稻田除草劑Fenoxasulfone

張志宏 編譯

（安徽國(guó)星生物化學(xué)有限公司，安徽當(dāng)涂 243100）

大米是日本的主食。為了保證水稻的穩(wěn)定生產(chǎn)，對(duì)稻田雜草的防除是必不可少的。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，一年生稻田雜草稗草(Echinochloaspp.)是日本最棘手的問(wèn)題。很多公司已開(kāi)發(fā)了防除稗草的化學(xué)除草劑。但這些除草劑有時(shí)在某種土壤或水中不能充分發(fā)揮藥效。此外，近年來(lái)，具有磺酰脲類(lèi)(SU)抗性的雜草增多，帶來(lái)許多問(wèn)題。在這種情況下，需要一種不受土壤類(lèi)型或水分條件影響且對(duì)抗磺酰脲類(lèi)雜草有防除活性的除草劑。因此，本研究的目的是開(kāi)發(fā)一種不僅能防除稗草，還能防除一年生雜草和某些抗磺酰脲類(lèi)除草劑雜草，在各種環(huán)境條件下都有活性的、新的、穩(wěn)定的稻田除草劑。

在此研究之前，日本組合化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社開(kāi)發(fā)了用于玉米、大豆、棉花和小麥田的芽前除草劑砜吡草唑(pyroxasulfone，圖1)。通過(guò)對(duì)新穎3-磺酰基異噁唑啉衍生物（3-sulfonylisoxazoline，圖1）的骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾得到fenoxasulfone。

圖1 3-磺酰基異噁唑啉衍生物和砜吡草唑結(jié)構(gòu)

通過(guò)本研究，發(fā)現(xiàn)含苯環(huán)化合物具有獨(dú)特的理化性質(zhì)，如在水中的溶解度低，土壤對(duì)這類(lèi)化合物的吸附能力強(qiáng)。Makoto Fujinami等認(rèn)為，這些特性使化合物可能在水稻（flooded rice）栽培系統(tǒng)中具有穩(wěn)定的效果，避免隨稻田徑流流失的風(fēng)險(xiǎn)。因此，重點(diǎn)研究了苯環(huán)的取代基，并對(duì)所得化合物的除草特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。最后，發(fā)現(xiàn)了具有優(yōu)異除草活性和較長(zhǎng)持效期的fenoxasulfone(圖2)。

圖2 fenoxasulfone的結(jié)構(gòu)

1 f enoxasul f one的發(fā)現(xiàn)

首先對(duì)異噁唑啉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)5,5-二甲基-4,5-二氫異噁唑是最優(yōu)部分。用不同的芐基鹵化物對(duì)苯環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。合成路線如圖3所示。反思了這種稻田除草劑的構(gòu)效關(guān)系，重點(diǎn)研究了其理化性質(zhì)，特別是土壤吸附特性。

1.1 苯環(huán)上取代基的影響——單取代環(huán)

最初，苯環(huán)上的取代基為1個(gè)甲基和其他取代基(圖4)。結(jié)果表明，鄰位取代基衍生物的除草活性高于其他取代基的化合物(表1)。

圖3 合成路線

圖4 基本結(jié)構(gòu)

表1 取代位置的效應(yīng)（有效成分g/hm2）

此外，還對(duì)除甲基以外的取代基進(jìn)行了考察，結(jié)果顯示了相同的趨勢(shì)。2-位取代化合物的除草活性表明，2-位取代可能參與了某個(gè)特定的分子識(shí)別。這些發(fā)現(xiàn)表明，為了賦予更高的除草活性，必須在鄰位位置引入一個(gè)官能團(tuán)。隨后考察了鄰位取代基的效應(yīng)。對(duì)其大小、電學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同鄰位取代基的效應(yīng)（有效成分g/hm2）

乙氧基或氯原子取代化合物對(duì)雜草的防除效果較好，對(duì)水稻也有一定的安全性。但在稻田應(yīng)用中，這些單取代基衍生物的除草活性和安全性有限。假設(shè)乙氧基或氯原子取代基是該結(jié)構(gòu)的有效取代基，進(jìn)一步研究了苯環(huán)上引入第二取代基的效應(yīng)。

1.2 苯環(huán)上取代基的影響——二取代環(huán)

乙氧基和氯原子對(duì)該結(jié)構(gòu)的影響在水稻栽培中可能是有利的。因此，對(duì)二取代苯環(huán)(乙氧基和氯原子同時(shí)取代)進(jìn)行了研究。結(jié)果如表3所示。與單取代類(lèi)似物相比，乙氧基和氯原子組合賦予更高的除草活性。據(jù)此，選擇5-氯-2-乙氧基化合物(圖5)作為先導(dǎo)化合物。

圖5 先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)

表3 不同位置二取代基的效應(yīng)（有效成分g/hm2）

之后，為了提高作物安全性，研究了除乙氧基和氯原子以外的官能團(tuán)在2-和5-位取代的效果(表4和5)。如表4和5所示，其他官能團(tuán)的引入僅降低了除草活性，且選擇性也沒(méi)有提高。在溫室平行試驗(yàn)中，對(duì)理化性質(zhì)(logP、土壤吸附)進(jìn)行了評(píng)估(圖6）。

表4 不同2-位取代基的效應(yīng)（有效成分g/hm2）

表5 不同5-位取代基的效應(yīng)（有效成分g/hm2）

圖6 對(duì)土壤的吸附性

5-氯-2-乙氧基化合物的LogP較低，其土壤吸附能力弱于四唑酰草胺（fentrazamide）和唑草胺（cafenstrole）等商業(yè)產(chǎn)品。據(jù)推測(cè)，土壤吸附能力越弱，則持效期越短。顯然，要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成為一種稻田除草劑，必須改善其理化性質(zhì)。因此，為了提高對(duì)作物的安全性和改善理化性質(zhì)，計(jì)劃在苯環(huán)上引入更多的官能團(tuán)。

1.3 苯環(huán)上取代基的影響——多取代環(huán)

根據(jù)已知結(jié)果，合成并考察了含1個(gè)乙氧基和2個(gè)氯原子的多取代化合物。結(jié)果見(jiàn)表6。

具有2,5-二氯-4-乙氧基苯環(huán)的化合物(圖2)，命名為fenoxasulfone，具有優(yōu)異的除草活性，且非常安全。這一結(jié)果表明，必須將苯環(huán)上的所有取代基結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)較高的除草活性和優(yōu)良的作物安全性。含有其他官能團(tuán)的多取代衍生物的活性有限(數(shù)據(jù)未列出)。對(duì)fenoxasulfone的理化性質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與商業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行了比較(圖7)。Fenoxasulfone的理化性質(zhì)如預(yù)期得到了改善，適用于稻田雜草防除。

表6 三取代基的效應(yīng)（有效成分g/hm2）

圖7 對(duì)土壤的吸附性

Fenoxasulfone具有良好的除草活性和選擇性，還具有適于水田應(yīng)用的理化性質(zhì)。因此，選擇具良好藥效且安全性較高的fenoxasulfone作為農(nóng)藥候選品種。

2 理化性質(zhì)

Fenoxasulfone的化學(xué)名稱：3-[(2,5-二氯-4-乙氧基苯基)甲磺酰]-4,5-二氫-5,5-二甲基異噁唑，開(kāi)發(fā)代號(hào)為 KIH-1419、KU-071，CAS 登錄號(hào)：639826-16-7。外觀為白色無(wú)臭晶體，熔點(diǎn)：157.6℃，水中溶解度：0.17 mg/L(20 ℃)，logPow：3.30(25 ℃)。

3 生物學(xué)特性

3.1 生物活性

在日本靜岡的日本組合化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社生命科學(xué)研究所進(jìn)行了溫室試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了fenoxasulfone對(duì)稻稗（Echinochloa oryzicola）和稗（Echinochloacrus-galli）的除草效果。Fenoxasulfone以有效成分50～200 g/hm2劑量應(yīng)用時(shí)，對(duì)芽前至3.0葉期的稻稗和稗均有良好的防除活性（圖8）。稻稗經(jīng)處理后，首先新生葉片皺縮，莖葉顏色轉(zhuǎn)為暗綠，進(jìn)而生長(zhǎng)受到抑制，最終在約2～3周內(nèi)死亡。

圖8 施用后30 d對(duì)稻稗和稗的防效

除稗草外，還進(jìn)行了fenoxasulfone防除日本稻田中常見(jiàn)的一年生闊葉雜草的藥效試驗(yàn)，結(jié)果表明，該劑防除鴨舌草、母草（Linderniaspp.）、白花水八角（Gratiola japonica）、節(jié)節(jié)菜（Rotala indica）、假柳葉菜（Ludwigia epilobioides）等近年來(lái)對(duì)磺酰脲類(lèi)除草劑出現(xiàn)抗藥性并帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題的雜草具有良好的效果（圖9）。

圖9 fenoxasulfone的除草譜

3.2 持效性

持效性是稻田用除草劑所需的關(guān)鍵因素之一。為了確定該劑的持效性，在日本組合化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社生命科學(xué)研究所進(jìn)行了溫室試驗(yàn)。Fenoxasulfone以有效成分200 g/hm2施用，藥后60～70 d仍對(duì)稻稗、鴨舌草和北美母草（Lindernia dubia）有良好的防除效果(圖10)。這證實(shí)了fenoxasulfone作為一種稻田用除草劑具有較長(zhǎng)的持效期。

3.3 溢流條件下的穩(wěn)定性效應(yīng)

在日本的水稻種植過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生強(qiáng)降雨，有時(shí)會(huì)造成稻田水溢出。因此在溢流條件下考察了fenoxasulfone的除草效果和持效性。一般來(lái)說(shuō)，溢出在一定程度會(huì)造成藥效降低；然而，在溢水和非溢水條件下，fenoxasulfone對(duì)3.0葉期稗草和1.0葉期鴨舌草的防除效果并無(wú)明顯差異，且在溢流和非溢流條件下，fenoxasulfone防除稻稗的持效期均比商業(yè)除草劑長(zhǎng)(圖11)。這種穩(wěn)定性可能是由于fenoxasulfone具有土壤吸附性強(qiáng)和水溶性低的理化性質(zhì)，因而不易隨水流移動(dòng)。這可能有利于防止該劑從稻田流失，助力生態(tài)友好型雜草治理。

圖10 fenoxasulfone的持效性

圖11 溢流條件下對(duì)稗草的持效性

3.4 作物安全

在日本靜岡的日本組合化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社生命科學(xué)研究所進(jìn)行了溫室試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了fenoxasulfone對(duì)作物的安全性。栽種深度為2 cm或以上，移栽后0～10 d施用時(shí)，移栽水稻對(duì)fenoxasulfone表現(xiàn)出良好耐受性（圖12）。栽種深度較淺（小于2 cm）可能會(huì)對(duì)作物造成危害，包括水稻生長(zhǎng)減緩。

圖12 對(duì)作物的安全性試驗(yàn)

3.5 田間試驗(yàn)

自2008年以來(lái)，已在日本東北地區(qū)的多個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了fenoxasulfone(KUH-071 2%顆粒劑)的正式田間試驗(yàn)。從移栽后3 d到田間2.5葉期，KUH-071對(duì)稗草、鴨舌草、一年生闊葉雜草、一年生莎草等具有較好的防除效果(圖13)。該劑對(duì)水稻也表現(xiàn)了足夠的作物安全水平(圖14)。通過(guò)大量的田間試驗(yàn)，證明了fenoxasulfone在稻田中的適用性。

圖13 田間藥效試驗(yàn)

圖14 田間藥害試驗(yàn)

4 作用機(jī)制

Fenoxasulfone的除草癥狀與包括砜吡草唑的VLCFAE抑制型除草劑相似。通過(guò)考察fenoxasulfone對(duì)超長(zhǎng)鏈脂肪酸（VLCFAs）生物合成（圖15）的抑制作用對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行了研究。Fenoxasulfone處理可降低稗草培養(yǎng)細(xì)胞中VLCFAs含量，如C20:0、C20∶1、C22∶0、C24∶0、C24∶1 和 C26∶0，增加長(zhǎng)鏈和中長(zhǎng)鏈脂肪酸的含量，比如C18∶0和C15∶0，這些都是超長(zhǎng)鏈脂肪酸的前體（表7）。

圖15 VLCFAs在植物中的合成路徑

表7 稗草培養(yǎng)細(xì)胞中脂肪酸含量

Fenoxasulfone可有效抑制黃化稗草幼苗微粒體中的超長(zhǎng)鏈脂肪酸延伸酶（VLCFAE）活性，該酶催化從C22∶0到C24∶0和C24∶0到C26∶0的延伸步驟（圖16）。這些結(jié)果有力證明了fenoxasulfone是植物VLCFAE的有效抑制劑，應(yīng)歸類(lèi)于除草劑抗性行動(dòng)委員會(huì)的K3類(lèi)別。

圖16 fenoxasulfone對(duì)VLCFAE活性的抑制

5 結(jié) 語(yǔ)

在日本，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者的數(shù)量正在減少，且耕地逐步集中。在這種情況下，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者無(wú)法花費(fèi)過(guò)多精力進(jìn)行雜草治理，需要一種在各種條件下均高效的除草劑。消費(fèi)者也越來(lái)越關(guān)注食品安全，對(duì)開(kāi)發(fā)安全農(nóng)藥的高要求不僅針對(duì)人類(lèi)和動(dòng)物，還包括環(huán)境。

本文介紹了fenoxasulfone的開(kāi)發(fā)及其生物學(xué)特性。Fenoxasulfone對(duì)稻田禾本科雜草和大多數(shù)雜草具有優(yōu)異的防除效果，持效性好。另外，fenoxasulfone的理化性質(zhì)有利于其在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，減少對(duì)環(huán)境的影響。Fenoxasulfone具有如此優(yōu)異的功效和獨(dú)特的特性，可以滿足當(dāng)下和將來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。自2014年以來(lái)，已有6種用于水稻和一種用于草坪的產(chǎn)品上市。另外，還有一些產(chǎn)品即將投放市場(chǎng)。預(yù)計(jì)fenoxasulfone在未來(lái)將進(jìn)一步促進(jìn)糧食的穩(wěn)定生產(chǎn)。