甘蓝（Brassica oleracea L.）中杀虫剂植物毒性的机制基础：关联氧化应激、线粒体功能障碍与分子相互作用

《Journal of Environmental Sciences》：Mechanistic basis of insecticide phytotoxicity in Brassica oleracea L.: Linking oxidative stress, mitochondrial dysfunction, and molecular interactions

　　

• •杀虫剂诱导芸薹产生剂量依赖性植物毒性。
• •根超微结构和线粒体功能受到严重破坏。
• •活性氧（ROS）过量产生导致广泛的氧化损伤和膜损伤。
• •ATP耗竭和呼吸障碍扰乱细胞能量代谢。
• •综合生理学和分子对接分析阐明了杀虫剂的植物毒性机制。

引言

农药，尤其是杀虫剂的广泛使用，在提高农业产量和保障粮食安全方面发挥了关键作用（Majumder，2023）。然而，其大量且往往不加区分的使用引发了越来越多关于环境持久性、生态安全以及对非目标物种意外影响的担忧（Zhou等，2025）。由于在农业土壤中的持久性，许多杀虫剂在植物生长环境中积累，干扰农作物的生理、生化和分子过程（Sandanayake等，2022）。其残留物还会在可食用植物组织中积累，包括叶片、谷物和果实，从而进入食物链，损害食品质量和安全（Ray和Shaju，2023）。越来越多的证据表明，杀虫剂暴露会损害生长、光合作用、呼吸和代谢稳态，最终降低作物产量和品质（Khan等，2023）。

氧化应激被认为是杀虫剂诱导植物毒性的核心机制。杀虫剂在植物组织中的代谢会促进活性氧（ROS）的过量产生，包括过氧化氢和超氧阴离子自由基，导致细胞氧化还原稳态的破坏（Xu等，2022）。ROS过量积累会损伤脂质、蛋白质和核酸，破坏细胞膜稳定性，并损害重要的代谢过程（Zhang等，2024）。此外，ROS介导的脂质过氧化会破坏线粒体完整性，扰乱能量代谢，最终抑制植物生长和细胞活力（Wang等，2023）。尽管植物会激活酶促和非酶促抗氧化系统以维持氧化还原平衡，但长期或严重的杀虫剂暴露会压倒这些防御机制，导致不可逆的细胞功能障碍（Vicidomini等，2024）。

氟虫腈（FIP）、甲胺磷（PFP）和氯虫苯甲酰胺（CTPR）是保护蔬菜和谷物作物最常用的杀虫剂之一。尽管属于不同的化学类别并表现出不同的作用模式，这三种杀虫剂均被报道会对非目标植物产生植物毒性效应。氟虫腈是一种持久的三唑类杀虫剂，其残留物会损害幼苗生长、呼吸和根际微生物活性（Asad等，2021；Shahid等，2024；Dudwal等，2024）。甲胺磷是一种有机磷杀虫剂，与多种植物物种的生长抑制、色素丧失、染色体异常和有丝分裂紊乱有关（Mishra等，2014；Kumar和Prasad，2024）。尽管氯虫苯甲酰胺通常被认为是相对选择性杀虫剂，但越来越多的证据表明，高浓度可扰乱代谢途径，改变抗氧化酶活性，并损害农作物的发芽和光合性能（El-Sheikh和Ashour，2022；Kilic等，2015；Zhang等，2024）。这些发现共同表明，化学多样的杀虫剂可以通过多种细胞机制引起相似的可植物毒性反应。

尽管杀虫剂诱导植物毒性的证据越来越多，但非目标叶菜类蔬菜中毒效应的机制基础仍然知之甚少。像甘蓝（芸薹 L.）这样的叶菜类蔬菜特别易受伤害，因为它们生长迅速、代谢活动高且频繁接触农药，促进了杀虫剂的吸收和积累（Liu等，2023）。此外，以前的研究主要考察孤立的生理或生化反应，而氧化应激、线粒体功能障碍、细胞超微结构、抗氧化调节和分子相互作用之间的关系仍未得到充分探索。

除了实验毒性评估外，同源建模和分子对接等计算方法还提供了宝贵的机会，用于识别外源化合物的潜在蛋白靶点并预测与植物毒性相关的分子相互作用。杀虫剂与抗氧化和光合蛋白的结合可能干扰酶功能，破坏细胞氧化还原调节，并加剧氧化损伤（Galano，2025；Rajak等，2025）。然而，结合生理、生化、超微结构、转录和计算机分析的整合研究来解释蔬菜作物中杀虫剂诱导的植物毒性仍然稀少。

选择甘蓝（芸薹 L.）作为实验模型，因为它是一种经济重要的叶菜类蔬菜，在商业化种植过程中会常规接触杀虫剂。其快速的种子萌发、均匀的幼苗建立以及对化学胁迫的敏感性使其成为在受控条件下研究植物毒性机制的合适模型。因此，本研究采用综合实验和计算方法，以阐明甘蓝幼苗中杀虫剂诱导植物毒性的机制。具体而言，我们研究了FIP、PFP和CTPR对种子萌发、幼苗早期生长、氧化应激、根超微结构、线粒体膜电位、抗氧化防御、呼吸代谢以及通过同源建模和分子对接分析蛋白-配体相互作用的影响。与以前主要关注单一生理或生化反应的研究不同，本工作整合了生理、生化、超微结构、线粒体、转录、多变量和分子对接分析，建立了杀虫剂在甘蓝幼苗中诱导植物毒性的综合机制框架。

各节摘要

化学品和杀虫剂

本研究使用了三种工业级杀虫剂：氟虫腈（FIP；IUPAC：5-氨基-1-[2,6-二氯-4-(三氟甲基)苯基]-4-(三氟甲基亚磺酰基)-1H-吡唑-3-甲腈；CAS号：120068-37-3），甲胺磷（PFP；IUPAC：O-(4-溴-2-氯苯基) O-乙基 S-丙基 磷酸硫代酯；CAS号：41198-08-7），以及氯虫苯甲酰胺（CTPR；IUPAC：3-溴-N-[4-氯-2-甲基-6-(甲基氨基甲酰基)苯基]-1-(3-氯吡啶-2-基)-1H-吡唑-5-甲酰胺；CAS号：500008-45-7（表S1）。

杀虫剂对发芽和幼苗生长的影响

FIP、PFP和CTPR暴露显著且呈剂量依赖性地抑制了甘蓝的种子萌发和幼苗早期生长（图1a-d）。抑制效应随着杀虫剂浓度的增加而变得更加明显，其中PFP始终表现出最大的植物毒性，其次是FIP和CTPR。在100 μg/mL浓度下，FIP、PFP和CTPR处理分别使发芽率降低了70%、90%和60%（图1e）。同样，胚根长度分别降低了70.2%、83.7%和49.3%。

杀虫剂损害甘蓝的发芽和幼苗早期发育

本研究证明，所测试的杀虫剂以剂量依赖方式抑制发芽和幼苗早期建立，其中氟虫腈（PFP）表现出最大的植物毒性。成功发芽依赖于协调的水分吸收、储备物质动员、线粒体ATP产生和激素调节。杀虫剂暴露可能通过损害线粒体能量代谢和相关的生长调节途径扰动来干扰这些过程，从而

结论

本研究通过整合生理-生化、超微结构、分子和计算机模拟分析，对芸薹中杀虫剂诱导的植物毒性进行了全面的机制评估。在所测试的杀虫剂中，植物毒性始终遵循PFP > FIP > CTPR的顺序。在所测试的杀虫剂中，PFP对种子萌发的抑制作用最大，氧化和能量干扰最强。这些发现表明，氧化应激介导的线粒体

未引用的参考文献

Bhende等，2022；Amar等，2025；Gruenhagen和Moreland，1971；Gruenhagen和Moreland，1971；Amara等，2025；Kamguia等，2025；Amara等，2025；Levine等，1990；Moraes等，2011；Okolonkwo等，2022；Qian等，2024；Raj等，2024；Rajput，2018；Singh等，2011；Souza等，2025；Staszek等，2021；Y?ld?ztekin等，2015；Zhang等，2024；Batool等，2024

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利益冲突声明

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致谢

本研究由沙特阿拉伯利雅得沙特国王大学持续研究资助计划（编号：ORF-2026-972）支持。

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