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除草剂安全剂的研究进展概况

      1947年,OttoHoffman在喷施2,4-二氯苯氧乙酸后发现,2,4-二氯苯氧乙酸蒸汽对番茄造成药害,但喷施2,4,6-三氯苯氧基乙酸后,番茄没有出现药害症状。Hoffman发现除草剂的这种影响后,开始研究能够保护农作物免受除草剂伤害的化合物。他最初引入“除草剂解毒剂”来描述这类化合物,但在医学中解毒剂用以治疗人类中毒,“除草剂解毒剂”只能预防药害而不能治疗已经发生的药害,故该概念被多方质疑。因此,“除草剂安全剂”随之而生,并被业内逐步认同。
       第1个商用除草剂安全剂1,8-萘二羧酸酐(NA)于1969年被成功研发。NA可以保护玉米及高粱免受醚苯磺隆、苄嘧磺隆、砜嘧磺隆等多种除草剂的药害。第2个除草剂安全剂二氯丙烯胺(dichlormid)于1972年被美国史托福石化公司(现先正达)合成。二氯丙烯胺可以保护玉米、水稻、小麦、草坪免受乙草胺、丁草胺、异丙甲草胺、茵草敌等除草剂的药害。1973年,第1个除草剂与安全剂组合的商品化除草剂品种Eradicane(茵草敌+二氯丙烯胺)面世。
      随后,除草剂安全剂的开发和利用受到美国、德国、日本、俄罗斯、加拿大等科技强国的关注与重视。新型除草剂安全剂的创制、应用技术探索、作用机制研究等发展迅速,陆续研发出解草胺腈、解草酮、解草烷、双苯噁唑酸、环丙磺酰胺等安全剂,并进行推广应用。现有30余种除草剂安全剂品种及其与除草剂的商品化组合物投入生产实践应用中,保护水稻、小麦、玉米、高粱等禾本科作物,大豆、棉花等阔叶类作物。
02除草剂安全剂的分类
      除草剂安全剂的研制与使用技术探索已成为除草剂研究领域中不可或缺的部分。有资料显示,在2011年约有30%的玉米和谷物田除草剂产品都含有安全剂,在约6%的水稻田除草剂中添加了安全剂。80%安全剂的市场份额被拜耳、巴斯夫、先正达及科迪华4家农化巨头占据。
      按作用机制与方式可将安全剂分为分解型、结合型、补偿型和颉颃型。分解型安全剂可以分解除草剂或除草剂有毒产物使其活性丧失。结合型安全剂可以与除草剂或其有毒产物结合以减少或消除除草剂对作物的损害。补偿型安全剂需要人为供给,以减少或消除除草剂的使用造成作物缺少某一种营养成分而产生的药害。颉颃型安全剂,某些除草剂复配或混用有拮抗作用,是拮抗型安全剂的研发基础。
      根据除草剂安全剂化合物结构进行分类,常见类型有二氯乙酰胺(dichloroacetamides)、羧酸衍生物(carboxylic acid derivatives)、肟醚类(oximeethers)、三唑类(triazoles)、噻唑羧酸类(thiazolium carboxylic acids)、二氢吡唑二羧酸类(dihydropyrazoledicarboxylicacids)、二氢异噁唑羧酸类(dihydroisoxazolecarboxylic acids)、芳基磺酰基苯甲酰胺类(arylsulfonyl benzamides)、杂环类(heterocycles)等。其代表性品种及相关信息详见表1。

03除草剂安全剂的作用机制
      除草剂-植物-安全剂体系间相互作用复杂,不少国内外学者在几十年间对其作用机制做了大量研究,但至今尚无明确定论。总结现有研究成果,除草剂安全剂缓解药害的作用机制主要形成了4种不同假说。第一,安全剂与除草剂竞争靶标位点;第二,安全剂影响除草剂的吸收与迁移;第三,安全剂影响作物体内的除草剂代谢;第四,多种作用机制的协同作用。
3.1 安全剂与除草剂竞争靶标位点
      部分安全剂和除草剂具有相似的化学结构,因此有学者猜测,在作物体内安全剂与除草剂存在竞争关系。两者争夺有限的作用靶标位点,安全剂能够降低或消除除草剂对靶标酶活性的抑制作用,从而缓解除草剂对作物的药害。Ezra、Baldwin等报道,茵草敌、克草敌和其结构类似的安全剂二氯丙烯胺在靶标位点上存在竞争关系。二氯丙烯胺通过提高玉米分生组织内乙酰乳酸合成酶(ALS)的活性来缓解氯磺隆对玉米的抑制作用。Walton等研究表明,茵草敌与安全剂R-29148可竞争玉米体内的蛋白结合位点。在丙草胺中加入安全剂解草啶会提升丙草胺制剂对直播水稻的安全性。在水稻体内,解草啶会消除丙草胺对不饱和脂肪酸顺利合成非脂类物质的阻碍作用。其他安全剂,如解草酮和氟草肟也被报道具有这种消除阻碍的作用。
3.2 安全剂影响除草剂的吸收与迁移
      在作物吸收与迁移除草剂的过程中,探寻安全剂与除草剂之间的相互作用是研究除草剂安全剂作用机制的一部分。阅读相关文献,就会发现情况的复杂性。在除草剂与安全剂组合使用的产品中,只有20%的安全剂减少了除草剂的吸收与迁移,40%的安全剂对除草剂的吸收与迁移无明显影响,其余40%的安全剂甚至促进了除草剂的吸收与迁移。然而,在安全剂减少除草剂吸收与迁移的案例中,仍存在争议:这种减少效应是否是安全剂作用的结果。例如,用NA处理后,玉米幼苗根系对咪唑啉酮类除草剂甲咪唑烟酸的吸收与迁移降低了19%,表明NA对保护玉米安全性有所贡献。然而,后续研究表明,当在除草剂使用1 d后施用NA,排除与除草剂吸收的相互作用后,NA也表现出保护作用。这一观察结果与其他研究结果(NA对除草剂的吸收没有影响或有促进作用)相矛盾。在其他除草剂/安全剂的组合应用文献中,也发现了相互矛盾的结果。对安全剂吡唑解草酯与磺酰脲类除草剂甲基二磺隆和碘甲磺隆钠盐的组合也进行了吸收与迁移研究。上述组合中,安全剂对除草剂的吸收与迁移均无明显影响。从目前经验来看,只有少数情况下,安全剂的使用减少了除草剂的吸收与迁移。因此,影响除草剂的吸收与迁移可能并不是安全剂的主要作用机制,但安全剂可能起到辅助作用。
3.3 安全剂影响作物体内除草剂的代谢
      除少数情况外,除草剂在穿透植物组织并到达目标位置后,在植物体内都会发生代谢转化。安全剂对作物体内除草剂代谢能力的提升,是现阶段被广泛认同的解毒机制之一。作物体内的除草剂代谢属于多步骤过程,需要细胞色素P450(P450s)、谷胱甘肽-S-转移酶(GSTs)、糖基转移酶(UGTs)、三磷酸腺苷结合盒转运体(ABC转运体)及谷胱甘肽(GSH)的共同参与。安全剂会同时诱导植物体内代谢解毒过程中一系列关键因子,进一步促进植物体内除草剂的代谢、降解与隔离。安全剂一般只对除草剂代谢速率造成影响,但不改变除草剂代谢途径。
      P450s是植物体内最大的酶家族之一,可催化除草剂化合物进行环甲基羟基化、N-去甲基化、O-去甲基化、芳基或杂环的羟基化作用等多重反应。Swanson等人首次发现P450s参与除草剂代谢的证据:棉花微粒体参与代谢除草剂灭草隆。随后,多方研究证实,多种安全剂可通过诱导增强P450s介导的除草剂代谢来提高选择性除草剂对作物的安全性,涉及的选择性除草剂类别有磺酰脲类、咪唑啉酮类、氯乙酰胺类等。例如,NA可促进磺酰脲类除草剂醚苯磺隆、苄嘧磺隆等在植物体内的代谢。
      GSTs会催化谷胱甘肽与外源性毒物反应,使外源性毒物生成毒性更小或无毒的衍生物,因而GSTs在除草剂解毒作用方面受到广泛关注。而UGTs在激素平衡、次生产物生成和代谢解毒等方面发挥着重要作用。Edwards、Buono等以禾谷类作物玉米、小麦为试验对象,探索8种安全剂(解草酮、解草酯、解草啶、解草腈、解草安、二氯丙烯胺等)对不同作物体内GSTs及UGTs的催化作用的增强情况。研究结果表明,解草酮催化增强玉米、小麦体内GSTs的活性。其他7种安全剂催化增强玉米体内GSTs的活性,催化增强小麦体内UGTs的活性。因此,不同安全剂在不同作物体内催化的代谢解毒酶种类可能不同。
      ABC转运体是植物体内分布最为广泛的蛋白家族之一,其在调控植物生长发育、根系形态、次级代谢物转运、抗逆胁迫上发挥重要作用。ABC转运体中的多耐药相关蛋白(multidrug resistance-associatedprotein,MRP)在将GSH共轭化合物和葡萄糖共轭化合物转运到液泡过程中起重要作用。Martinoia、Grill等首次报道ABC转运体参与植物体内除草剂代谢的证据。在植物中,外源性偶联物主要储存在中央大液泡中。该研究表明,异丙甲草胺与GSH共轭化合物是由一种特殊的ATP酶转运体介导进入大麦液泡。这种方式与哺乳动物肝脏管膜内的GSH共轭化合物输出原理非常相似。Dufaud等研究发现,解草酯刺激液泡对异丙甲草胺与GSH共轭化合物的吸收速度增加,运输活性加倍,转运蛋白的表达量更高。这些结果表明,调控ABC转运体转运活性是除草剂代谢解毒机制的重要组成部分。
3.4 多种作用机制的协同作用
      除草剂安全剂的作用机制复杂,许多安全剂的作用机制至今尚未研究透彻。某些研究成果表明,安全剂对植物的保护作用,是多种作用机制协同作用的结果。随着生物工程技术应用与发展研究的逐步深入,除草剂安全剂作用机制的神秘面纱将会被彻底掀开。
04部分商业化安全剂品种及应用
4.1 解草酮
      解草酮是二氯乙酰胺类安全剂中最重要的商品化成员之一,由CibaGeigy AG(现先正达)以开发代号CGA154281开发,1988年首次报告。解草酮本身不具有除草活性。在正常和不利环境条件下,添加解草酮可提高玉米对异丙甲草胺、精异丙甲草胺等除草剂的耐药性,诱导除草剂羟基化,形成GST共轭化合物。异丙甲草胺与解草酮的体积比为30∶1。含解草酮的部分产品信息详见表2。

4.2 解草酯
      解草酯属于杂环类除草剂安全剂,由CibaGeigyAG(现先正达)以开发代号CGA 185072开发上市,在谷物苗后使用。1989年首次报道它可以与炔草酯(ACCase抑制剂)一起使用。解草酯商品化产品1991年第一次在瑞士、南非和智利发布,美国在2000年登记了安全剂/除草剂组合产品。解草酯的开发,可以使小麦、黑麦和黑小麦等谷物对炔草酯具有优秀的耐受性。炔草酯与解草酯的复配比例通常为4∶1。含解草酯的部分产品信息详见表3。

4.3 吡唑解草酯
      吡唑解草酯与解草酯类似,与各种芳氧基苯氧基丙酸类和磺酰脲类除草剂结合使用,用于防除小麦、黑麦、黑小麦和一些大麦田中杂草。它是由Agrevo(现拜耳作物科学)以开发代号AE F107892开发,于1999年首次报道与甲基碘磺隆一起使用,并取代了其前身解草唑。吡唑解草酯于1994年首次登记。吡唑解草酯可用作(精)噁唑禾草灵(例如,Imtrade MaddogSelective Herbicide)、甲基碘磺隆钠盐(例如,Hussar®)、甲基二磺隆(例如,Atlantis®)、酰嘧磺隆的安全剂。
      Imtrade Maddog Selective Herbicide中,精噁唑禾草灵与吡唑解草酯的体积比为11∶3;Hussar®中,甲基碘磺隆钠盐与吡唑解草酯的体积比为1∶3;Atlantis®中,甲基二磺隆与吡唑解草酯的体积比为1∶3。除草剂和吡唑解草酯的用量没有固定比例。一般来说,保证除草剂安全性所需吡唑解草酯的用量为20~100 g a.i./hm2。
吡唑解草酯与除草剂混合使用过程中存在以下问题:
(1)吡唑解草酯对甲基二磺隆靶标杂草节节麦具有保护作用,能够提高其耐药性,使甲基二磺隆对节节麦的防效降低。故而成熟的甲基二磺隆制剂配方需加入增效助剂。
(2)化合物在植物体内的吸收部位以及传导方向特异性很强。目前吡唑解草酯是通过茎叶喷雾吸收而发挥作用,而关于吡唑解草酯用于作物其他部位是否有效尚未见报道。
(3)吡唑解草酯原药熔点50~52℃,属于低熔点原药。低熔点原药制成悬浮剂后易出现分层、固化、悬浮率下降问题。
4.4 双苯噁唑酸
      与传统安全剂相比,双苯噁唑酸能与更多不同类型的除草剂结合使用,用于不同的作物。该特质扩展了双苯噁唑酸的选择性与应用范围。双苯噁唑酸具有使用量低、活性相对较高、能够提高除草剂有效应用浓度的优势。
      自2002年开始,拜耳公司相继推出含双苯噁唑酸系列除草剂产品。Ricestar®,主要组分精噁唑禾草灵和双苯噁唑酸;Tiller Gold®,主要组分乙氧嘧磺隆和双苯噁唑酸。主要推广作物为水稻。Equip®,主要组分甲酰胺磺隆和双苯噁唑酸;Option®、Maister®,主要组分甲酰胺磺隆、甲基碘磺隆和双苯噁唑酸;Accent®,主要组分烟嘧磺隆和双苯噁唑酸;Sortan®,主要组分砜嘧磺隆和双苯噁唑酸;Realm®,主要组分砜嘧磺隆、硝磺草酮和双苯噁唑酸;Laudis®、Soberan®,主要组分环磺酮和双苯噁唑酸;Auxo®、Hydris®,主要组分环磺酮、溴苯腈和双苯噁唑酸;Capreno®,主要组分环磺酮、噻酮磺隆和双苯噁唑酸;Resolve®,主要组分砜嘧磺隆、噻吩磺隆和双苯噁唑酸;Rvulin®,主要组分烟嘧磺隆、硝磺草酮和双苯噁唑酸;Steadfast®,主要组分烟嘧磺隆、砜嘧磺隆和双苯噁唑酸。主要推广作物为玉米。拜耳公司关于双苯噁唑酸的专利保护已于2014年到期。国内烟嘧磺隆与双苯噁唑酸主流配方中二者的体积比为4∶1~2。
4.5 环丙磺酰胺
      环丙磺酰胺也是拜耳公司2009年开发的除草剂安全剂。CN103929956A描述了环丙磺酰胺对磺酰脲类、氯乙酰苯胺类、环己二酮类、咪唑啉酮类等除草剂具有明显解毒作用。CN1658755A报道了它对芳族羧酸激素类除草剂具有很好的解毒作用,例如麦草畏、草灭畏等。
      环丙磺酰胺已与多种玉米田除草剂混用。Balance® Flexx、Menrlin Flexx® L、Converge® Flexx,主要组分异噁唑草酮和环丙磺酰胺;Agengo®、Corvus®、Koloss®,主要组分异噁唑草酮、噻酮磺隆和环丙磺酰胺;Maister power®,主要组分噻酮磺隆、甲酰胺磺隆、甲基碘磺隆和环丙磺酰胺;DiFlexx®,主要组分麦草畏和环丙磺酰胺;DiFlexx® DUO,主要组分麦草畏、环磺酮和环丙磺酰胺。
4.6 Metcamifen
      Metcamifen(开发代号:CGA246783),由先正达集团股份有限公司研发,已在澳大利亚获得除草安全剂的批准登记。Epivio CSorghum Seed Safener (400 g/L metcamifen SC),登记用作高粱的种子处理剂来保护其免受除草剂精异丙甲草胺(S-metolachlor)的药害,制剂用量250 mL/100 kg种子。Metcamifen可以刺激GST的产生,催化还原型谷胱甘肽与农药残留物结合,从而达到解毒作用。高粱种子萌发产生的GST赋予其耐精异丙甲草胺和土壤中相关化合物毒害的能力。
      芦志成等报道称,metcamifen与磺酰脲类、氯乙酰苯胺类和芳氧基苯氧基丙酸类除草剂一起应用会降低高粱、大豆、玉米、水稻和谷物等作物田除草剂的药害程度。Metcamifen是以磺胺为中间体,分别与氯甲酰胺、苯甲酰氯反应获得的直接合成产物。合成路线如图1所示。

05展望
      在除草剂新化合物研制周期长、研发费用持续走高的时代背景下,笔者认为,科研单位与企业应该投入精力研究完善除草剂安全剂使用技术,利用除草剂安全剂使老产品扩展新用途、焕发新活力,研发具有自主知识产权的新型除草剂安全剂。
      对于含有安全剂和除草剂混合物的产品,需要大量的研究开发工作来确定除草剂和安全剂的比例、用法用量等技术信息,并在产品标签上注明。该产品的用量应既能确保作物安全,又能对杂草达到理想防效。如果使用不当,比如产品用量低于建议最低值,就存在由于除草剂用量不足对杂草防效差和因安全剂用量不足对作物产生药害的风险。
      双苯噁唑酸、环丙磺酰胺等安全剂大大提高了烟嘧磺隆等除草剂在玉米田应用的安全性,对玉米田除草剂的市场格局产生了不容忽视的影响。这是利用除草剂安全剂让老产品焕发新活力、延长老产品生命周期的典型案例。现阶段农田杂草发生情况越发复杂,区域性抗性、恶性杂草危害严重,单纯依赖开发全新作用机制的除草剂解决杂草问题越来越困难。在新化合物研发频率下降且都有专利保护的情况下,添加安全剂让老药新用也是解决草害的一种思路。
      除草剂安全剂具有广泛的应用与发展潜力,对其进行深入探索和开发创制是综合性研究课题,需要生物技术与化学等学科互相结合。然而,国内专注除草剂安全剂作用机制研究、安全剂开发的科研团队、企业力量相对薄弱。当务之急是在基因层面深层次研究安全剂的作用机制,结合生理生化学技术解析除草剂和安全剂对作物的影响,以此为基础促进新型高效除草剂安全剂的分子设计与研发。
文章摘自现代农药

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