前的知识空白，包括对作物和杂草中手性选择性代谢的理解有限、代谢产物毒性表征不足，以及需要通过综合多组学方法来全面评估亚致死和跨代效应。本文提出了未来的研究方向，重点聚焦于通过遗传操纵关键解毒基因来开发低残留作物品种，以及量化土壤微生物群落对除草剂降解的田间尺度贡献。本综述为评估HPPD抑制型除草剂的环境行为、控制环境介质中的残留污染以及保障生态安全提供了理论和技术支持。
引言
粮食短缺和生态安全是迫切需要公众关注和创新的全球性紧迫挑战。杂草的蔓延对农业生产力和自然生态系统构成重大威胁。因此，除草剂的应用是解决杂草问题最为成功的策略之一。然而，除草剂的使用也带来了新的挑战，如生产成本高、作物选择性低、杂草抗性以及对外源和非外源生物体的毒性等问题（Dhouib等，2016；Siehl等，2014）。
4-羟基苯丙酮酸双加氧酶（HPPD，EC 1.13.11.27）作为除草剂开发中的关键靶标，具有重要的研究价值（Fu等，2019）。该酶属于单核非血红素亚铁、α-酮酸依赖性酶家族，广泛存在于除少数革兰氏阴性菌以外的所有生物体中（Moran，2005）。作为生物体酪氨酸代谢途径中的关键酶，HPPD催化4-羟基苯丙酮酸（HPPA）向2,5-二羟基苯乙酸（HGA）的关键转化过程（Ahrens等，2013；Fu等，2019；Nishio等，2025）。这一过程对于维持好氧生物（包括植物、动物和微生物）的正常代谢至关重要（Raspail等，2011），它是酪氨酸分解代谢中的一个关键步骤，最终生成延胡索酸和乙酰乙酸（Dreesen等，2018）。
在植物代谢网络中，HGA具有双重代谢功能：一是作为生育酚（包括生育三烯酚和生育酚）和异戊二烯醌（如质体醌）生物合成的前体，参与抗氧化代谢；二是通过质体醌介导的光合电子传递链维持光系统II的正常功能。具体而言，质体醌作为八氢番茄红素脱饱和酶所必需的辅因子，直接调控类胡萝卜素的生物合成（Norris等，1995）。当质体醌水平下降时，八氢番茄红素脱氢酶活性受到抑制，导致类胡萝卜素合成受损（Gallego等，2012；Xu等，2019）。类胡萝卜素在植物内发挥双重保护功能：通过光捕获复合体参与光能转化，同时作为抗氧化剂保护光合膜系统和叶绿素免受氧化损伤（Liu等，2013；Maoka，2023；Norris等，1995；Qin等，2007）。因此，一旦HPPD的活性受到抑制，植物中酪氨酸的正常代谢将被阻断，导致植物缺乏类胡萝卜素，进而引起叶绿素过度光氧化，影响光合作用，最终导致植物因白化而死亡（Hu等，2022；Murphy等，2021；Nan等，2021；Oliveira等，2017）。
第一款进入市场的HPPD抑制型除草剂是吡唑草胺，于1979年上市，标志着该领域已超过40年的发展历史。根据化学结构，HPPD抑制剂可分为三大类：异噁唑类、吡唑酮类和三酮类，具体取决于其化学结构和性质（Nakka等，2017）。通过持续的研发工作，包括三酮类衍生物、吡唑酮类和异噁唑类等结构类型的HPPD抑制剂已实现商业化应用，并在全球农业领域获得了广泛应用。从应用角度来看，这些除草剂主要针对玉米、水稻、谷物和甘蔗等经济作物的杂草防治需求。通过抑制HPPD的活性，它们阻断植物内的酪氨酸代谢途径，最终实现高效的除草效果。
作为现代农业的关键生产要素，全球农药年消费量已超过200万吨，其中除草剂占总量40%以上，构成了农药消费的主要部分（Syafrudin等，2021）。值得注意的是，在农业中使用的农药中，只有极少部分能精确靶向作物，而绝大部分直接进入环境介质，造成持续的生态风险（Marsala等，2020）。除草剂凭借其高效性、经济性和易用性，在中国农业生产体系中发挥着至关重要的作用。然而，随着粮食安全需求的不断提高，除草剂的品种和应用量均呈现显著上升趋势。这类化学物质的持久性特征尤为突出——某些除草剂组分可在土壤中持续存在数周、数月甚至数年，并通过土壤-植物途径对作物轮作系统产生跨季节影响。其在水中的迁移特性使其能够通过径流渗入水生生态系统，对非靶标生物构成直接威胁（Rani等，2022）。更需引起高度警惕的是，除草剂在环境介质中的化学转化可能产生具有更高毒性的二次污染物（Arora等，2019；Gao等，2022；Huang等，2020）。通过生物富集作用，这些威胁最终沿食物链传播，危及整个生态系统的稳定性和农业经济的可持续性（Silva等，2019）。
基于此，本研究旨在阐明HPPD抑制型除草剂的作用机制，批判性地调查其在植物中的吸收和转运模式、毒理学效应及其代谢途径。研究旨在评估其对非靶标生物（如作物）的潜在毒性，通过羟基化和糖苷化途径分析不同HPPD抑制剂在各种植物中的代谢归趋，并为合理施用除草剂以减少残留和药害提供指导，最终评估其安全性。
章节摘要
HPPD抑制型除草剂的早期发现与探索
HPPD抑制型除草剂的发展历史可追溯至20世纪70年代末（图S1）。1982年，先正达首先公开报道了先导化合物乙氧基喹啉（Fu等，2018），其靶标为乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）。该化合物能有效控制单子叶杂草（Romdhane等，2016），并在阔叶作物田块中表现出显著的除草活性（Villaverde等，2022）。1985年，学术界首次提出理论假设
HPPD抑制型除草剂在植物中的毒性
光合作用作为植物的核心生理过程，发挥着为植物生长提供能量、促进养分吸收以及增强植物对非生物和生物胁迫抗性等重要功能。一旦光合作用受到抑制，植物的生长发育将受到严重影响（Bassil等，2013）。HPPD抑制型除草剂还可能阻止植物形成光合色素，导致其绿色的叶片和茎秆变为白色半透明（图2）
HPPD抑制型除草剂在植物中的吸收与生物积累行为
许多类型的农药可通过径流和淋溶进入地表水和地下水，造成环境污染。具有高水溶性、低土壤结合能力和低降解性的农药表现出显著升高的环境迁移风险。这些化合物容易透过土壤孔隙向下渗透，污染地下水，还可能通过食物链积累，最终威胁水生生态系统和人类健康（Hou等，
HPPD抑制型除草剂的代谢机制
除草剂代谢研究聚焦于其在植物内吸收、分布和生物转化的动态过程（Hurtado等，2016）。它是评估农药环境安全的关键组成部分，贯穿于农药从开发到应用的整个生命周期。一旦农药被释放到水生环境中，其环境归趋受物理化学和生物过程的共同支配（Peris等，2022）。在复杂的
总结与展望
随着农业现代化的加速推进，农药过度使用的突出问题日益凸显。尽管HPPD抑制剂对靶标杂草具有高度选择性，但其在水稻和小麦等非靶标作物中的残留仍可能因吸收模式差异、维管束转运效率和组织特异性积累而引发代谢胁迫。正如本综述所指出的，除草剂的吸收和转运受
CRediT作者贡献声明
杨振：撰写——审阅与编辑、监督。萧欢：撰写——审阅与编辑。聂恩光：撰写——初稿、经费获取、数据整理、概念构思。杨梦迪：撰写——初稿、可视化。刘建浩：软件、形式分析。王则刚：可视化、调查研究
未引用文献
Alferness和Wiebe，2002；Durand等，2006；Fu等，2019；Grossmann和Ehrhardt，2007；Liu等，2024；Zhao等，2024。
竞争性利益声明
? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作由国家自然科学基金（批准号：42207006）提供经费支持。
聂恩光|杨梦迪|刘建浩|王则刚|杨振|萧欢
