【doc】支链氨基酸生物合成与除草剂品种开发

【doc】支链氨基酸生物合成与除草剂品种开发 支链氨基酸生物合成与除草剂品种开发 赫,,招赫吻,刷铖? 农药译丛第十四卷第二靶(1992年) ?争}一 支链氨基酸生物合成与除草剂品种开发 苏少泉 (东北程学院)T?乓{22 支链氨基酸是植物体内蛋白质合成的重要物质.这类氨基酸系含碳氢化台物侧链的化 合物,其生物台成受则导致蛋白质合成停止,从而使植物生长严重受害直至死亡.最近 10余年来,以抑制支链氨基酸生物合成途径为目标来设计和开发除草刺新品种,已成为最 重要的研究领域.迄今为止,尚未发现有其他类型的除草剂能与抑制支链氨基酸生物台成 钧除草剂相匹敌.这类除草剂的突出之处为:(1)选择性强,对作物高度安全(2)活性高.杀 草谱广其生物活性为传统除草荆的1o0—10O0倍;,3)无毒或毒性极低,这是因为动物体内 不存在支链氨基酸的台成,而是从植物性产品中获取,故而此类除草剂对人和动物基本无 毒.如各种磺酰脲类除草剂对大鼠的Lo均大于垂1oo毫克/千克,而食盐却为3000毫克/ 千克.因此,开发抑制支链氨基酸生物台威的新化台物已成为除草剂品种中最活跃的领域. 对此,美国化学会农业化学品分会还在1987年9月专门召开了抑制盘链氨基酸合 成的除草 剂的学术讨论会. 支链氨基酸合成与除草剂靶标 植物体内氨基酸的合成受相应酶的调节控制.而各种氨基酸抑制剂则正是通过控制这 种不同阶段的酶以发挥其除草效应的.在支链氨基酸生物合成的开始阶段的重要酶为乙醣 乳酸台成酶(AI8).其可将两母分子的丙酮酸或一个分子的丙酮酸与a一丁酮酸催化缩台, 分别生成-乙酰乳酸或乙酰羟基丁酸,进而经过一系列反应形成缬氨酸,亮氨酸和异亮氨酸 (图1).这些支链氨基酸通常在植物叶绿体内进行,但其中的若干反应亦可在酵母菌的线 粒体中进行. 人们在肠细菌中发现了多达6种的ALS同工酶,其中有3种的编码基因为iBN (ALBI),il'vG?(ALSl1)与I?(ALSII~).有人从E.00和.蛳m札m中分别 提取井纯化了同工酶ALSl和.A_LSII,它们系由两个大的(60000道尔顿)与两个小的(970O 道尔颧)亚单位所组成,而有关植物体内ALS的亚单位的组成尚未阐明.这三种坷工酶对 各种除草剂的敏感性不同,其中以AI.SII则最为敏感,但为高等植物中酶的i/io.植物体 内的ALS对磺酰脲类除草荆的敏感性明显高于细菌与酵母菌.ALB系核编码,固定于高 等植物叶绿体中的酶,其重要的一个特性是需求FAD,而FAD能防止羟乙基一TPP (?ETPP)中间产物质子化;在ALS反应中离不开TPP,因为它能活化缩合反应中所必需 .当有此 的中间产物.为使酶全部活化,还需要有金属离子,内以Mg与Mn最为有效两种离《在时,ALS可与硫胺焦磷酸徐徐形成可逆塔台物.而磺酰腮类除草荆(如甲 磺磕 ? 工, 恤\一-- ?l 1ml,tlI1_训_一'{t口??一翻I?啊??一H?'【l,』 L--广——]—-一/ -蠹t/'\\ '秘t|丙f,}麒 ATAd一&姗/r\n -I, —-一一目,A蕾删fT }I"|:啊 *?l l 图1氨基酸生物台成途径中的除草剂作用靶标 隧)则可截留酶的硫胺焦磷酸,并与ALS-FAD-Mg和硫胺噻唑酮焦磷酸阎所形成的几 不可逆的络合物丰【结合f,逆转ALfFAD-TPP-Mg一脱羧丙酮酸复合物,并竞争第2个丙 酮酸的结合点. 通过亿学骤冷技术,已获得了ALS产生的中间产物I~ETPP;磺酰脲类除草剂甲磺嘧 与ALS的辅因子——硫胺焦磷酸的结构相似,它们均含有取代嘧啶基,远离嘧啶基处有 一 个双键三方中心(甲磺嘧隆为一个羰基.而在硫胺焦磷酸则有一个噻唑氮基),在进行催化 埘.脱离甲磺嘧隆的氨磺酰与硫胺焦磷酸中的噻唑环的a—碳之三键则带负电荷.如果除 草剂的羰基失去芳环,则其鲺磺酰环的体积与硫按焦磷酸的噻唑环相近.因此,硫胺焦磷 酸的噻唑环在催化时仅在酶的a一2进行离子化,其p?值约为18,而甲磺嘧隆的氯磺酰的 ,K值约为5,据此可认为除草剂是AL8反应中间产物的类似物.不论是开始或最终的抑 作用它们都是与丙酮酸进行竞争丙酮酸与除草剂及ALS的反应具有双重影响,当丙酮 酸与ALS活性点的TPP噻唑部份结合对便产生HETPPALS中间产物,这样除草剂可 与其紧密结合;除草剂的结合点与第2个丙酮酸或一丁酾酸的结合点相重合,这说明其是 竞争性的抑制作用. 根据ALS对FAD的异常需求及对各种除草剂的异常敏感性发现,丙酮酸氧化酶基团 与肠细菌中ALS的三种主要同工酶ALSl,ALSII,ALSIII的亚单位基团以及酵母菌,与 高等植物(如拟南芥菜及烟草)中的AL8相似;不同的是丙酮酸氧化酶系利用其正常氧化还 原反应时所需的FAD,在体内束缚一个额外的辅因子——辅酶Q(Qe),在Qs与丙酮酸氧 化酶相互反应机制及各种除草剂与AL8反应之间存在着明显的对应关系.从丙酮酸氧化 酶反应化学来看,辅酶Q(特别是蕊部份)正如磺酰脲类除草剂(甲磺嘧膳)那样,系与酶和黄 素的活性点相结台.因此,除草剂与AL8的结合部位以及与丙酮酸氧化酶的醌的结合部 ?2' O 甲磺嘧隆 0 一 一 『/ >一厂 EETPP硫膀噻唑酮焦磷酸 圈2植物体内支链氨基酸生物台成抑制剂与EETPP的阴离子型及其类似物 位,都是开发新品种的靶标. 眯唑啉酮类除草剂是丙酮酸的非竞争性抑制剂,但与磺酰脲类除草剂不同之处是其结 合点不与第2个丙酮酸结合点耜重叠.因此,可能存在其他作用机制,例如一些对磺酰脲类 具有耐性的kLS突变品系对眯唑啉酮类却是敏感性的;反之,对眯唑啉酮类具耐性的对磺 酰脲类却是敏感的.如果两类除草剂与植物ALS为同一结合点,则就不会出现这种现象 磺酰脲类与咪唑啉酮类除草剂的反应途径较为复杂,在酶转换态条件下,它们结合最紧 口|.a.. m 图3,的结构及ALS(I~阶段)与丙酮酸氧化酶(工I,阶段)的反应 前两阶段(1_0.1.0)相近,R1,,Ra,分别为=磷酸乙基,咤啶基一 q日曲晾苷=磷酸核糖醇基与儿异戊间二烯(J?V-8chloss等,1988) - 3? ? z\ H 一一 u/C NN ? 一 一/一 .. 一.吣一 密除草剂与ALS的特殊结合点是丙酮酸氧化酶的醌束缚点,因此,辅酶Q(泛醌)的同菜 物‰与也是ALS的潜在抑制剂,而‰则为昧唑啉酮类及磺酰脲类除草剂与ALS的结 台点(圈3). 在ALS以后的反应是乙酰羟酸为基质,以酮酸还原异构酶进行催化的两种重要反 应.即进行一个烷基转移及进行酮的还原,在这过程中NADP?是一种辅基质,而M.系 反应的必须物.而作为催化的还原异构酶是一分子量为220000的四聚体,其反应为分子内 盼反应.缬氨酸与异亮氨酸生物合成的以下两个阶段包括二羟酸脱氢,即经转氨作用转变 为酮酸再由脱氲酶反应生成一种烯醇中间产物.有人从菠菜叶片中提取出二羟脱氢酶,其 是一种63000遭尔顿亚单位的二聚体,含有一种[2Fe-2s]群,可作为设计除草剂新品种的 靶标. 目前以支链氨基酸生物合成中ALS及其以后台成途径中的酶为靶标,来开发新型除 草剂的研究正在不断深入与扩大,除了闻名于世的上述两类外,近年来开发了能抑制 ALS的三唑嘧啶,毗唑啉类及嘧啶氧苯甲酸类化合物.此外还有矸一酞酰一L一缬氨酸酰替苯 胺,23一二甲氧基一甲基苯醌以及从2一甲基缬氨酸衍生的r-磺酰羧酸胺等;而广谱除草 剂2-(--甲基膦基)-2-羟乙酸则可抑制ALS以后的还原异构酶,另外,还设计了此种酶催 化反应的中间产物之类似物——草酰氧肟酸的抑制剂,以及对支链氨基酸生物台成中的第 三种酶一二羟酸脱氢酶的抑制剂. 磺酰脲类除草剂的新品种 在1966年首次报导了磺酰脲类除草剂,其为均三氨苯类除草剂扑灭津的衍生物,除草 活性与扑灭津相似以后此类化音物一直沉寂了好几年,直至70年代初期Levi~~介绍了 化台物(II)具有根弱的植物生长调节活性.到1976年,Lovi~i合成了化台物(III).其以20 千克/公顷的剂量时呈现了很高的除草活性,由此开始了农药工业发展史中前所未有的大 规模的研究.Lett(1978)与Finner~y(]979)先后报导了N-(I,3,三氮苯基氨基羰 基苯磺酰胺的活性,并开发了第一个磺酰脲类除草剂氯磺隆(ohlorsulfuron),于1982年 商品化.又以此为先导,相继开发了一系列各种用途的品种,到1989年5月,共有27家农 药公司登记了375个专利(其中杜邦公司占71茄),涉及了上万个化合物.(图4)即为此类 除草剂的发展沿革. /oI o,OeNHO. 0 I\N--/ …吣 一 CNHc…一 ol 厂\一soNHGoNH' 一 / 氯磺l堑 图4磺酰脲类除草剂的发展 ?l? 口\\N/,一N,\ 一 佃 /\/\ 一一广 且 N? 日I? ? \/ (,一二 劳基——脲桥——杂环 图5磺酰臊类除草剂的结构模式 磺酰腺类除草荆的结构模式包括三个部份:芳环,脲桥与杂环(图5),在苯磺酰脲中, 以 在苯环邻位中由01,GOOOH8,OOOO2?,OCIH2a?2(111,OGH?2O0H3,SO.O?3, SO2N(a?8),CH2O0H3,F,Br,OO]~s,0CF3,aF3,0?3等取代及间位由00H3,0?,al, OOIIF.,OC.?,NHOH8等取代的化台物活性最高.在开发的新品种中,化台物结构的主 要变化为:(1)苯环改变为各种芳环;(2)芳环邻位含不同取代基:(8)杂环问位含不同取代 基.根据这些结构变化的基本原理,近年来又开发出若干活性高的品种(1). 表i新的磺酰睬粪除草剂 一…一/一 \/ \00H. 通用名商品名及代号结构式物化性质用法 , OFs熔点166~170'G,水草皮,芽前靶苗看址 8L一160 : /_,中溶解度0a):16.1理,每公顷用量25~00?a口ifur(mShlbageupm克,防除一燕及多年生一 /. C杂草. Accent.HU-1,/\/.0N(0H.!瘩点:172,17G,水玉米苗后处理,每公 nlcosv3furon \. 中溶解度:pH7为~s,ooo,顷用量40~60千克防除 8L-950.DPX-~9860H4.5为9(~ppm一年与多蔓皇承五科与 阔叶亲草 Se幻.0G一./OUH~CH200?0熔点144.6~C,水中水稻芽前与苣后处理, oinosulfurono日一142464./一溶解度(soa)p?5为每公顷用量20.~'50克, aF-14,~705\一/RN8日,p丑7为3700ppm防除一年与多芷生嗣叶 及莎草科杂草. /O00aEb熔点:?3.1~C,水中玉米苗后处理,每岱 eGA一186872厂《为0.甘溶解度(2..0):p?7为蘑用量l0,目O克,防除R<一 O07克/升.一年爱多年生叶叠禾 ,一Bl:0本科杂草. DPX—E.6粕 :一熔点:18,1.q水玉米苗后处理,每盛中溶解度(习5ao):(10嗄用置5,15竞,防陈一p年及多年生阔叶及禾本\N,0科杂苴. 茁日9l3丫m溶点:15,1rO,水水稻芽前及苗后处理中溶解赛0r硪每咎顷用量pO克,防臻为6.?,6PPm一年爱多年生阔叶与莎 \/—草科杂草. ? 5? 三唑嘧啶类除草剂 最近发现1,2,4_三唑[1,5_a]嘧啶是新一类支链氨基酸生物台成抑制剂,其通式如 X …一 ,/\r \N一人 X 圈 \N人 \NN TP(DowElanco公司 这是很有潜力的新领域,其中已发现TP对ALS具有显着的抑制作用,活性介于磺 酰脲类 与眯唑啉酮类除草剂之间,以10~SO克/公顷的剂量能有效地防除小麦,大麦,水稻和玉米 田的大多数杂草. 吡唑啉与嘧啶氧苯甲酸类除草剂 2^毗唑啉一基酰替苯胺是一个具有杀虫活性的化合物,若在其吡唑啉的苯环与氨基 可j酰部份之间引入磺酰基后所得的N一(2一毗唑啉_1一甲酰)苯磺酰胺则具有很高的除草活 性.在其分子结构(IV)中.若吡唑啉环第5位被取代时,则可提高其活性.当苯环上为2一 氟一,2,6-二氟一,26-二氯.,3.氯一,4.氯一,2,3-二氯一取代时则具除草活性. ,o(舶 …?.一…吣Qx \劣姐.IVPDB 在嘧啶氧苯甲酸中,日本组台公司开发的POB具有卓越的除草活性t有可能商品化. 值得重视的问题 以支链氨基酸生物台成途径中的各种酶为靶标来设计和开发新除草剂巳引起人们广泛 的重视,并巳开发了一系列高活性或超高活性的新品种.而今涉及的化合物类型越来越多, 有可能成为开发新品种的新领域,但是在推广使用时需重视以下几个问题:L1)由于此类除 草剂的靶标比较单一,需警惕和防止杂草抗性及交互抗性的产生.(2)对一些残留期长的品 种,应注意其在土壤中,特别在高p?土壤中的累积问题.(?在长年连续使用时,须注意杂 草种群演替.(4]了解磺酰碌类除草剂对作物根系的影响及自我调控. .6? ,