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开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述，不少于2000字） 一、课题应达目的 近年来，粮食安全成为世界各国关注的热点问题。随着世界人口增长，人均收入增长，城镇化带来的粮食消费需求持续扩大，饮食结构升级以及工业用粮需求上升等因素进一步推动了粮食需求刚性增长。与此同时，淡水资源、生态环境、气候等自然资源的恶化和人均耕地面积的降低，使粮食等重要食品稳产和增产的难度越来越大，尤其是贫困地区和弱势群体的粮食安全仍面临不可低估的挑战。 目前影响农作物综合产量的因素主要是杂草危害、病虫害以及种子质量，且杂草危害是最为严重的一种。尤其在中国，最严重的杂草危害能造成作物减产达到40%以上。早在农业文明的初期阶段，我们的祖先就已经意识到了杂草对于农作物的危害，并采用人工除草的方式进行除草。当今中国农业已进入新的发展阶段，加强农业基础，依靠科技进步，采用现代化学除草技术作为提高农作物综合产量的有效途径，前景一片光明。 本课题基于除草剂作用的重要靶标酶对羟基苯基丙酮酸双氧化酶（HPPD）及乙酰乳酸合成酶（ALS），结合HPPD抑制剂和ALS抑制剂的结构特点，拟设计合成一类HPPD抑制剂与ALS抑制剂双靶点作用除草剂。 二、研究内容和研究手段 （一）研究内容
（二）研究手段 主要合成路线：
三、主要成果形式 本课题研究成果将以毕业论文的形式出现。 四、主要参考文献 详见文献综述部分。 五、课题工作进度 2018年2月26日--2018年3月4日 查阅并整理相关文献资料 2018年3月5日--2018年3月9日 完成开题报告 2018年3月10日--2018年5月10日 完成课题实验并进行结果分析 2018年5月11日--2018年5月28日 完成毕业论文 2018年5月31日--2018年6月10日 毕业论文答辩 六、文献综述 单独附在开题报告后面。 学生签名： 年 月 日 |
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指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 |
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所在教研室审查意见： 负责人签名： 年 月 日 |
填写说明
1.指导教师意见填写对文献综述的评语，对本课题的深度、广度及工作量的意见和对论文结果的预测；
2.所在教研室审查意见包括对指导教师意见的认定和是否同意开题等。
附
HPPD抑制剂及磺酰脲类ALS抑制剂的研究进展
摘要：本文对新型除草剂对羟基苯基丙酮酸双氧化酶（HPPD）抑制剂及磺酰脲类乙酰乳酸合成酶（ALS）抑制剂的发现历程、作用机制、主要品种进行综述。
关键词：对羟基苯基丙酮酸双氧化酶（HPPD）；乙酰乳酸合成酶（ALS）；磺酰脲类；除草剂；抑制剂
近年来，粮食安全已成为世界各国关注的热点问题。据联合国粮农组织（FAO）统计，当前全球人口已达70亿，预计到2050年将达到90亿以上。随着世界人口的增长，粮食的消费需求也在持续扩大，为了满足世界人口不断增长的需求，提高农作物的综合产量便成为当前农业发展的一项重要任务。目前，影响农作物综合产量的因素主要是杂草危害、病虫害以及种子质量，且杂草危害是最为严重的一种。杂草危害是一类世界性的问题，据报道，1972年全世界因杂草而造成的经济损失高达204亿美元。目前美国每年因杂草造成的损失占病虫草害总损失的42％。我国北方草原区毒害草蔓延，危害日甚，每年引起数万头牲畜中毒死亡，造成的巨大的经济损失[1]。因此，加速除草剂的开发，是我国现代农业发展的一大重要趋势。对羟基苯基丙酮酸双氧化酶（HPPD）和乙酰乳酸合成酶（ALS）均为除草剂作用的重要靶标[2]，下面将就这两类除草剂做简单介绍。
1.1HPPD抑制剂类除草剂研究进展
对羟基苯基丙酮酸双氧化酶（HPPD）存在于各种生物体中，是一种依赖Fe(Ⅱ)的非血红素氧化酶，在一个单一催化循环中将对羟基丙酮酸（HPP）经脱羧、取代基迁移和芳香环的氧化催化转化为尿黑酸[3-4]。在植物体中，该过程的产物尿黑酸是植物体合成光合作用中电子传递所需要的重要物质质体醌和生育酚的起始原料，其中质体醌还是影响八氢番茄红素去饱和酶催化的关键辅助因素，通过抑制HPPD，使植物体失去了赖以生存的基础，这已成为目前商品化高效除草剂的发展基础。在人体中，酪氨酸代谢过程中特定酶的缺失可导致一系列严重代谢疾病，而HPPD除草剂分子可通过酪氨酸有毒代谢物的积累，达到治疗酪氨酸代谢过程中的一系列缺陷。
1.1.1HPPD抑制剂类除草剂的发现历程
HPPD抑制剂先导化合物的发现始于美国加利福尼亚西部研究中心。1977年，当时研究人员注意到生长在红千层下面的杂草的数量比在周围的少，为了研究这一现象，他们利用薄层制备色谱从该植物中分离化合物，并将禾本科草的种子种植在该薄层制备色谱板上，结果发现在薄板的某一区域，草的生长被抑制，且有白化现象。进而根据具有除草活性组分的位置，鉴定结构，确定抑制剂为天然产物纤精酮。
当科学家发现乙酰辅酶A羧化酶抑制剂烯禾啶具有较好的除草活性后，对其化学结构进行了一系列修饰，从中得到了一类邻氯取代的衍生物，意外发现其具有很强的除草活性，由此发现了三酮类除草剂。1982年，捷利康公司在进行三酮类除草剂研究时首先发现对羟基苯基丙酮酸双氧化酶（HPPD）是这类除草剂的作用靶标，由此提出了除草剂作用的新靶标HPPD。该研究最终导致了欧洲玉米田苗后防除阔叶杂草除草剂磺草酮的商品化，同时在美国也开发出一种苗前、苗后防治玉米田阔叶杂草的除草剂mesotrione (ZA1296)并进行销售[5]。
HPPD抑制剂用于除草方面具有广谱、高效、残留低、环境相容性好、使用安全的特点，且尚未发现有关其抗性的报道，这更加引起人们对其抑制剂及其构效关系研究的重视，并进行了广泛的研究[6]。
1.1.2HPPD抑制剂类除草剂的作用机制
在植物体内，叶绿素生物合成或者类胡萝卜素生物合成如果被抑制,会导致已合成的叶绿素遭到破坏，并且都会造成植物发生白化症状而死亡。HPPD将对羟基苯基丙酮酸催化转化为尿黑酸这一过程是酪氨酸在植物体中代谢过程的一部分，催化的产物尿黑酸是指物体赖以生存的关键物质质体醌与生育酚生物合成的起始原料；此外，HPPD在酪氨酸降解中也起作用，由于它具有异戊烯苯醌的芳基前体，亦即作为保护光合细胞的重要载体的质体醌与生育酚，因而具有重要的组成代谢作用。除草剂抑制HPPD，导致阻碍4-羟苯基丙酮酸向尿黑酸的转变并间接抑制类胡萝卜素的生物合成，结果促使植物分生组织产生白化症状，最终死亡。具体过程如下：
HPPD的催化活性受酸度、温度、还原剂以及植物细胞溶液的影响。比如从玉米黄化幼苗中提取并纯化的HPPD酶，其分子质量为43 kDa；在0.1 mol/L磷酸缓冲溶液中，其活性最适宜pH为7.3，当温度从23℃提高至最适宜温度30℃时，其活性可提高2倍；当以抗坏血酸作还原剂时，其活性可提高2倍[2]；当植物细胞液含有多种金属离子与酪氨酸键合的蛋白时，其活性降低[7]。
1.1.3HPPD抑制剂类除草剂的主要品种
HPPD抑制剂的化学结构主要有三酮类、异噁唑类、吡唑类、二酮腈类和二苯酮类[8-10]。表1-1列出了已上市的HPPD除草剂的生产公司、名称与结构式。
表1-1已上市的HPPD除草剂的生产公司、名称与结构式
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公司 |
名称 |
结构式 |
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拜耳作物科学 |
tembotrione |
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tefuryltrione |
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pyrasulfotole |
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异恶唑草酮 isoxaflutole |
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先正达 |
磺草酮 sulkotrione |
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硝磺草酮 mesotrione |
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巴斯夫 |
苯唑草酮 topramezone |
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日本SDS生物技术 |
双环磺草酮 benzobicyclon |
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日本三菱化学 |
吡草酮 benzofenap |
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日本石原产业 |
苄草唑 pyrazoxyfen |
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日本三共 |
吡唑特 pyrazolynate |
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1.2磺酰脲类除草剂研究进展
磺酰脲类除草剂是一类乙酰乳酸合成酶（ALS）抑制剂。ALS是一种重要的支链氨基酸（缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸）生物合成酶[11]，如果ALS的活性受到抑制，将造成支链氨基酸的合成受阻，进而影响蛋白质的合成，最终导致植物受害死亡。
1.2.1磺酰脲类除草剂的发现历程
磺酰脲类除草剂除草活性的发现始于1966年，这是三氮苯类化合物扑灭津的衍生物（图1-1 A）。到70年代初这方面的工作才引起了人们的兴趣，提出了具有弱生长调节活的磺酰脲化合物（图1-1 B）。从1975年George Levitt制备了化合物（图1-1 C）并证明其高度除草活性之后，开始进行大规模的研究[11]。1978年，杜邦公司（Dupont）在George Levitt博士的指导下研制出第一个商品化的磺酰脲除草剂氯磺隆（Chlorsulfuron）（图1-1 D），以此为开端，相继开发成功一系列用途各异的磺酰脲类除草剂。除杜邦等美国公司外，瑞士、日本、德国等国家的农药公司也进行了该类除草剂的研制和开发。目前参与此类品种登记的有巴斯夫、拜耳作物科学、杜邦、ISK、孟山都、日本日产化学、日本武田、先正达等8家公司[12]。
磺酰脲类除草剂的开发是除草剂品种开发中的重要突破，使除草剂进入超高效阶段。目前，世界范围内已有25个磺酰脲除草剂品种被注册用于农业发展中[13]。
图1-1四种磺酰脲类化合物的结构式
1.2.2磺酰脲类除草剂的作用机制
磺酰脲除草剂作用于植物体内的乙酰乳酸合成酶（ALS），通过植物的根、叶吸收，并在植物体内双向传导，由于ALS被抑制，支链氨基酸的生物合成受到阻碍，细胞分裂被抑制，杂草正常生长受到破坏而死亡。具体作用机理可能是：磺酰脲类除草剂的作用靶标为植物体内的乙酰乳酸合成酶，而ALS是支链氨基酸生物合成第一阶段所必需的酶，在缬氨酸合成中，两个丙酮酸分子结合成乙酰乳酸分子；在异亮氨酸合成中，丙酮与alpha;-丁酮酸结合形成alpha;-乙酰-alpha;-羟基丁酸。磺酰脲类除草剂严重抑制乙酰乳酸合成酶的活性，导致缬氨酸和异亮氨酸的缺乏，使植物细胞的有丝分裂停止于间隙1（G1）与间隙2（G2）阶段，影响细胞分裂，使杂草停止生长而死亡[14]。
1.2.3磺酰脲类除草剂的主要品种
目前，世界上各大公司研制的磺酰脲类除草剂在我国已经批准登记的有21种[15]。常见磺酰脲类除草剂品种如表1-2所示。
表1-2常见磺酰脲类除草剂产品
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品种名称 |
结构式 |
品种名称 |
结构式 |
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氯磺隆 （Chlorsulfuron） |
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环氧嘧磺隆 （Oxasulfuron） |
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甲磺隆 （Metsulfuron） |
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烟嘧磺隆 （Nicosulfuron） |
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苯磺隆 （Tribenuron） |
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啶嘧磺隆 （Flazasulfuron） |
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胺苯磺隆 （Ethametsulfuron） |
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吡嘧磺隆 （Pyrazosulfuron） |
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嘧磺隆 （Sulfometuron） |
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三氟丙磺隆 （Prosulfuron） |
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豆草隆 （Chlorimuron） |
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唑嘧磺隆 |
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苄嘧磺隆 （Bensulfuron） |
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咪唑磺隆 （imazosulfuron） |
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噻磺隆 （Thifensulfuron） |
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四唑嘧磺隆 （Azimsulfuron） |
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玉嘧磺隆 （Rimsulfuron） |
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磺酰磺隆 （Sulfosulfuron） |
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氟胺磺隆 （Triflusulfuron- methyl） |
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磺胺磺隆 （Amidosulfuron） |
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醚苯磺隆 （Triasulfuron） |
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乙氧嘧磺隆 （Ethoxysulfuron） |
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醚磺隆 （Cinosulfuron） |
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环丙嘧磺隆 （Cyclosulfamuron） |
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氟嘧磺隆 （Primisulfuron） |
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碘磺隆 （Procarbazone） |
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本文对新型除草剂对羟基苯基丙酮酸双氧化酶（HPPD）抑制剂及磺酰脲类乙酰乳酸合成酶（ALS）抑制剂的发现历程、作用机制及主要品种进行了简要介绍。继续开发高效、低毒、低剂量、环境特性优良的新品种已经成为未来新型除草剂的重要发展方向之一。
参考文献
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