杂草严重威胁作物生产，尽管除草剂是杂草防控的核心手段，但其常伴随作物药害问题。除草剂安全剂（herbicide safeners）通过选择性增强作物的代谢解毒通路，在不削弱除草活性的前提下保障作物安全，然而其理性设计仍面临重大挑战。本综述聚焦新型安全剂开发的三个核心策略：（i）结构导向设计，包括对商业化及天然安全剂的骨架优化；（ii）基于多组学与解毒通路整合的机制驱动设计；（iii）借助先进智能递送体系实现高效递送。通过系统整合最新研究进展，本综述提出了面向现有及未来除草剂的“高效、环境友好型安全剂”开发战略框架，旨在推动该领域的系统性发展。
1. 引言
杂草通过与作物竞争光照、水分、养分及生存空间，导致全球作物产量与品质显著下降，缺乏有效防控时可造成近100%的产量损失。相较于物理、机械及农艺措施，化学除草剂因便捷高效成为主流防控手段，但氯乙酰胺类（如乙草胺、丙草胺、异丙甲草胺及S-异丙甲草胺）等除草剂因作用靶标在作物与杂草中保守，常导致作物生长受抑，产量损失可达30%–90%。当前应对除草剂药害的三大策略包括：开发选择性除草剂、培育抗除草剂作物及施用除草剂安全剂。其中，安全剂因兼具药效、成本效益与使用便捷性，已成为商业市场的首选方案。安全剂主要通过选择性上调作物体内谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase, GST）及细胞色素P450单加氧酶（cytochrome P450 monooxygenases, P450s）等解毒通路，加速除草剂代谢失活，从而在不影响除草效果的前提下降低作物损伤。自1967年Hoffman等发现首个商业化安全剂1,8-萘二甲酸酐（1,8-naphthalic anhydride, NA）以来，已有20余种商业化安全剂（如解草啶FEM、解草嗪BEN、解草酯CQM）问世，数千种候选化合物被报道；此外，水杨酸（salicylic acid, SA）、山椒素（sanshools, SANs）及Z-藁本内酯（Z-ligustilide, Z-LIG）等天然产物也为安全剂开发提供了重要来源。全球市场中超过30%的除草剂制剂已添加安全剂，但其长期应用暴露出环境风险（如土壤残留、水生生物毒性及生态累积性）。同时，针对氯乙酰胺类等靶标尚不明确的除草剂，转基因与基因编辑技术难以培育稳定抗性作物，使得安全剂研发成为农业科学的紧迫需求。与杀虫剂、杀菌剂等其他农药不同，安全剂的作用机制尚未完全阐明，通常涉及多通路、多基因、多酶及代谢物的协同调控网络，导致开发仍依赖随机筛选，且递送系统研究严重滞后。因此，本综述围绕“理性设计–机制解析–高效递送”三大主题，系统评述安全剂开发的研究进展，为绿色高效安全剂的创制提供战略指导。
2. 基于结构的理性设计
2.1 商业化安全剂骨架的结构优化
除草剂安全剂的开发始于NA缓解番茄2,4-D药害的发现，并建立了“作物–除草剂–安全剂”互作筛选模型，其研发路径包括：针对特定作物–除草剂组合的高通量室内与田间生物测定筛选先导化合物，进而通过结构优化获得商业化产品。现有商业化安全剂可分为四大类：二氯乙酰胺类、脲类及磺酰脲类、杂环类及其他类。尽管已成功应用，但商业化安全剂普遍面临活性不足与环境风险的双重挑战。例如，水稻田常用丙草胺乳油制剂中，解草啶（FEM）与丙草胺的质量比高达1:3；解草嗪（BEN）作为S-异丙甲草胺的配套安全剂，土壤降解半衰期（DT50 ）长达50天，不仅对小鼠表现出肝毒性与肠道菌群紊乱风险，还对虹鳟鱼（96-h LC50 =3.5 mg/L）与斑马鱼（96-h LC50 =0.60 mg/L）具有高毒性，并可诱导斑马鱼幼体发育与心脏毒性。针对上述缺陷，研究人员以商业化安全剂为先导骨架开展系统修饰：以二氯乙酰胺类安全剂R-28725为例，通过保留其二氯乙酰核心，对恶唑烷环进行乙基修饰，获得化合物1，其在20 mg/kg浓度下对玉米氯磺隆药害的根长恢复率达96.49%，显著高于对照R-29148（79.34%）；进一步研究发现其安全活性具有对映体选择性，R-异构体活性优于S-异构体与外消旋体。通过片段拼接策略，将苯氧乙酰基、苯基恶唑及苯基磺酰脲等关键活性片段引入R-28725的酰胺键C端，获得的衍生物4、5、6分别在烟嘧磺隆、噻吩磺隆及丙炔氟草胺致玉米药害中表现出显著优于母体的保护效果，验证了恶唑烷-酰胺骨架为核心活性结构。类似地，以BEN为母体，通过保留苯并恶嗪骨架并修饰酰胺C端，引入苄氧甲基、乙氧羰基、苯基磺酰脲及苯基异恶唑等片段，获得的衍生物7–15中，多个化合物在缓解2,4-D丁酸酯、氯磺隆及异恶氟草酮药害方面优于BEN，明确了苯并恶嗪骨架的修饰规律。其他商业化安全剂如异恶草胺（IFE）、吡唑解草酯（MFD）、解草唑（FCE）及解草胺腈（CSA）的结构优化，均通过保留其特征性核心骨架（如苯基恶唑、恶唑烷酮、三唑及磺酰脲），连接氯苯嘧啶、吲哚酮及硝基苯磺酰胺等药效团，获得了系列高活性衍生物。针对水稻田专用安全剂FEM，研究人员通过修饰“苯基–嘧啶”连接键及嘧啶环氯原子位点，引入酰胺键与苯氧片段，获得的化合物24–26在缓解异丙甲草胺药害时活性优于FEM，且对斑马鱼胚胎的急性毒性显著降低（96-h LC50 提升至13.80–28.96 mg/L，FEM为1.94 mg/L）。然而，上述高活性衍生物尚未商业化，主要瓶颈在于合成成本高于母体且田间稳定性研究缺失。
2.2 天然安全剂及其衍生物
鉴于商业化安全剂的环境风险，天然产物成为绿色安全剂的重要来源。目前已鉴定的天然安全剂包括来自羌活的异茴芹素（IP）与5-甲氧基补骨脂素（5-MOP）、松果体分泌的褪黑素（melatonin, MLT）、茉莉花中的甲基二氢茉莉酸（MDHJ）与茉莉酸甲酯（MeJA）、植物激素水杨酸（SA）、油菜素内酯（brassinolide, BR）、川芎中的Z-藁本内酯（Z-LIG）与洋川芎内酯A（SenA）、花椒中的α/β/γ/ε-山椒素（SANs）及其羟基化与脱氢衍生物、植物内源的脱落酸（abscisic acid, ABA）、薰衣草中的芳樟醇（Lin）、甲酸芳樟酯（LIF）、松科植物的α-松油醇（Ter）、枇杷中的2-己酰基呋喃（HF）、玫瑰草的乙酸香叶酯（GA）及苦橙的乙酸橙花酯（NAE）等。天然安全剂的开发主要遵循两条路径：一是基于生物测定引导的植物提取物分离纯化，从传统药用植物（如花椒、青花椒、川芎）中鉴定活性成分（如Z-LIG、SANs、佛手柑内酯BG）；二是利用植物激素在除草剂抗性信号与生理调控中的已知功能，直接筛选具有高除草剂耐受性的激素类先导物。然而，天然安全剂的防护活性通常低于商业化产品，需更高施用量才能达到同等效果。例如，0.8 mg/L SANs可缓解0.25 μM S-异丙甲草胺对水稻幼苗的药害，但SANs与MET的质量比高达11.3:1，而商业化安全剂二氯丙烯胺（DCM）与S-异丙甲草胺的比例仅为1:17.5；SA作为水稻安全剂时，所需SA:MET质量比高达112.8:1；褪黑素（MT）在3:1比例下对玉米S-异丙甲草胺药害的保护效果显著低于BEN。高施用量叠加提取或合成成本，阻碍了天然安全剂的商业化进程。为此，研究人员提出“植物提取物–活性成分发现–结构优化”的系统开发策略：以花椒果实粗提物为起点，经CO2 超临界流体色谱分离获得SANs混合物（含羟基-α/β/ε-SAN 70.06%、γ-SAN 10.54%等），针对其长链结构合成困难的问题，设计合成了缩短酰胺骨架C链的N-酰胺类似物27与28，二者对玉米S-异丙甲草胺药害的保护活性与DCM相当，且对斑马鱼胚胎的毒性较DCM降低4.87–5.00倍，证实了该策略的可行性。
2.3 定量构效关系（QSAR）指导的结构设计
计算机辅助药物设计（computer-aided drug design, CADD）通过计算模拟加速农药发现。基于安全剂的构效关系（structure-activity relationship, SAR）研究，QSAR模型可建立分子结构与安全活性间的定量关联，用于高效预测与筛选候选化合物。1978年Stephenson等对R-25788及其类似物开展首个QSAR研究，发现其与S-乙基-N,N-二丙基硫代氨基甲酸酯（EPTC）的结构相似性是关键，符合该特征的类似物可有效作为EPTC的安全剂。2000年Barnar等构建了首个三维（three-dimensional, 3D）-QSAR模型，采用比较分子场分析（comparative molecular field analysis, CoMFA）方法研究了28种安全剂（如BEN、AD-67、R-25725）与20种除草剂（如乙草胺、丙草胺、异丙甲草胺）在低能构象与安全活性上的相似性，虽为后续QSAR建模奠定基础，但未直接指导新安全剂发现。Fu等与Zhao等分别报道了二氯乙酰恶唑烷类安全剂的二维（two-dimensional, 2D）-QSAR与3D-QSAR模型，但仍停留在模型构建阶段，未应用于实际候选化合物鉴定。Wang等针对28种新合成的取代二氯乙酰苯磺酰胺衍生物开展QSAR研究，建立的CoMFA模型交叉验证相关系数（q2 ）达0.527，非交叉验证相关系数（r2 ）达0.995，证实模型可靠性；立体场与静电场贡献相当，其中静电场略占优势，表明在芳香环对位引入低位阻吸电子基团有利于提升安全活性，为后续结构优化提供了明确指导。目前，QSAR模型指导安全剂合成仍处于探索阶段，将其与理性结构设计整合是加速安全剂发现的潜力路径。
2.4 基于分子对接的结构设计
安全剂被认为可通过与除草剂竞争结合作物体内的相同靶标位点，抑制除草剂结合从而发挥保护作用，部分安全剂与除草剂的结构相似性支持这一机制。随着分子对接技术的发展，解析安全剂与除草剂在靶标上的结合亲和力与模式成为可能。Fu与Ye团队报道了安全剂与除草剂对其靶标（如原卟啉原氧化酶protoporphyrinogen oxidase, PPO、乙酰乳酸合成酶acetolactate synthase, ALS、乙酰辅酶A羧化酶acetyl-CoA carboxylase, ACCase及4-羟基苯基丙酮酸双加氧酶4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase, HPPD）的结合模型。Zhang等合成的N-苯甲酰基-N'-苯基硫脲衍生物29活性最高，其与PPO的分子对接显示：化合物29成功占据PPO活性口袋，与关键残基Arg98形成氢键，而除草剂甲磺草胺与该残基形成两个氢键，表明化合物29通过竞争性占据活性位点阻断甲磺草胺结合。这一结果为靶向优化的新型安全剂设计提供了理论基础。然而，基于靶标的结构设计仍缺乏直接实验证据，包括安全剂与关键除草剂靶标（如ALS、ACCase、PPO）的结合验证实验及安全剂–靶标复合物的晶体结构解析。目前尚无仅通过该计算途径开发的商业化安全剂报道。未来结合AlphaFold 3预测靶标蛋白结构、分子对接与基于结构的虚拟筛选，并辅以理性结构修饰，有望克服传统优化方法在时间、人力与成本上的低效性。值得注意的是，安全剂候选分子的理性设计依赖于对生化通路的精准调控，立体化学优化与卤化等结构修饰可直接调控GST的表达水平与活性，因此系统阐明安全剂如何协调基因表达、酶活性与代谢流至关重要。
3. 安全剂作用的多重机制：从基因调控到酶介导再到代谢重编程
阐明安全剂作用机制是其高效开发的核心。安全剂通过多种模式缓解除草剂药害，包括抑制除草剂吸收转运、竞争靶标位点结合、维持除草剂相关靶标功能及增强除草剂代谢，其中增强作物代谢解毒是最明确且被广泛接受的机制，其核心是加速代谢速率而不改变解毒通路本身。植物体内除草剂解毒通常经历连续的四个阶段：Ⅰ相（功能化）由CYP450s、过氧化物酶（peroxidases, POD）及羧酸酯酶（carboxylesterases, CarE）催化，通过氧化、还原或水解反应向除草剂分子引入极性官能团；Ⅱ相（结合）由谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）或糖基转移酶（uridine diphosphate glycosyltransferases, UGTs）催化，将Ⅰ相代谢产物与谷胱甘肽（glutathione, GSH）或葡萄糖（glucose, Glc）等内源性亲水分子共轭，显著增加水溶性；Ⅲ相（区室化）由ATP结合盒转运蛋白（ATP-binding cassette transporters, ABC transporters）介导，将上述共轭物主动转运至液泡；Ⅳ相（转运）中，共轭物在液泡内经糖基转移酶（glycosyltransferases, GT）等修饰为非光毒性代谢物后被转运出细胞。安全剂通过信号介导的多级调控网络增强整个Ⅰ–Ⅳ相解毒过程，而非单一环节。该网络协调基因表达、酶活性与代谢物流，提升整体解毒效率。在基因组层面，安全剂激活碱性亮氨酸拉链（basic leucine zipper）及TGACG基序结合因子等关键转录因子及相关调控蛋白，使其结合至解毒相关基因启动子区域，大幅上调mRNA转录。早期安全剂抗性基因发现依赖低通量的PCR筛选（如Northern blot鉴定NA诱导的CYP71A11、CYP81C1、CYP81C2基因）；转录组技术的应用极大加速了解毒基因挖掘，如在玉米中快速定位到ADH（Ⅰ相）、GST31/GST6/GST19（Ⅱ相）、UF3GT（Ⅱ相）、MATE（Ⅲ相）及SCPL18（Ⅳ相）等关键基因，并揭示IFE与CSA诱导其表达以解毒烟嘧磺隆的分子机制；在水稻中，FEM诱导的OsCYP94C2经异源表达、酶活分析及分子对接验证可直接代谢丙草胺，揭示了FEM诱导除草剂耐受的分子基础。在酶活性层面，安全剂通过诱导基因表达提升解毒酶（如GST）与抗氧化酶（超氧化物歧化酶superoxide dismutase, SOD、POD、过氧化氢酶catalase, CAT）的丰度与活性，还可通过信号通路触发磷酸化等翻译后修饰直接激活现有酶，协同上调Ⅰ相（P450s）、Ⅱ相（GSTs、GTs）及抗氧化酶活性，是所有类别安全剂的共同特征。在代谢层面，安全剂通过双重机制发挥作用：一是上调GSH合成通路关键酶（如γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶）的表达与活性，促进内源性保护分子GSH积累，确保Ⅱ相结合的底物供应；二是增强ABC转运蛋白等功能，促进共轭物液泡区室化，全面提升解毒通路代谢通量。例如，BEN与FCE通过上调硫同化（ATP硫酸化酶、腺苷5'-磷酸硫酸）与GSH合成（半胱氨酸合成酶、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶）的关键酶，提升玉米细胞GSH水平；DCM则上调玉米ABC转运蛋白基因ZmMRP1表达，促进GSH–除草剂共轭物的液泡区室化，驱动除草剂从光毒形式转化为无毒形态。多组学整合可从系统层面揭示全面调控网络与全局响应，识别新靶点与通路，直接证实基因–代谢物关联。Deng等首次联合转录组与代谢组分析，阐明了新型安全剂苦参碱-3-硝基水杨酸离子盐（matrine 3-nitrosalicylate ionic salt, MNS）缓解水稻丙草胺药害的机制：MNS+丙草胺共处理上调GSH代谢关键基因，提升谷胱甘肽还原酶、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶及谷胱甘肽合成酶的丰度，重编程L-γ-谷氨酰半胱氨酸、氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione, GSSG）及谷氨酰亚精胺等节点代谢物水平，定义了从基因、酶到代谢物的整合通路。值得注意的是，当前除草剂抗性研究多聚焦杂草自身，忽视杂草对安全剂保护的适应性进化。由于安全剂选择性依赖于作物与杂草的代谢差异（如GST表达与催化效率差异），长期大面积应用可能驱动杂草代谢谱向耐受作物趋同进化，削弱安全剂所需的代谢区分度，相关研究缺失亟待弥补以完善风险评估与可持续管理策略。
4. 智能安全剂递送系统
安全剂与所有农药一样面临施用效率的双重挑战，智能纳米递送或控释系统可有效解决。为实现最优保护，安全剂需在除草剂前被作物吸收，以充分预激活解毒通路，这要求先进的递送系统（如纳米载体或控释平台）实现精确时序递送。研究人员构建了时序控制型除草剂–安全剂共递送系统，采用核壳设计：将除草剂丙草胺封装于ZIF-68核心，外层包覆安全剂AD-67形成AD-67@PRE@ZIF-67，实现“安全剂先于除草剂”的程序化释放与吸收。该系统通过提升GST活性与GSH含量，在400 g a.i./ha剂量下，水稻幼苗的相对根长、株高及鲜重较同步释放的丙草胺乳油+AD-67混合物分别提升27.5%、26.5%与34.0%。除时序控制外，另一策略是通过纳米递送增强安全剂吸收。将MNS封装于β-羟丙基环糊糊（hydroxypropyl-β-cyclodextrin, HBPCD）形成的纳米制剂MNS@HBPCD，水溶性提升4.7倍（达278.5 g/L），土壤迁移性显著改善，分布更均匀且渗透更深；田间试验显示，225 g a.i./hm2 MNS@HBPCD配合丙草胺乳油，较FEM显著提升水稻成苗数、株高、根长、鲜重及最终产量（增幅26%、15%、9%、27%、14%），且除草活性相当。机制上，MNS@HBPCD独特且强力激活GSH代谢解毒通路，上调GSTU6、GGCT2等关键基因并促进GSH积累，缓解除草剂诱导的氧化胁迫；同时其对非靶标生物的毒性显著降低，对斑马鱼胚胎的急性毒性降低约540倍，对人肝癌细胞G2（HepG2）与人永生化角质形成细胞（HaCaT）的细胞毒性分别降低约500倍与177倍。类似地，负载天然安全剂MT的脂质体系统（MT@LIPs）通过屏蔽MT与土壤电荷的相互作用，提升土壤迁移性与玉米幼苗吸收，使玉米幼苗相对根长、鲜重、株高及发芽率分别提升48.4%、48.0%、46.6%与36.6%，优于常规安全剂BEN；其通过更强烈激活GSH与淀粉–蔗糖代谢等应激通路，上调GST、GOR、PEX13等解毒与抗性基因，增强玉米幼苗系统解毒能力，且对斑马鱼胚胎与人类皮肤成纤维细胞的毒性较MT分别降低42.9%与101.0%。当前商业化制剂中，安全剂与除草剂通常同步释放而无时序控制，违背了“安全剂优先”的核心策略，导致保护效力牺牲于制剂便利性与成本。MT@LIPs与MNS@HBPCD的土壤迁移性显著优于BEN与FEM，确保了安全剂与作物根系的有效接触并降低径流风险，提升了田间适用性。
5. 展望
过去六十年，安全剂施用始终是提升作物除草剂耐受性最有效、简便且经济的策略。但所有商业化、天然及高潜力候选安全剂均通过随机筛选发现，耗时、昂贵且低效，亟需更系统的研发策略：从大规模室内与田间生物测定快速识别初始“命中”化合物，作为先导前体；通过整合计算机辅助药物设计（包括虚拟筛选、基于结构的片段生长、QSAR与机器学习）与活性片段策略的统一流程，理性优化为开发候选物；再经大规模生物测定验证与优化，形成协同效应，显著提升整体筛选效率。尽管安全剂通常被登记为“惰性成分”，但其高施用量（与除草剂质量比可达1:3）引发的环境归趋、生态毒理及长期安全性担忧日益加剧。未来研发需系统评估新安全剂的降解行为、代谢途径、非靶标生物毒性及潜在累积风险，并将其纳入分子设计与筛选标准，主动对接全球化学品登记监管框架。结构修饰在提升活性的同时，必须平衡降低环境持久性与生态毒性的策略，避免以生态负担换取增效。早期机制研究揭示安全剂不仅诱导P450等解毒通路，还激活细胞抗氧化系统；组学技术进一步证实其核心功能是系统诱导GSH生物合成与GST系统，驱动内源性代谢组广泛重编程以加速解毒。最新研究表明，安全剂活性受互联多级网络调控，该网络调节GSH/GST、P450通路及ABC转运蛋白等关键酶的表达与活性，驱动GSSG与黄酮类等防御代谢物的动态积累，构成缓冲防御响应。这种网络调控特性对传统单基因操作（敲除、编辑或过表达）提出挑战，因单个节点的扰动常被网络内其他遗传或代谢水平的补偿所抵消。因此，理解作物安全剂诱导的除草剂抗性需整合系统生物学方法：从多组学分析识别候选基因与通路，结合抗性作物遗传定位锁定关键区域，最终通过网络内的功能验证，克服单层次研究的局限，完整阐释复杂抗性机制。当前机制认知为安全剂理性设计提供了路线图：首先建立高通量筛选模型（如基于荧光的谷胱甘肽等关键代谢物积累微孔板检测），快速识别候选化合物；其次在分子设计中，通过计算模拟能同时激活多防御通路（如促进解毒代谢物生成与诱导外排转运）的化合物结构；最终策略应聚焦多靶点，开发平衡整个防御网络的分子。当前制剂技术在提升安全剂递送效率与应用精度方面潜力巨大，未来应聚焦纳米递送系统与时序控释机制的整合，克服传统制剂利用率低与安全剂活性窗口和除草剂胁迫期错配的瓶颈。纳米载体（如脂质体、聚合物胶束、甲壳素、介孔二氧化硅）可提升安全剂在作物中的渗透与靶向运输，显著提高生物利用度；通过智能刺激响应设计（如响应除草剂施用后的微环境变化pH、温度或特定酶活性），可实现程序化释放动力学，例如核壳载体设计为先快速释放安全剂诱导防御响应，再持续释放除草剂，确保安全活性与除草剂胁迫期精准匹配。将安全剂与除草剂共封装于单一递送平台形成集成“智能装置”，实现时空协同递送，简化施用并减少农用化学品总投入，将安全剂从“惰性成分”重新定义为功能性精准调控元件，推动杂草防控向时空精准干预演进。最终，下一代安全剂必须通过分子水平理性设计、系统机制解析与先进递送技术的深度融合才能诞生，为构建高效、低投入、环境可持续的杂草管理系统提供关键技术支撑，克服除草剂致作物药害，实现真正可持续的农业。
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