Ugrás a tartalomhoz

Agrokémia és növényvédelmi kémia

Loch Jakab – Nosticzius Árpád

Mezőgazda Kiadó

Az elágazó szénláncú aminosavak képződését gátló herbicidek

Az elágazó szénláncú aminosavak képződését gátló herbicidek

Több, szerkezetében eltérő vegyületcsoport hasonló tüneteket előidézve fejtette ki herbicid hatását. A szulfonilurea herbicidek, az imidazolinonszármazékok egyaránt sejtosztódást gátló tüneteket idéztek elő. Gyökéren és levélen keresztül egyaránt felvehetők, általában a széles levelű gyomokat irtják és néhány egyszikű gyomnövényt is, de néhány egy- és kétszikű kultúrnövény rezisztens velük szemben. Kiderült, hogy a fehérjeszintézis gátlása miatt következik be a sejtosztódás csökkenése vagy elmaradása. Majd további vizsgálatok fényt derítettek arra, hogy a fehérje azért nem képes szintetizálódni, mert az elágazó szénláncú aminosavak (a valin, a leucin és izoleucin) nem képződnek e herbicidek jelenlétében.

Az elágazó aminosavak képződése egy tiaminpirofoszfát (TPP) koenzimű enzimmel történik. A tiaminpirofoszfát CO2 kilépése mellett megköti a piroszőlősav két szénatomos láncrészét.

A képződött átmeneti vegyületet jelölhetjük TPP–CH(OH)–CH3 egyszerűsítéssel, amely egy újabb piroszőlősav-molekulával reagál a valin képződése esetén. (A TPP eredeti alakjának visszanyeréséhez a tiazolgyűrű kettes atomjának egy hidrogént vissza kell kapnia, ezért a TPP helyett ezt a TPP(H) formával érzékeltetjük.)

A képződött vegyületet α-aceto-tejsavnak vagy nemzetközi elnevezést használva α-aceto-laktátnak nevezzük. Az enzimnek acetolaktát szintetáz (ALS) a neve, és a katalogizált száma EC 4.1.3.18. Bár használt az acetohidroxisav szintetáz név is, hiszen a leucinképzés esetén a TPP–CH(OH)–CH3 rész – az acetotejsavból képződött–2-keto-vajsavval reagál és képez hidroxisavat acetilcsoport rávitellel. Az enzimet gátló herbicidek kevert típusúak, mert mind a TPP-, mind a piroszőlősav – koncentrációra reagálnak.

A képződött α-aceto-tejsav NADPH-val való redukció után átrendeződik, majd vízvesztés után létrejön a valinnak megfelelő ketosav, amely transzaminálással valinná alakul.

Ezt az utóbbi reakciót, ahol a 2-keto-3-metil-vajsav a piridoxál-foszfát (PALP) segítségével a glutaminsav aminocsoportját vette át valin és α-keto-glutársav keletkezése közben azért írtuk fel, mert általánosan jellemző a megfelelő szénvázú ketosavból való aminosav-képződésre, és még hivatkozni fogunk rá a glutaminsav-képződést gátló glufozinát működésekor.

Az ALS enzim tehát az acetolaktát, illetve aceto-hidroxi-butirát képződését katalizálja, az itt ható herbicidek ezen enzim működését gátolják. Eltérő szerkezetű vegyületek hatnak itt: a szulfonilureák, az imidazolilszármazékok, triazolpirimidin-szulfonanilidek és a pirimidil-oxi-benzoát-származékok. A valin és leucin mint végtermékek, visszacsatoló (feedback) gátlással szabályozzák ezen enzim működését. Az biztosnak látszik, hogy a négy vegyületcsoport az enzimfehérje nem azonos helyén kötődik meg, bár versengenek egymással. Úgy tűnik, hogy nem a szubsztrát helyén kötődnek meg, hanem a végtermék helyén, ahol ez, a szabályozó szerepe miatt kötődik meg. A leucinnal való versengést bizonyították.

A keresztrezisztencia fellépte kezdetben nehezítette a megértést. Keresztrezisztencián azt a tényt értjük, amikor valamely herbicid többéves használata után olyan rezisztens biotípus jön létre, amely nemcsak a használt herbiciddel szemben válik rezisztenssé, hanem egészen más vegyületcsoportba tartozó, más biokémiai hatású herbicidekkel szemben is. Ilyen jelenséget először Ausztráliában észleltek növényeknél (a rovarok esetében ez már ismert volt). Ausztrália gabonatermő régiójában gazdaságossági megfontolásból egyéves gyomoknak gabonában való irtására csak két hatóanyag volt használatos: a diklófop-metil és a klórszulfuron. A diklófop-metil egészen más biokémiai hatású, az acetilkoenzim-A karboxilázt gátolja, míga klórszulfuron az ALS-gátló szulfonilureákhoz tartozik. A diklófop-metil négy éven át való folyamatos használata után megjelent e keresztrezisztenciát adó, azaz diklófop-metilre is és klórszulfuronra is rezisztens Lolium rigidum. Diklófop-metil hatására nagyon változatos keresztrezisztencia-formák léptek fel. Az hogy a diklófop-metil-kezelés mellett milyen más herbicidekkel szemben vált toleránssá a növény, biotípusfüggőnek bizonyult. Általában más aril-oxi-fenoxi típusú herbicidekkel szemben (amelyek az acetil-CoA karboxilázt gátolják) rezisztenssé vált, ezenkívül gyakori volt az ugyanitt ható ciklohexán-dion herbicidekkel szembeni rezisztencia. De gyakori volt az egészen máshol (az ALS enzimre) ható szulfonilurea-származékokkal szembeni rezisztencia, de nem tapasztalták e biotípusoknál a szintén ALS enzimre ható imidazolinonszármazékokkal szembeni rezisztenciát. A búza tartalmaz egy kevert funkciójú oxidázt, amely az arilcsoportot hidroxilálja és ez glükoziddá alakulás után metabolizálódik. A L. rigidumból kivont ALS enzim úgy viselkedett, mint az érzékeny növényé, nem volt eltérés a klórszulfuron-megkötés mértékében. Kiderült, hogy ebben az esetben a lebontás jelenti a klórszulfuronnal szembeni rezisztenciát. A lebontás két úton történhet, a búza is és a toleráns kétszikűek is hidroxilálással kezdik a detoxifikálást, majd e hidroxilcsoport glükózzal konjugálódik és lebomlik. A búza és a kétszikűek más-más helyen hozzák létre a hidroxilcsoportot. A keresztrezisztens L. rigidum a búzához hasonlóan bontja le a klórszulfuront.

Ez a diklófop-metilre és klórszulfuronra kereszt rezisztens növény rezisztens a búzára szelektív imidazolinonszármazékú imazametabenzzel szemben, de nem rezisztens a szulfonilureaszármazék – de a búzát is károsító, tehát a búzára nem szelektív – (nálunk nem engedélyezett) szulfometuron-metillel szemben, azaz a búzával azonos módon bontja a herbicideket.

A szulfonilurea herbicidekkel szembeni rezisztencia okának a lebontás látszik, az imidazolinonszármazék herbicidek esetében viszont az ALS enzim megváltozása tűnik a fő oknak, és nem a lebontás. A szulfonilurea herbicidek in vitro nem tesznek különbséget a rezisztens és érzékeny növényből kivont ALS enzim között.

Egy imazapirrezisztens mutánsból, azaz az ALS enzimet gátló imidazolinonszármazék herbicidre rezisztens növényből kivonták az ALS enzim képzésért felelős gént. Egyetlen helyen tér el a nem rezisztenstől, egy guanin átcserélődött adeninra (az 1958-ik nukleotidnál), aminek az ALS enzim fehérjében egy szerinről aszparaginra való csere lett az eredménye (a C-terminális végtől számított 654-ik aminosavnál). E gént más növényfajba víve átvitte a rezisztenciát. Az imidazolinon herbicidre rezisztens növényben tehát az enzimfehérjében megy végbe a változás.

Az elágazó aminosavak az ember és sok más állat számára esszenciálisak, azaz nem képesek ezek előállítására, hiszen az ALS enzim nem található meg ezek szervezetében. Ezért az ember és az emlős állatok számára gyakorlatilag nem mérgezőek az ALS enzimet gátló herbicidek.

Szulfonilurea-származék herbicidek

Már meghonosodott hazánkban is e név, bár helyesebb lenne szulfonilkarbamid-származékokról beszélnünk, de az irodalomban is könnyebb az eligazodás, ha az elnevezésekkel nem nagyon térünk el a nemzetközileg használt névtől. Általában gabonafélékben az ún. széles levelű (kétszikű) gyomok ellen használják őket. Mind a talajban, mind levélen alkalmazva hatékonyak. Korábban e vegyületeknél sejtosztódást gátló hatásról beszéltek, hiszen a fehérjeszintézis gátlása végül is a sejtosztódás gátlásában is megnyilvánul.

A szulfonilureák erénye, hogy nagy az aktivitásuk, azaz viszonylag kis dózis elegendő a hatás eléréséhez. Másik nagy előnyük, hogy emlősökre nem vagy kevéssé mérgezőek. Jelenleg húszféle szulfonilurea engedélyezett a világon, és több e csoportba tartozó hatóanyag kifejlesztésén dolgoznak. A növények toleranciáját vizsgálva megállapították, hogy azok a növények toleránsak velük szemben, amelyek jól tudják oxidálni a hatóanyagot, az oxidációban a citokróm P450 vesz részt. A toleranciához az is szükséges, hogy az oxidált terméket a növény jól el tudja különíteni (pl. vakuólumban).

A klórszulfuron szelektív szisztemikus herbicid. A toleráns növényekben gyorsan inaktiválódik. A legtöbb kétszikű és néhány egynyári egyszikű gyomnövényt pusztítja búzában, árpában, zabban, rozsban. Toxikus a széles levelű (kétszikű) kultúrnövényekre, főleg a cukorrépára. Preemergens vagy korai posztemergens használata gyakori. A szulfocsoport és a karbamid láncrész jobb szemléltetése miatt kirajzoltuk e csoportokat. Ezek szerkezetét nem feltétlenül szükséges hangsúlyozni.

Az amidoszulfuron esetében csak egy aromás rész található a vegyületben. A levélen és gyökéren át is felvehető. A növekedés leállása, majd klorotikus tünetek megjelenése előzi meg a növény pusztulását. Sok kétszikű gyomot írt kalászosokban. A benszulfuron-metil mind levélen, mind gyökéren át felvehető, a sejtosztódás megszűnése, a növekedés megállása észlelhető a kezelés után. Rizsben használják egyszikű gyomok ellen.

A flupirszulfuron-metilt szintén búzában használják magról kelő egy- és kétszikű gyomok ellen. Jellemző a szükséges kis dózisra, hogy őszi búzában, ősszel vagy tavasszal alkalmazva elegendő 10 g/ha aktív hatóanyag-mennyiség a jó hatás eléréséhez.

A nikoszulfuron főként kukoricakultúrában használatos egy- és kétszikű gyomok irtására.

A primiszulfuront kukoricában a fenyércirok és kétszikű gyomnövények ellen alkalmazzák. Metil észterét használják hatóanyagként.

A proszulfuront posztemergensen használják kukoricában, kétszikű gyomnövények irtására.

A rimszulfuron számos egynyári és évelő egyszikű és néhány kétszikű gyom ellen is hatékony herbicid, kukoricakultúrában használatos.

A szulfoszulfuront búzában és triticaléban használják magról kelő kétszikű, magról kelő és évelő egyszikű gyomok ellen. Az árpa és zab érzékeny vele szemben, ott nem használható.

A tifenszulfuront őszi és tavaszi búzában, tavaszi árpában, rozsban, zabban, kukoricában kétszikű gyomok ellen használják posztemergensen.

A triaszulfuron őszi és téli kalászosokban (főleg búzában és árpában), kétszikű gyomnövények pusztítására használatos.

A tribenuron a levélen és gyökéren gyorsan megkötődő, a növényben áramló herbicid. Az érzékeny növények a kezelés után azonnal abbahagyják a növekedést a posztemergens alkalmazás után, és 7–21 nap alatt pusztulnak el. Meghatározott kétszikű gyomok elleni hatását fokozzák felületaktív anyagok. Posztemergens használatával tavaszi és őszi kalászosokat védenek vele. Általában a metilészterét használják hatóanyagként.

A trifluszulfuronnak is a metilésztere használatos. Számos egynyári és évelő gyomot irt cukorrépában.

A flazaszulfuron nem szelektív herbicid. Gyorsan megkötődik a levélen, és vándorol a növényben. Szőlőben, vasúti pályatesteken magról kelő egy- és kétszikű gyomok ellen használják.

Imidazolinon-származék herbicidek

Az imidazolinon-származék herbicidek szintén az elágazó aminosavak szintézisét gátolják az ALS (acetolaktát szintetáz) enzim blokkolásával. Megáll a fehérjeszintézis, ez visszahat még a DNS szintézisére és a sejtek növekedésére is. Ez az új leveleknél gyakran klorózist és szövetelhalást idéz elő. Általában a levelek és gyökerek egyaránt felveszik e herbicideket, amelyek tovább áramlanak a növényben a merisztéma régióig, ahol akkumulálódnak. Általában meglehetősen hosszú az életidejük, széles spektrumú a hatásuk. Pre- és posztemergens használatuk egyaránt gyakori. Az emlősökre nem vagy kevéssé mérgezőek.

Az imazapír nem szelektív herbicid, ezért mezőgazdaságilag nem hasznosítható, ruderális területeken totális gyomirtóként használják. Erdőkben a nemkívánatos fák, cserjék irtására alkalmazható.

Az imazametabenz-metil szelektív szisztemikus herbicid. Búza-, árpa-, rozs-, triticalekultúrákban posztemergensen alkalmazva egy- és kétszikű gyomokat irt. A kalászosok és napraforgó nagyon toleránsak posztemergens alkalmazásánál, de a cukorrépa, paradicsom nagyon érzékeny e szerrel szemben. A kezelést követően legalább 15 hónapig nem célszerű e növényeket ilyen területre ültetni.

Az imazaquin szelektív szisztemikus herbicid. Szójában a kétszikű gyomok irtására használják.

Az imazetapír szisztemikus herbicid. Irt számos egynyári és évelő egy- és kétszikű gyomnövényt. Szója-, lóbab-, lucerna-, vöröshere-, borsó-, lencsekultúrákban alkalmazzák.

Az imazamox szelektív herbicid, a nem érzékeny növények lebontják. Szója, borsó és egyes, e szerrel szemben ellenálló kukoricafajták védelmekor magról kelő egy- és kétszikű gyomokat irt.

A glutamin szintézisét gátló herbicid

Ahogy az elágazó aminosavak képződését gátló vegyületeket is be lehet sorolni a fehérjeszintézist gátló herbicidek közé, úgy a glutaminszintézist gátló glufozinát-ammóniumot is ide lehet sorolnunk. Magát a glufozinátot mint savat 1972-ben fedezték fel, és ekkor foszfinotricin nevet kapott. Ezt egy baktérium (Streptomyces viridochromogenes L.) termeli. A növényben irreverzíbilisen gátolja a glutaminszintézist, a glutaminnak glutaminsavból és ammóniából való képződését. Nem tárolódik a felvett ammónia, illetve az ammóniává redukált felvett nitrát, hiába képződik a megfelelő mértékben az aminosavaknak megfelelő szénvázú ketosav, nincs tárolt aminocsoport. Másrészt a felhalmozódott ammónia toxikus mértékben lesz jelen, a növény elpusztul.

Az ammónia tárolására alkalmas az α-keto-glutársavból képződő glutaminsav. A reakció megfordíthatósága miatt az enzimet glutaminsav-dehidrogenáznak nevezik.

Az esetek nagy részében azonban maga a glutaminsav veszi fel az ammóniát glutamin keletkezése közben, e reakciót katalizálja a glutaminszintetáz, amelyet a glufozinát gátol.

A képződött glutamin ezután egy α-keto-glutársavval reagálva két molekula glutaminsavat ad, és e formában tárolódik a felvett szervetlen nitrogén, innen transzaminálással a megfelelő szénvázú ketosavra kerülve képez aminosavat, amint azt az elágazó aminosavak képződésének utolsó reakciójánál szemléltettük. A glutaminsav-képződésnek ezt a glutaminból való útját a glutaminsav-szintetáz katalizálja.

A glufozinát nem szelektív, kontakt herbicid, némi szisztemikus hatással. Csak a levélen belül áramlik. Hatására felhalmozódik az ammóniumion, amely a fotoszintézis gátlásához is vezet, mert ilyen töménységben az NH4+ szétkapcsolóként viselkedik. Mivel nem szelektív, ezért mezőgazdaságilag nem művelt területeken, valamint gyümölcsösökben, szőlőben magról kelő egy- és kétszikű gyomok ellen alkalmazzák ammónium sóját.

A gyűrűs aminosavak képződését gátló herbicid

A glifozát nevű herbicid hatását meglehetősen sokat tanulmányozták. Ez egy nem szelektív, szisztemikus herbicid. A levél veszi fel, és gyorsan vándorol végig a növényen. A talajban inaktiválódik. Több enzimrendszerre is hat, de a fő hatásának a gyűrűs aminosavak képződésének gátlása bizonyult. Hatékony a mélyen gyökerező évelő fajokra, valamint egynyári és kétéves egyszikű gyomokra, nádra és kétszikű gyomokra. Gyümölcsösökben, szőlőben is alkalmazzák. A gyom kicsírázása után, de a kultúrnövény kicsírázása előtti alkalmazással számos kultúrában használatos, így zöldségféléknél, lucernánál, szójababnál, kalászosoknál. Használják érés előtti deszikkálásra is gyapotban, kalászosokban, borsóban, babban. Napraforgóban és kukoricában érésgyorsításra is alkalmazzák. Fakitermelésnél a sarjhajtások ellen, mezőgazdaságilag nem művelt területeken totális gyom- és cserjeirtóként. Hatása közel két hét után válik feltűnővé. A növény pusztulása előtt a növekedés teljesen abbamarad.

Bár az egyik feltűnő tünet a növekedés gátlása, elég hamar észrevették, hogy nem hormonhatásról van szó, hanem a gyűrűs aminosavak képződésének gátlása az elsődleges ok, és csak ennek következménye a növekedésre kifejtett hatás. Azt tapasztalták, hogy fenil-alanin adagolása mérsékli a növekedés gátlását. Kiterjedtebb vizsgálatok után megállapították, hogy a glifozát a fenil-alanin-ammónia-liáz (PAL) nevű enzim működését serkenti. Az említett enzim a fenil-alanin aminocsoportjának eltávolítását katalizálja fahéjsav és ammónia képződése közben:

Az említett reakció viszonylag jól nyomon követhető, mert a PAL gátolható L-α-amino-oxi-β-fenil-propionsavval. Ezzel a vegyülettel gátolva a PALt, megnő a fenil-alanin mennyisége, de glifozátot adva hozzá, lecsökken a fenil-alanin, mert a glifozát megnöveli a PAL aktivitását. Természetesen ez önmagában még nem indokolja a glifozát erős herbicid hatását. További vizsgálatok azt bizonyították, hogy gátolta a 14C-tartalmú sikimisav beépülését nemcsak a fenil-alaninba és tirozinba, hanem a triptofánba is. Ez már némi magyarázatot ad arra, hogy miért észlelhető a herbicidkezelés eredményeként a növekedés gátlása, hiszen a természetes auxin, az indolil-ecetsav a triptofánból képződik. A fenil-alanin és tirozin képződésének gátlása a megfelelő fehérjék képződését akadályozza, ami feltételezhetően a fő oka a növény pusztulásának. A gyűrűs aminosavak képződése foszfo-enol-piroszőlősavból (PEP), és a pentóz-foszfát-ciklus folyamatában létrejövő eritrózból indul meg:

Mivel a triptofán is korizminsavból képződik, érthető, hogy az indolil-ecetsav mennyisége is csökken a glifozátos gátlás esetén. A vizsgálat során felhalmozódott (glifozátos gátlás hatására) a 14C-sikimisav, ezért a gátlás helyét a sikimisav és a korizminsav közötti reakciók valamelyikénél tartják valószínűnek. Toleráns gyapot esetében a gátlás pontos helyét is megtalálták.

A glifozát emlősökre és madarakra különlegesen kicsi toxicitású. Létezik glifozáttoleráns gyapot, ennél lehetővé válik a gyapot leveleinek glifozátos permetezése. Megállapították, hogy a glifozát a növény 3-enolpiruvil-sikimát-5-foszfát szintetázhoz (EPSPS) kötődik, és ezzel leállítja az aromás aminosavak, helyesebben a 3-enol-piruvil-sikimát-5-foszfát képződését. Az EPSPS jelen van növényekben, baktériumokban és gombákban, de nincs jelen az állati szervezetben. A növényi EPSPS a kloroplasztban, plasztidokban lokalizálódik. Ha glifozáttoleráns EPSPS-t visznek a kloroplasztba, glifozáttoleráns növényhez juthatunk. Két toleráns gyapot (GTC) vonal ismert (lines 1445 és 1698).