張冬　張宇　王萌　鄭服叢　楊葉

摘 要 草甘膦影響非靶標(biāo)植物的正常生長和發(fā)育。為進一步探究草甘膦在植物中的致毒機理，減輕草甘膦對非靶標(biāo)植物的藥害，介紹了草甘膦除草和代謝機制，概述草甘膦對植物光合作用、碳氮代謝等生理過程的影響，并對草甘膦的研究方向做出展望。

關(guān)鍵詞 草甘膦 ；機制 ；生理過程

中圖分類號 S482.4 文獻標(biāo)識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.09.012

Abstract Glyphosate has an influence on the regular growth of non-target plants. To figure out the toxicity mechanism of glyphosate in plants and reduce the injury of glyphosate to non-target plants， this review sheds light on the weeds controlling and metabolism mechanisms of glyphosate， expounds the effects of glyphosate on several physiological processes in the plants， such as photosynthesis， carbon metabolism and nitrogen metabolism， and put forwards some prospectives on further research of glyphosate.

Keywords glyphosate ； machanism ； physiological process

美國孟山都公司于1970年成功開發(fā)草甘膦，并在1974年對草甘膦進行商業(yè)化推廣[1]。草甘膦進入市場后，因其廣譜高效、環(huán)境友好等特點而被廣泛使用[2]。隨著抗草甘膦作物的推廣，草甘膦的使用量與日俱增。在非農(nóng)業(yè)用地（鐵路、苗圃、公路等）進行雜草治理時[3]，草甘膦也發(fā)揮著極其重要的作用。目前，草甘膦已經(jīng)成為世界上應(yīng)用最廣的除草劑[2]。

除草施藥時，草甘膦常因受人工和外界環(huán)境影響而漂移到非靶標(biāo)植物上，也可通過徑流[4]、排污等方式污染土壤和水體后間接作用于非靶標(biāo)植物。草甘膦的施用給農(nóng)田作物、苗圃花卉等非靶標(biāo)植物的正常生長帶來干擾，并造成一定損失。因此，深入研究草甘膦對植物生長發(fā)育的影響及植物被影響后產(chǎn)生的生理變化，為進一步探究草甘膦對植物的致毒機理提供依據(jù)。

1 草甘膦在植物中的相關(guān)機制

1.1 草甘膦被植物吸收及其在植物中遷移的過程

草甘膦噴灑在植物葉表面后，迅速穿透植物表皮角質(zhì)層，由共質(zhì)體緩慢吸收[5]，在木質(zhì)部和韌皮部中傳導(dǎo)。這個過程的持續(xù)時間取決于植物品系、植株年齡、藥劑濃度以及助劑類型等諸多因素[6]。同樣，溫度[7]、紫外線輻射[8]、土壤濕度[9]和光強[1]等環(huán)境因素也會影響植物對草甘膦的吸收。

1.2 除草時草甘膦對雜草的作用機制

在雜草葉表面噴施草甘膦，18～24 h后草甘膦傳導(dǎo)至雜草的根部和葉部；2～4 h后，一年生雜草表現(xiàn)出受害癥狀；7～10 h后，多年生雜草失綠、發(fā)黃、枯萎，嚴重者死亡[10]。草甘膦通過抑制5-烯醇式丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶活性（5-enolpyruvoylshikimate-3-phosphate synthase， EPSPS），影響苯基丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等芳香族氨基酸的生物合成，導(dǎo)致植物莽草酸合成途徑受阻[11]，從而使雜草死亡。

1.3 草甘膦在土壤和植物中的代謝機制

草甘膦進入土壤后迅速代謝，大部分草甘膦被微生物分解為氨甲基磷酸（AMPA）[12]，小部分降解為肌氨酸[13]。Reddy等[14]在植物葉片中也發(fā)現(xiàn)了類似的草甘膦降解代謝機制，他們在抗草甘磷大豆葉片及種子中檢測出AMPA，證明大豆植株將草甘膦代謝為AMPA ；Komoba等[15]在玉米、小麥的細胞提取物中檢測出未被代謝完全的草甘膦及其代謝產(chǎn)物AMPA。經(jīng)過維管組織后，草甘膦穿透植物組織，到達代謝位（根、莖間分生組織等）。其中一部分草甘膦在植物代謝部位中降解為AMPA，因此一些新陳代謝比較快的植物器官（節(jié)間、根間 、芽間等）沉積了大量的草甘膦和AMPA[16]。

2 草甘膦對非靶標(biāo)植物的危害

隨著草甘膦使用量的迅速增加，草甘膦給非靶標(biāo)植物正常生長發(fā)育帶來的影響也成為一大問題。受環(huán)境條件（風(fēng)、溫度、濕度等）、噴霧壓力、噴嘴類型、霧滴大小、除草劑劑型、作物種類與品種、生育期以及除草劑施藥距離等因素制約，草甘膦在施藥過程中噴霧質(zhì)量不高，常出現(xiàn)脫靶霧滴漂移現(xiàn)象[17]。草甘膦霧滴飄移可污染土壤、水體、大氣等環(huán)境基質(zhì)，對非靶標(biāo)植物造成了直接和間接的傷害。植物吸收草甘膦后，草甘膦由植物根部[18]或殘茬[19]滲出而回到土壤；植株死亡后，草甘膦再次被釋放到土壤中[20]。同時，農(nóng)業(yè)灌溉、降雨等方式引起的徑流擴大了草甘膦的污染面積。在農(nóng)田施用草甘膦后，大豆減產(chǎn)[21]，當(dāng)草甘膦濃度超過7.38 kg/hm2時，大豆的結(jié)瘤水平在某種程度上受到損傷[22]。草甘膦對非靶標(biāo)植物的藥害過程比較緩慢，噴灑草甘膦后的初期，植物的藥害癥狀不明顯，一定周期后癥狀顯現(xiàn)。所以，草甘膦對植物造成的藥害通常得不到及時的判斷，導(dǎo)致農(nóng)田、苗圃等地的損失擴大。

3 草甘膦對植物生理的影響

3.1 草甘膦對植物光合作用和葉綠素含量的影響

敵草隆等除草劑通過直接阻斷植物光合作用的電子傳遞來抑制光合作用[23]，不同于此類除草劑，草甘膦通過抑制類胡蘿卜素、葉綠素、脂肪酸或者氨基酸的生物合成，間接影響植物的光合作用。EPSPS是植物莽草酸途徑中不可或缺的酶，草甘膦作為EPSPS抑制劑，阻礙植物草莽草酸途徑，抑制光系統(tǒng)Ⅱ中相關(guān)蛋白及植物次級代謝產(chǎn)物（包括醌類化合物等及光合作用相關(guān)的化合物）的生物合成。

草甘膦是一種強大的陽離子螯合劑，其羧基和磷酸基團與植物組織中的營養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合后形成復(fù)合體，使植物營養(yǎng)缺失，從而不能進行光合作用等生理活動[24]。Cakmak等[24]在易感草甘膦（GS）大豆葉面噴灑草甘膦后發(fā)現(xiàn)，GS大豆根和種子的陽離子濃度降低。田間和溫室研究表明，施用草甘膦后，植物的光合速率受到影響[25-26]。經(jīng)草甘膦處理后的地衣[27]和三棱草[28]，葉綠素等光合色素含量下降，光合速率降低。在2種不同水劑、不同濃度的草甘膦分別作用下，抗草甘膦大豆葉綠素含量與光合速率的變化趨勢一樣，均呈下降趨勢[29]。噴施草甘膦導(dǎo)致橡膠樹葉片脫落，新生葉片畸形，畸形葉片葉綠素含量降低[30]。

葉綠素位于葉綠體類囊體薄膜上，是參與光合作用的主要色素。光合作用中，葉綠素捕獲光能，驅(qū)動電子轉(zhuǎn)移到反應(yīng)中心[31]。葉綠素是鎂卟啉化合物，卟啉結(jié)構(gòu)中鎂和鎂螯合酶是生成葉綠素分子的關(guān)鍵因子[32]。施用草甘膦后，樹葉的鎂含量降低，植物的葉綠素合成受阻[23]，葉綠素含量以及光合速率相應(yīng)降低[33]。5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，ALA）是葉綠素生物合成途徑中至關(guān)重要的一種酶[34]，而過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶與ALA的合成有著重要的關(guān)系，對缺鐵脅迫高度敏感[33]。缺鐵脅迫誘導(dǎo)植物后，CAT和過氧化物酶受到影響，ALA合成因此受阻。此外，草甘膦通過抑制α-酮戊二酸、琥珀酰輔酶A和甘氨酸等轉(zhuǎn)化為ALA的進程，從而干擾ALA的生物合成[35]。

葉綠素?zé)晒馐茄芯抗夂献饔玫闹饕侄沃?。通過葉綠素?zé)晒鉁y量植物光合作用各項指標(biāo)，有助于評估草甘膦對光合作用的影響[36]。于巴西海棠木葉片上噴灑草甘膦后發(fā)現(xiàn)，最大電子傳遞速率ETR值在噴灑第二天顯著降低，之后緩慢回升[37]。于大豆第二復(fù)葉完全展開時，用草甘膦對其進行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大豆葉片胞間二氧化碳（CO2）濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、凈光合速率（Pn）、最大熒光（Fm）、PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、PSⅡ的有效量子產(chǎn)量[Y（Ⅱ）]、PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量[Y（NO）]、最大電子傳遞速率（ETR max）和半飽和光強（Ik）等均呈下降趨勢[38]。通過對葉綠素?zé)晒膺M行研究發(fā)現(xiàn)，草甘膦對植物的光合作用產(chǎn)生了影響。一些學(xué)者在研究草甘膦對植物光合作用的影響時發(fā)現(xiàn)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)無變化[39]。筆者推測外界環(huán)境、操作方法等對實驗結(jié)果都存在著影響。

3.2 草甘膦對植物碳氮代謝的影響

碳氮代謝不僅影響著植物的生長發(fā)育，還在很大程度上決定植物的品質(zhì)及產(chǎn)量，是植物最基本的物質(zhì)和能量代謝的生命過程。碳氮代謝的動態(tài)變化直接影響著植物礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收、蛋白質(zhì)的合成、光合產(chǎn)物的形成與轉(zhuǎn)化等生理過程。于植物葉面施用草甘膦和AMPA后，植物參與碳循環(huán)的生理過程受到影響，植物的氣孔導(dǎo)度值降低[24，40-41]，碳同化能力下降，CO2濃度升高[27，39]，1，5-二磷酸核酮糖（RUBP）和3-磷酸甘油酸（3-PGA）的含量降低[42-43]。

于糖用甜菜上施用草甘膦后發(fā)現(xiàn)，甜菜的氣孔導(dǎo)度和碳儲值下降[44]，核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）含量減少。于白羽扇豆葉面噴施10 mmol/L草甘膦5 h后，Rubisco酶活性降低了26%[45]。RUBP和Rubisco在卡爾文循環(huán)中起碳固定作用，RUBP、Rubisco含量的降低直接導(dǎo)致碳儲值下降，植物的碳代謝受到影響[45]。

草甘膦抑制光合作用和碳底物的供應(yīng)，影響大豆共生固氮菌[46]，大豆共生菌的固氮量是大豆對氮素總需求量的40%～70%，草甘膦通過根瘤菌等共生固氮菌直接或間接影響宿主植物的生理，從而破壞植物的氮代謝[47]。除植物外，微生物中的EPSPS酶[48]、植物與微生物的相互作用等都受到草甘膦的影響。噴灑草甘膦后，植物缺失營養(yǎng)元素[46]，吲哚乙酸（IAA）的平衡遭到破壞[49]，根瘤減少，共生菌的固氮作用受到影響。

3.3 經(jīng)草甘膦作用后，植物出現(xiàn)氧化反應(yīng)

草甘膦作用于植物體后，特異性目標(biāo)位點受到抑制，莽草酸途徑受阻，植物出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)[50]。植物通過合成酶和非酶促抗氧化劑積累活性氧，以緩解應(yīng)對其氧化反應(yīng)[51]?；钚匝跚宄富钚?、丙二醛含量和膜脂過氧化產(chǎn)物是經(jīng)常被用于衡量氧化反應(yīng)的參數(shù)[50]。

噴灑過草甘膦的玉米葉片中脂質(zhì)過氧化速率加快，谷胱甘肽、輔氨酸含量和離子流密度增高[52]。用基因表達分析研究發(fā)現(xiàn)，在水稻葉片上施用草甘膦后生成過氧化氫，導(dǎo)致過氧化以及脂質(zhì)破壞。經(jīng)草甘膦處理后的植株葉片中Rubisco大亞基減少，抗氧化酶[抗壞血酸過氧化物酶（APX）、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GST）、硫氧還蛋白h型、二磷酸核苷激酶1（NDPK1）、過氧化物酶和超氧化物歧化酶的葉綠體前體]含量升高[49]。

用草甘膦分別處理抗草甘膦大豆和易感草甘膦大豆植株后發(fā)現(xiàn)，大豆均未進行脂質(zhì)過氧化反應(yīng)[53]，二者游離氨基酸含量升高，易感草甘膦大豆中的游離氨基酸含量明顯高于抗草甘磷大豆。游離氨基酸具有抗氧化作用，可阻止脂質(zhì)過氧化反應(yīng)[54]。

草甘膦誘導(dǎo)植物產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)后，植物的過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶活性會受到影響。在浮萍植物上研究發(fā)現(xiàn)，施用草甘膦后，浮萍植物發(fā)生氧化應(yīng)激，腐胺、亞精胺和多胺過量積累，CAT和APX活性升高[55]。經(jīng)草甘膦處理過的小麥和玉米出現(xiàn)了氧化應(yīng)激現(xiàn)象，丙二醛（MDA）、過氧化氫含量、抗氧化酶（SOD、CAT、GPX）活性也隨之增高。草甘膦在豌豆屬植物葉與根中的施用結(jié)果表明，GSH谷胱甘肽還原酶被活化，GST轉(zhuǎn)移酶活性增強，氧化谷胱甘肽含量增加，從而產(chǎn)生氧化應(yīng)激現(xiàn)象[51，56]。草甘膦誘導(dǎo)葉片扭曲，影響活性氧的合成以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化[57]。

3.4 草甘膦對植物激素的影響

植物激素廣泛分布于植物中代謝旺盛的部位（莖尖、根尖等），植物激素的合成也在這些部位中進行。這些部位積聚著大量草甘膦，草甘膦的存在導(dǎo)致植物激素合成受阻，植物正常生長發(fā)育受到影響。

生長素（auxin）是促進植物生長的植物激素。IAA是植物主要的生長素，由色氨酸及色氨酸的主要衍生物（莽草酸途徑的產(chǎn)物）合成。所以，通過抑制莽草酸途徑，可使植物生長素的合成受阻。實驗發(fā)現(xiàn)，亞致死劑量的草甘膦會降低棉苗IAA基部運輸速率[58]。用草甘膦和AMPA對煙草愈傷組織進行前處理，其氧化降解能力增強，IAA因代謝受阻而含量減少，植物生長滯后[59]。

細胞分裂素（CTK）能夠緩解草甘膦引起的植物黃化[51]。經(jīng)草甘膦和環(huán)嗪酮混劑處理過的3～4 a生長齡的北美云杉，其CTK含量降低，此時草甘膦在北美云杉根的中上部位沉積最多，在這個部位，細胞分裂素含量下降幅度也是最大的[60]。

赤霉素（Gibberellin，GA3）與Cyt作用相似，可刺激花、葉、芽生長[61]。高等植物中的細胞色素氧化酶（P450）參與赤霉素、油菜素類固醇和茉莉酸（jasmonic acid，JA）等生物合成。草甘膦抑制細胞色素氧化酶（P450）活性，使得赤霉素生物合成受到干擾[62]。草甘膦對其他植物激素也有一定影響，如影響乙烯和脫落酸（Abscisic acid，ABA）合成[58，63]。而草甘膦對脫落酸等植物激素的影響機制尚不清楚，仍有待研究。

3.5 草甘膦對植物木質(zhì)素的影響

在面對外界生物和非生物壓力時，纖維束分子的木質(zhì)化能夠有效地保持植物的穩(wěn)定性和耐受性[64]。木質(zhì)素與植物器官形態(tài)及功能休戚相關(guān)，其含量降低會導(dǎo)致植物防御系統(tǒng)、養(yǎng)分和水平衡受到破壞。草甘膦抑制EPSPS酶合成，使肉桂酸酯前體的供給受到影響，木質(zhì)素合成也因此受阻[65]。木質(zhì)素的形成受莽草酸生物合成過程中的關(guān)鍵產(chǎn)物苯丙氨酸控制。噴灑過草甘膦的抗草甘膦大豆，其苯丙氨酸與酪氨酸含量在短期內(nèi)顯著下降，木質(zhì)素形成異常，莖脆弱，整株易開裂[66]，其木質(zhì)素含量明顯低于未經(jīng)草甘膦處理的植株[46]。

4 展望

草甘膦是世界上使用量最大的農(nóng)藥品種，鑒于其廣泛使用率，草甘膦對植物正常生長發(fā)育的影響也成為研究的一大熱點。目前，關(guān)于草甘膦對植物生理機制的影響研究已經(jīng)取得一定進展，鑒于草甘膦對植物分子機制的影響研究甚少，筆者將采用分子技術(shù)研究ABA信號途徑在抗草甘膦中的作用。脫落酸（ABA）是一種重要的植物激素，參與多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，特別是在植物抵御外界不良影響（干旱、低溫、農(nóng)藥作用等）時起著尤為重要的作用。植物A類PP2Cs（Type-2C protein phosphatase）蛋白磷酸酶是ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的負調(diào)控子，并參與調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育，因此PP2Cs結(jié)構(gòu)與功能的研究對闡明ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制具有十分重要的作用。ABF（ABRE binding factors）轉(zhuǎn)錄因子是ABA的應(yīng)答原件蛋白，參與調(diào)控ABA相關(guān)基因的表達，從而提高植物對環(huán)境脅迫的抵御能力。在研究草甘膦導(dǎo)致橡膠樹葉片變形的生理響應(yīng)的基礎(chǔ)上，筆者將通過分子生物學(xué)技術(shù)的方法，證明PP2Cs 和ABF轉(zhuǎn)錄因子基因在橡膠樹抗草甘膦中的作用，分析ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在草甘膦誘導(dǎo)橡膠樹葉片畸形中的功能。

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