葡萄病害综合管理基础知识系列:起底三唑类杀菌剂

栏目:百科 来源:陕西之窗 时间:2019-11-04

三唑类杀菌剂的问世算得上是杀菌剂研发史上的一个里程碑。如今,三唑酮、三唑醇、戊唑醇、氟环唑、丙环唑、苯醚甲环唑、烯唑醇、己唑醇、腈菌唑、氟硅唑,每一个都是耳熟能详的常用杀菌剂。尽管熟悉,但它们所具有的一些特性或许被我们忽略了,以至于在生产使用的时候没有最大限度的发挥出其杀菌效果,或者出现其它意想不到的问题。


前几天有人问我,甾醇生物抑制剂和甾醇脱甲基抑制剂有什么不同。


我们先来看看三唑类杀菌剂的起源。


这还得从上世纪六十年代说起,萜、烯、酮、酚、水杨酸和茉莉酸等,是植物体内具有抗病抗虫活性的有机物质(比如目前炒的很火的橙皮精油的主要活性物质就是柠檬烯),当时有的科学家注意到环庚三烯、卓鎓类化合物的衍生物及N-三苯甲基胺类化合物都具有杀菌活性,于是乎在这些基础上设计了一些化合物,发现确实如此,最终在N-三苯甲基胺类化合物的基础上开发出三唑类化合物。但是,在接下来的70年代,科学家们发现,三唑类杀菌剂的真正杀菌机理和最初设计的通过这些化合物里面的碳正离子干扰诸如蛋白质合成代谢来杀菌的机制并不相同,它们的作用位点是抑制膜上的甾醇合成,也就是抑制C14脱甲基化。


我们知道,除了病毒类之外,细菌、真菌、植物、动物和人的基本组成单位是细胞。细胞膜是细胞最重要的结构,它起着控制水分和其它物质进出细胞的作用,同时还具有识别和传递各种信号的功能。打个比方,如果没有稳定的细胞膜,游泳时我们的皮肤在水里浸泡的时间稍一长,水分就会大量涌进细胞内,那我们的皮肤细胞就会被水撑破。所以,细胞膜的稳定性直接关系着生命安危。


细胞膜的基本结构是两层脂类分子中间镶嵌着蛋白质,脂类的形态像是一个蝌蚪,大头小身子,它们对水和油都有一定的亲和性,谁都喜欢,但是,大头不喜欢水喜欢油,尖尖的尾巴正好相反。细胞膜里的脂类分子分成两排,尾巴相连,头朝外。这样,细胞膜的外缘不亲水,水很难进来,细胞膜的内侧也不喜欢水,水很难靠近它而逃出去。什么时候需要水进来或出去,由其它条件确定。


细胞膜三维结构模式图



构成细胞膜的双层磷脂分子排列方式



甾醇与双层磷脂对齐并因此调节流动性


真菌细胞壁和细胞膜结构图,麦角甾醇和磷脂分子并列在一起成为细胞膜的一部分



甾醇,又叫做固醇。动物细胞中的甾醇叫做胆固醇,它除了是细胞膜的组成成分之外,还是血浆脂蛋白的组成成分,也是胆汁醇、性激素、肾上腺皮质激素和维生素D3的前体。植物细胞膜里面的甾醇主要是谷甾醇和豆甾醇。绝大多数真菌细胞中的甾醇是麦角甾醇。动物的胆固醇、植物的豆甾醇或谷甾醇、真菌的麦角甾醇,名称不一样,肯定结构也不同。


甾醇和脂肪酸、脂类分子等相依为命,共同担负着细胞膜的稳定性,也维护着细胞的生命安全。


和细胞内其它大分子有机物一样,甾醇化合物也是在细胞的新陈代谢中通过底物也就是原始材料、生物酶及其它化合物或元素的参与下一步一步的合成出来的。


高等真菌甾醇合成的原始材料,也就是所谓的底物,是异戊烯,有七种生物酶参与,这个合成过程有氧化有还原,有增加有减少,其中,羊毛甾醇是真菌和哺乳动物甾醇合成过程中所产生的一种化合物(植物甾醇的此期是生成环阿屯醇),脱去这种化合物分子第14个C位上的甲基,是一个很重要的步骤,需要一种叫做P450单氧化酶上携带的卟啉血红素铁抓住氧原子并配对成络合物,然后再把氧送给底物参与接下来的反应,三唑类杀菌剂分子中带有孤对电子的氮原子比氧更活泼,抢先一步和P450单氧化酶中的卟啉血红素铁配对,等于它们提前成亲了!结果呢,把氧晾在了一边,底物分子迟迟的等不上氧的到来,这一下子就打乱了整个甾醇的合成,而此时,细胞膜上的脂肪酸合成却继续着,脂类分子也在等着,就是没有足够的麦角甾醇,造成细胞膜不能正常形成,菌丝停止了生长,孢子形成也慢了下来,也因为细胞内积累了很多的脂肪酸和其它分子,最终造成真菌细胞中毒死亡。


这就是所谓的甾醇生物抑制剂(SBI),但它是在甾醇生物合成过程其中的一个靶标位点上,也就是C14脱甲基氧化酶上发生的抑制作用,所以叫做甾醇脱甲基抑制剂(DMI)。除此之外还有靶标位点不同的三类甾醇生物合成抑制剂,比如十三吗啉、螺环菌胺、环酰菌胺等,这在后面的文章里再详述。


三唑类杀菌剂是C14脱甲基化抑制剂类之一,另外还有抑霉唑、咪鲜胺、稻瘟酯、噁咪唑等咪唑类,以及市场上很少见到的哌嗪类和吡啶类。它们的作用靶标位点相同,仅仅是化学结构不同。


或者说,三唑类是甾醇生物合成抑制剂(SBI)中的C14脱甲基化抑制剂(DMI)的一大类。


科学家们对这类脱甲基化抑制剂类的机理及其结构做了大量研究以后发现了一些规律性的东西,最后设计了一个底物与酶相互作用的二维模型,根据这一模型,认为所设计的杀菌剂分子结构应该具有三个特点:


1、有用于螯合血红素的辅基,也就是该杀菌剂的分子中有一个能够与血红素亲热的东西,至于这个东西是谁,在什么位置,亲热度如何,每个品种可能有所不同;


2、有专一的疏水底物结合部位,就是有一只手能拉住底物上不喜欢水的位置,这也会在品种之间有拉力大小上的差别;


3、在一个大的疏水性环境中存在着一个亲水性基团,还得有一只手能拽住含水的东西。


另外,同一化合物的立体结构也与其活性有直接关系,哪怕是一点点空间角度上的不同,可能最终表现出来的活性有较明显的差异。这就导致了同一种化合物有多种因为异构体造成的活性差异。这个下一篇文章里再详细介绍。


前面提到,甾醇生物合成过程中有一个重要的关键性产物,真菌和哺乳动物的是羊毛甾醇,植物的是环阿屯醇。所以,一般情况下,甾醇生物合成抑制剂对植物是安全的,哺乳动物的甾醇合成其实和真菌相差更大,再加上对商用化合物的严格筛选,这类杀菌剂对哺乳动物的毒性也很低。卵菌不能自我合成甾醇,所以,这类杀菌剂对卵菌也没有防效。


众所周知,三唑类杀菌剂对植物生长有或轻或重的抑制作用。其抑制机理目前认为是以抑制赤霉素的合成为主,也有对植物甾醇合成的抑制。基于上述二维模型中的三个因素,科学家在合成这类化合物的时候往往是根据其商业化目标来进行平衡性调整的,这使不同的三唑类杀菌剂在对真菌抑制上的活性以及对植物生长上的抑制水平上,也有较大的差别。


但三唑类杀菌剂对植物生长的抑制作用这一特点,有时候可以转换成有利于植物生长而在生产中予以利用。植物体内赤霉素的合成受到抑制的同时,就会促使植物自我调节体内其它激素和生化物质的合成来平衡这一矛盾,最终在基因表达上有所展现。


简单说,植物体内有生长素、赤霉素、细胞分裂素、芸苔素、独脚金内酯、脱落酸、乙烯、多胺、水杨酸和茉莉酸等等能够调节植物生长的生化物质,尽管它们对植物生长各有独特的生理作用,但也往往是相互协调发挥来控制基因表达的。赤霉素和脱落酸之间,它们都来自甲瓦龙酸且都在代谢过程中产生法尼基焦磷酸。当赤霉素合成被抑制后,细胞质里面的甲瓦龙酸就会被脱落酸利用的更多,也就是合成的脱落酸更多。我们知道,脱落酸的名称来源于最初观察到秋季叶柄与茎之间产生离层细胞后导致的叶片脱落现象,当时认为是脱落酸促使了叶片脱落,其实不然,实际上是乙烯的作为。而脱落酸的真正功效是提高植物的抗逆性,所以脱落酸是公认的胁迫激素。目前,已经有大量文献证明,施用三唑类杀菌剂后植物体内的脱落酸含量会显著增加,植物的抗逆性也大大提高。而三唑类促进植物生长的机理远比这些复杂的多,这里不再赘述。对生产应用来说,三唑类不仅仅是杀菌剂,它也是植物生长抗逆协调剂或植物增产剂,关键是我们如何更合理地予以应用。


本文参考资料:

1、杨华铮等,《现代农药化学》;

2、Wolfgang Kra ¨mer等《Modern Crop Protection Compounds》;

3、Wikipedia;

4、毕彦博,潘红艳等,《三唑类杀菌剂调节植物逆境生长研究进展》










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