山椒素使水稻幼苗免遭异丙甲草胺药害的作用机理

Metolchlor can easily damage the rice seedlings when it controls the annual gramineous weed in paddy, which results in reducing the yield of crops. Applying herbicide safeners is the most effective measure to resolve this issue, but the precise protective mechanism has not been elucidated thoroughly, most researchers consider that it is related to the activity of the detoxifying enzymes in crops such as P450, GST and MRP. Moreover, to date there is no paper about the relationship between the safener detoxification and signal transduction pathway in the injured crops. In our former research, we observed that the sanshools from Szechuan pepper could alleviate effectively injured rice seedlings caused by metolachlor, and the GST activity was obviously increased in the injured rice treated with sanshools, which indicated that sanshools may induced the increase. To investigate how the increasing of GST activity affect the protection of the rice injuried by metolachlor and how the signal transduction pathway works, we intend to simulate a model of injured rice and the detoxified effect, apply the modern biological technologies such as molecular biology and ELISA at the levels of biological phenotype, protein, nuclear acid and signal transduction. This study will explain the molecular mechanism of safener detoxification in a new vision, which will be of very important theoretical significance and potential application value for finding out the highly efficient and low toxic or non-toxic herbicides and botanical safeners.

异丙甲草胺在防控水田一年生禾本科杂草的同时可导致水稻幼苗药害，使水稻减产。安全剂可有效解除除草剂对作物的药害，但确切机理尚未阐明，多认为与作物体内主要解毒酶系如P450单氧化酶、谷胱甘肽转移酶(GST)、多药抗性蛋白(MRP)转运体等活力相关；而且安全剂解毒与信号转导通路之间的关系，迄今国内外尚无报道。本课题组首次发现植物源山椒素可缓解异丙甲草胺对水稻幼苗的药害，在前期实验中，我们发现受异丙甲草胺药害的水稻经过山椒素处理后，其体内GST酶活力有较大提高，推测山椒素对药害水稻GST可能具有诱导作用。为此，我们将模拟水稻药害与解毒模型，运用分子生物学、酶联免疫等技术，从生物表型-蛋白质-核酸-信号转导四个层次，研究GST表达增加对山椒素缓解水稻幼苗伤害的影响及其信号转导通路。本课题将从新的视角阐明安全剂解毒的分子机理，对发现高效、低毒/无毒的除草剂以及植物源安全剂具有重要的理论指导意义。

异丙甲草胺为当前世界范围内使用最广泛的酰胺类除草剂之一，但对水稻幼苗容易造成隐性药害，使水稻减产严重。解决这一问题的关键技术就是使用安全剂，它具有直接高效、选择性强等优势。本项目以花椒果实为材料，经超临界技术萃取其功能成分--山椒素类物质，旨在探究其减轻异丙甲草胺对水稻伤害的效果，并分析其安全化作用机理。主要研究结果如下：.1.山椒素类物质的制备以及定性与定量分析：.运用CO2超临界萃取技术从花椒果实中成功提取了山椒素类物质，提取率达10.87%。精制后鉴定，共有11种物质，即：羟基-α/β/ε-山椒素(70.06%)、γ-山椒素(10.54%)、羟基-γ-山椒素(9.60%)、2′,3′-二羟基-α/β-山椒素(4.65%)、α/β/ε-山椒素(2.13%)以及脱氢-γ-山椒素(3.02%)。.2.山椒素类物质对精异丙甲草胺处理水稻的解毒效果：.基于精异丙甲草胺对水稻幼苗的IC50值，分别用0.25 µM和0.31 mkg-1为琼脂法和土培盆栽法水稻幼苗处理浓度，研究山椒素类物质对水稻幼苗的解毒效果。株高恢复效果表明，山椒素类物质对水稻幼苗最佳恢复效果的浓度在琼脂法和土培盆栽法中分别为1.0 mgL-1和5.0 mgkg-1。.田间小区试验主要经济性状指标统计结果表明，精异丙甲草胺主要影响水稻有效穗数、结实率以及实际产量，而山椒素类物质对这些指标有很大的保护作用。.3.山椒素类物质对水稻幼苗解毒机理研究：.分别以精异丙甲草胺IC50、山椒素类物质解毒最佳浓度及其组合处理琼脂法培养水稻幼苗。结果表明：山椒素类物质对药害水稻幼苗株高、根长、鲜重恢复率分别达到93%、97%和94% 以上，出苗率也提高到80%以上；根系活力提高到空白对照组的87%以上；GST活力分别是阴性对照组的2倍和空白对照组的4倍；不同程度地提高了四个GST基因的相对表达量，与空白对照组相比，除草剂与安全剂组配处理组OsGSTU3和OsGSTU39分别提高了5.3倍和和8.3倍，与阴性对照组相比，分别提高了2.2倍和0.3倍，由此推断，在这些解毒基因中，OsGSTU3扮演着更主要的解毒角色。.在本基金的资助下，发表科研论文4篇，其中SCI论文1篇；获国家科技进步二等奖1项，湖南省科技发明二等奖1项；国家授权专利2项；培养博士研究生2名，硕士研究生2名，完成项目预定各项指标。