作为现代农业体系中的核心植保手段，化学除草剂每年可挽回10%~40%的粮食产量损失，是筑牢粮食安全防线的关键支撑。然而，长期单一依赖同一作用机制的除草剂，正驱动杂草抗性快速进化，这一隐患已从区域性难题演变为威胁全球粮食安全的系统性挑战。
据国际除草剂抗性数据库（WeedScience.org）及国际除草剂抗性行动委员会（HRAC）2026年最新统计，全球已确认的除草剂抗性生物型突破500种，涉及270余种杂草物种，覆盖76个国家、102种作物；杂草已对目前已知的31种作用机理除草剂中的21种产生抗性，涉及168种不同活性成分。其中，靶向乙酰乳酸合酶（Acetolactate Synthase, ALS）的除草剂仍是抗性重灾区，全球已有约176种杂草对其产生抗性，在各类作用机制中居首。
在我国长江流域等水稻主产区，抗性形势尤为严峻。部分稗草种群甚至同时对5类以上不同作用机制的除草剂产生多重抗性，导致常规防控方案近乎失效，田间治理成本大幅攀升。
开发具有全新作用机制（Mode of Action, MoA）的除草剂，是破解当前抗性困局的核心路径。全新机制靶点与现有除草剂的结合位点及作用方式存在本质差异，通常不会与现有品种产生交叉抗性，能够从根源上解决抗性杂草防控失效的难题。然而，新靶点的发掘与新药研发面临极高的技术壁垒与成本压力，过去20年间全球成功上市的全新作用机制除草剂屈指可数。
笔者检索到一篇由南京农业大学植物保护学院何博、叶永浩团队发表于《Agronomy》的论文，相对系统梳理了潜在除草剂靶点的验证成果、新机制产品研发的核心瓶颈，以及靶向除草剂的高效开发策略，旨在为下一代绿色、低风险除草剂的创制提供清晰的技术路线图。
一、杂草抗性
自1940年代第一种合成激素类除草剂2,4-D上市以来，除草剂产业已经走过了80多年的发展历程，先后涌现出几十种不同作用机制的商业化品种。但随着长期单一用药，杂草的抗性进化速度远超预期。
靶标位点抗性：除草剂作用的蛋白发生氨基酸突变，导致药剂无法结合。比如ALS抑制剂的抗性，主要由靶标蛋白的A122G、P197T、W574L等位点突变导致，这类抗性占目前抗性案例的70%以上。
非靶标位点抗性：杂草通过增强代谢酶活性、降低药剂传导效率等方式获得抗性，比如稗草通过上调细胞色素P450酶的表达，快速降解草甘膦，从而产生抗性。
交叉抗性与多重抗性：交叉抗性指单个突变让杂草对所有同机制除草剂都产生抗性；多重抗性则是杂草通过多个不同的抗性机制，同时耐受多种不同机制的除草剂。目前全球已有超过50种杂草属于多重抗性，给杂草治理带来了极大挑战。
表1梳理了目前主要除草剂作用机制的抗性现状，其中ALS抑制剂、PSII抑制剂、草甘膦（EPSPS抑制剂）是抗性最严重的三大类别。表1 | 主要除草剂作用机制类别及对应抗性杂草数量（数据来源：国际除草剂抗性杂草调查数据库HRAC，2022年10月）
目前治理抗性杂草最有效的策略是轮换使用不同作用机制的除草剂，但由于新机制品种匮乏，很多地区的轮换用药方案已经捉襟见肘。比如水稻田的恶性杂草稗草，已经对目前主流ALS抑制剂、ACC酶抑制剂、激素类除草剂都产生了抗性，迫切需要全新作用机制的除草剂。
二、新机制除草剂研发的三重枷锁
尽管市场需求迫切，但过去几十年里仅有寥寥数个新机制除草剂上市，核心原因在于研发面临三重难以逾越的障碍。
2.1 转基因作物的市场挤压
草甘膦抗转基因作物（GR作物）的商业化推广，让草甘膦占据了全球除草剂市场的半壁江山。大豆、玉米、棉花、油菜等主栽作物的GR品种已经大规模普及，未来GR小麦、GR水稻也将逐步推向市场，进一步压缩了其他除草剂的市场空间。企业研发新除草剂的投入回报比极低，自然缺乏动力。
2.2 研发成本高企，风险巨大
开发一个新的农药品种，通常需要筛选超过10万个化合物，耗时8~12年，投入超过3亿美元。而新机制除草剂不仅要具备优异的生物活性，还要满足严格的毒理学和环境安全要求，失败率是现有机制改良品种的5倍以上。对于农化企业来说，与其冒险开发新机制品种，不如在现有靶点上做结构优化，风险更低、回报更快。
2.3 行业整合导致研发力量萎缩
过去40年里，全球农化行业经历了多次大规模整合，从原来的几十家企业缩减到目前的先正达、拜耳、科迪华、巴斯夫四大巨头，从事新靶点研究的科研人员数量大幅减少，研究方向也集中在少数已有成熟靶点上，对新靶点的探索严重不足。
不过，随着抗性杂草问题日益严峻，越来越多的企业和科研机构开始重新重视新机制除草剂的研发，这既是挑战，也是未来农化产业的蓝海。
三、已验证的新除草剂靶点
一个好的除草剂靶点需要满足三个核心条件：
① 抑制该靶点会导致植物不可逆死亡；
② 低浓度下即可产生明显除草效果；
③ 靶点在植物中功能不可替代，且与非靶标生物（尤其是哺乳动物）的同工酶差异大，安全性高。
近年来，科研人员已经在多个新靶点上取得了突破性进展，部分已经实现了商业化应用。
3.1 从已知除草剂中发掘的新靶点
很多已经上市多年的老除草剂，其作用机制长期未被阐明，近年来的研究终于揭开了它们的神秘面纱，为靶点优化提供了方向。
（1）茄尼基二磷酸合酶（Solanyl Diphosphate Synthase, SPS）
SPS是质体醌合成的关键酶，催化异戊烯基二磷酸和法尼基二磷酸多步缩合生成茄尼基二磷酸，是光合作用正常进行的必需辅酶。老牌二苯醚类除草剂苯草醚（Aclonifen，74070-46-5）靶点就是SPS，通过抑制SPS活性，阻断质体醌合成，导致植物叶片漂白死亡。
植物中存在3个SPS亚型：SPS1和SPS2定位于叶绿体，负责质体醌合成；SPS3定位于线粒体，负责泛醌合成。苯草醚仅抑制SPS1和SPS2，对SPS3无作用，因此对非靶标生物的毒性很低，安全性优异。目前基于苯草醚骨架的新一代SPS抑制剂已经进入开发阶段。
（2）尿黑酸茄尼基转移酶（Homogentisate Solanesyltransferase, HST）
HST是质体醌合成通路的下游酶，催化尿黑酸（HGA）的异戊烯基化和脱羧反应，生成2-甲基-6-茄尼基-1,4-苯醌（MSBQ）。三井化学2019年在日本上市的稻田除草剂环哒嗪草酯（Cyclopyrimorate，499231-24-2）就是首个靶向HST的品种，其代谢产物能强力抑制大肠杆菌粗提物中的HST活性，对稗草、千金子等水稻田恶性杂草防效优异。
随着HPPD抑制剂长期大量使用，HPPD抗性杂草已经开始出现，HST抑制剂有望成为未来替代HPPD抑制剂的主力品种，为抗性杂草治理提供新的工具。
（3）二氢乳清酸脱氢酶（Dihydroorotate Dehydrogenase, DHODH）
DHODH定位于线粒体内膜外侧，催化嘧啶从头合成途径的第四步反应，是核苷酸合成的必需酶，抑制该靶点会导致植物无法合成DNA，最终死亡。杜邦开发、富美实和先正达商业化的新品种四氟咯草胺（Tetflupyrolimet，2053901-33-8）就是靶向DHODH的抑制剂，预计2028年开始逐步放量，对阔叶杂草和禾本科杂草都有优异的防效，且与现有除草剂无交叉抗性。
DHODH在不同物种间的序列差异较大，因此四氟咯草胺对作物的选择性很高，对大豆、玉米等主栽作物安全，非常适合在大田中使用。
（4）脂肪酸硫酯酶（Fatty Acid Thioesterase, FAT）
FAT是脂肪酸合成通路的关键酶，催化酰基载体蛋白（ACP）释放脂肪酸，是脂质合成的第一步。1989年上市的除草剂环庚草醚（Cinmethylin，87818-31-3）长期以来被认为是脂肪酸合成抑制剂，但近年来的研究通过荧光热位移含量和共结晶实验证实，其真实靶点是FAT。环庚草醚对小麦、玉米等作物安全，对一年生禾本科杂草防效优异，但因内分泌干扰被欧盟毙了。目前基于FAT靶点的新一代除草剂已经进入筛选阶段。
（5）丝/苏氨酸蛋白磷酸酶（Serine/Threonine Protein Phosphatases, PPs）
PPs参与调控植物几乎所有的生理过程，其中PP2A是细胞有丝分裂过程中染色体分离和微管组装的关键调节因子。1950年代上市的除草剂茵多酸（Endothall，145-73-3），就是通过抑制苜蓿中的丝/苏氨酸PP2A活性，干扰细胞分裂过程，导致植物生长停滞、坏死。目前科研人员正在基于PPs靶点开发高选择性、低毒的新型抑制剂。
图1 | 质体醌生物合成途径及SPS、HST的作用位点。质体醌是光合作用必需的辅酶，SPS催化上游的异戊烯基二磷酸缩合，HST催化下游的尿黑酸异戊烯基化，两个靶点都是理想的除草剂作用位点
图2 | 已商品化或进入后期开发的新机制除草剂化学结构。包括苯草醚/Aclonifen、氟啶草/Haloxydine、环哒嗪草酯/Cyclopyrimorate、Tetflupyrolimet、环庚草醚/Cinmethylin、茵多酸/Endothall等代表性品种。
3.2 天然产物来源的新靶点
天然产物是除草剂的重要来源，超过60%的商业化农化品种都直接或间接来源于天然产物。很多天然植物毒素具有独特的作用机制，是发掘新靶点的重要宝库。
（1）二羟基酸脱水酶（Dihydroxy-Acid Dehydratase, DHAD）
DHAD是支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）合成通路的关键酶，催化α,β-二羟基酸的脱水反应，生成相应的α-酮酸前体。该酶在所有植物中高度保守，且动物体内不存在同源蛋白，因此是理想的广谱除草剂靶点，抑制DHAD不会导致哺乳动物中毒，安全性极高。
真菌毒素Asperric acid就是靶向DHAD的天然产物，科研人员通过抗性基因导向的筛选方法，已经证实Asperric acid能强力抑制DHAD活性，导致植物支链氨基酸合成受阻，最终死亡。目前基于DHAD靶点的合成除草剂已经进入开发阶段。
（2）质体肽脱甲酰酶（Plastid Peptide Deformylase, PDEF）
PDEF参与蛋白质翻译的起始过程，催化新生肽链N端的甲酰基水解，是真核生物质体和原核生物存活的必需酶。抗生素Actinonin原本是作为细菌PDEF抑制剂开发的，近年来的研究发现，其对植物的PDEF也有很强的抑制作用，能导致杂草生长停滞、漂白坏死。但需要注意的是，人线粒体中也存在PDEF的同工酶，Actinonin可能会抑制人线粒体功能，因此该靶点的安全性还需要进一步验证。
（3）神经酰胺合酶（Ceramide Synthase）
神经酰胺合酶是鞘脂合成通路的关键酶，催化鞘氨醇的酰化反应，生成神经酰胺。真菌毒素AAL-toxin能抑制神经酰胺合酶，导致植物细胞内鞘氨醇大量积累，破坏质膜完整性，最终诱导细胞凋亡。但AAL-toxin对哺乳动物的毒性极高，因此无法直接开发为除草剂，需要在此基础上进行结构优化，降低毒性。
除此之外，科研人员还从天然产物中发现了色氨酸合酶、烯酰还原酶、鸟嘌呤核苷酸转移酶、CF1 ATP酶、高尔基体组装调控因子、H⁺-ATP酶、RNA聚合酶等多个潜在除草剂靶点，为新机制除草剂的开发提供了丰富的候选方向。
图3 | 嘧啶从头生物合成途径及DHODH的作用位点。嘧啶是DNA合成的必需原料，DHODH催化第四步氧化反应，是四氟咯草胺的作用靶点。
图4 | 具有新颖作用机制的天然产物类除草剂化学结构。包括Asperric acid、Actinonin、AAL-toxin等代表性天然产物除草剂。
3.3 基于生化机制发掘的潜在靶点
随着功能基因组学、蛋白质组学、基因编辑技术的发展，科研人员可以通过生化机制分析发掘更多潜在靶点。
DNA旋转酶（DNA Gyrase）：属于II型拓扑异构酶，参与DNA复制过程，喹诺酮类抗生素环丙沙星能抑制植物DNA旋转酶活性，表现出苗后除草活性，是一个极具潜力的新靶点。
二氢叶酸还原酶（Dihydrofolate Reductase, DHFR）：催化二氢叶酸还原为四氢叶酸，是DNA合成和氨基酸代谢的必需酶。基因敲除实验证实，拟南芥中两个DHFR亚型都是种子发育的必需蛋白，抑制该靶点可以导致植物不育，是一个理想的除草剂靶点。
此外，镁原卟啉单甲酯环化酶、咪唑甘油磷酸脱水酶、胱硫醚β-裂解酶、碳酸酐酶、转酮醇酶、黄烷酮3-羟化酶等也都是潜在的除草剂靶点，目前正处于验证阶段。
图5 | 基于生化机制发掘的潜在除草剂靶点作用模式。A）环丙沙星抑制DNA旋转酶，阻断DNA复制；B）DHFR抑制剂阻断四氢叶酸合成，抑制DNA合成。
四、靶向除草剂的高效开发路径
找到优质靶点是第一步，如何将靶点转化为商业化除草剂，还需要高效的分子设计和开发策略。
4.1 先导化合物的发掘
先导化合物是除草剂开发的起点，目前主要有以下三种来源：
天然产物：天然产物结构多样、作用机制新颖、环境相容性好，是先导化合物的重要来源。比如HPPD抑制剂硝磺草酮的骨架就来自于刷子科植物提取物Leptospermone，经过结构优化后成为目前应用最广的除草剂之一。
随机合成与筛选：基于已有的活性分子骨架，通过结构衍生、生物电子等排、骨架跃迁等策略获得新的先导化合物，也就是常说的“Me too”he “Me better”策略。这种方法成功率较高，但很难获得全新作用机制的品种，且研发成本较高。
中间体衍生化法：利用关键中间体的结构特点，通过共同中间体法、末端基团替换法、活性化合物衍生法等策略，快速构建结构多样的化合物库，结合生物活性筛选获得先导化合物。这种方法效率高、成本低，是目前农化企业最常用的先导化合物发掘方法，上海萄菩化工中间体有限公司和瓦赫宁根正在开发的手性环丁胺系列杀菌剂正是采用的该方法。
4.2 计算机辅助药物设计（CADD）
计算机辅助设计是提升除草剂开发效率的核心技术，主要包括以下两类：
基于结构的药物设计（SBDD）：通过解析靶蛋白的三维结构，模拟抑制剂与靶点的结合模式，针对性地优化化合物的空间结构和电子性质，提升结合亲和力。随着AlphaFold等蛋白结构预测工具的普及，即使没有实验解析的晶体结构，也可以通过同源建模获得可靠的蛋白结构，大幅降低了SBDD的门槛。
基于配体的药物设计（LBDD）：通过分析已知活性化合物的构效关系，建立药效团模型，从化合物数据库中高通量筛选潜在的活性分子。这种方法不需要靶蛋白的结构信息，适合靶点机制尚不明确的情况。
图6 | 计算机辅助除草剂分子设计流程。通过靶点结构解析、结合模式模拟、虚拟筛选、构效关系优化等步骤，大幅提升先导化合物开发效率。
4.3 前药策略优化成药性
很多化合物本身具有优异的生物活性，但存在溶解性差、渗透性低、吸收差、选择性不好等问题，无法直接开发为商业化品种。前药策略就是给活性分子穿一件外衣，通过化学修饰改善其理化性质，进入植物体内后再通过酶促或非酶促反应释放出活性原药，主要分为以下两类：
生物前体前药：不需要连接载体，通过对活性分子本身进行分子内修饰，比如异噁唑草酮（Isoxaflutole，141112-29-0）本身没有除草活性，进入植物体内后代谢为异噁唑草酮-二酮腈（Diketonitrile，DKN，143701-75-1）才是真正的HPPD抑制剂，这也是目前应用最广的前药类型。
载体连接前药：将活性分子与特定的载体基团连接，进入植物体内后载体被裂解，释放出活性分子。常见的载体包括酯、酰胺、磷酸酯、氨基甲酸酯等，可以改善化合物的水溶性、脂溶性，提升渗透性，甚至实现组织靶向递送。
前药策略已经在农化领域得到了广泛应用，比如草甘膦的异丙胺盐、二甲胺盐等剂型，本质上就是前药，通过改善草甘膦的溶解性和渗透性，大幅提升了除草效果。
图7 | 前药策略在除草剂开发中的应用示例（以异噁唑草酮/Isoxaflutole为例）。异噁唑草酮/Isoxaflutole本身无活性，进入植物体内后经代谢转化为异噁唑草酮-二酮腈/Diketonitrile，抑制HPPD活性，发挥除草作用。
五、结论与展望
尽管新机制除草剂的研发面临成本高、风险大的挑战，但随着抗性杂草问题日益严峻，以及绿色农业的发展需求，新靶点的发掘和开发已经成为农化领域的核心赛道。未来，随着人工智能、结构生物学、合成生物学等技术的进一步发展，我们有望实现：
更多安全、高效的新靶点被验证：尤其是植物特有的靶点，比如DHAD，对哺乳动物安全，不会造成环境风险。
开发效率大幅提升：AlphaFold等工具让蛋白结构解析不再是瓶颈，计算机辅助设计将大幅缩短先导化合物的优化周期，降低研发成本。
前药技术的应用更加广泛：针对难溶性、低渗透性的活性分子，通过前药修饰改善其成药性，让更多有潜力的化合物能够实现商业化。
杂草治理是一个系统工程，除了开发新除草剂，还需要结合轮作、机械除草、生物防治等手段，建立科学的杂草治理体系。政府、科研机构、企业、农户需要共同努力，才能延缓抗性进化，保障全球粮食安全。笔者认为，南农这篇综述梳理的新靶点和新技术，值得一读。