基于PPO的二芳基醚類除草劑研究進展

蔡 輝，甘秀海

（貴州大學綠色農藥與農業生物工程教育部重點實驗室/國家重點實驗室培育基地，貴陽 550025）

抑制植物生命過程中葉綠素和血紅素生物合成是開發除草劑的重要思路之一，原卟啉原氧化酶（Protoporphyrinogen Oxidase，PPO）是植物體內葉綠素和血紅素生物合成的關鍵酶，因此，PPO是新型除草劑創制的重要靶標之一[1-3]。目前PPO抑制劑類除草劑主要有環酰亞胺類、三唑啉酮類、二唑類、苯基吡唑類和二芳基醚類[4-6]，其中二芳基醚類除草劑由于高效、低毒、選擇性強和合成工藝簡單等優點，一直受到新農藥創制研究者的廣泛關注[7-9]。

1 二芳基醚類PPO抑制劑的作用機制

在植物體內，原卟啉IX以谷氨酸為起始原料合成得到，是葉綠素和血紅素生物合成的重要底物，在葉綠體和線粒體中，其在鎂離子螯合酶和亞鐵離子螯合酶的催化作用下分別形成葉綠素和血紅素[10-11]。在此生物合成途徑中，PPO在氧氣存在下催化原卟啉原IX生成原卟啉IX是必需的步驟[12]。當二芳基醚類PPO抑制劑在一定程度上占據PPO催化的活性空腔時，將有效抑制PPO催化活性，造成催化底物原卟啉原IX的積累，葉綠素和血紅素的生物合成因此不能進行，使得植株光合作用受阻[13-14]。另外，原卟啉原IX從葉綠體中滲至胞質中，并被氧化為高濃度的原卟啉IX，在光照和氧氣參與下產生三態原卟啉IX并將生成單線態氧，引起脂質過氧化、膜損傷和細胞死亡（圖1中虛線部分）[15-18]，在兩者的共同作用下植株葉片出現黃化、萎蔫和干枯等癥狀，最終使植株死亡。作用機制見圖1。

圖1 PPO抑制劑類除草劑作用機制

2 基于PPO的二芳基醚類商品化除草劑

自1963年羅門-哈斯公司開發第一個基于PPO為靶標的二苯醚類除草劑——除草醚以來，各大農藥公司和研究者通過改變芳基種類及其上面的取代基對二苯醚結構進行多樣性改造，衍生出了更多的具有除草活性的二芳基醚類化合物，但目前報道應用并服務于農業生產的商品化品種仍然是二苯醚結構，部分商品化農藥結構式如圖2[7,19-20]。

圖2 二芳基醚類PPO抑制劑部分商品化農藥結構式

3 基于PPO的二芳基醚類除草劑研究進展

3.1 國外研究進展

雖然近年來二芳基類除草劑品種逐漸豐富，但研究者們從開發高效、低毒和環境友好綠色農藥的理念出發，尋找結構新穎的二芳基類除草劑仍然是研究的熱點，本文就一些代表性的工作進行簡單介紹。羅門-哈斯公司除了開發了眾多已知的商品藥外，還發現了很多具有除草活性的農藥小分子[21-22]，采用土壤處理和莖葉噴霧法測試其中的化合物1和2對雜草的苗前和苗后除草活性，結果顯示兩者在施藥劑量為2 242 g/hm2時，對馬唐、稗草和苘麻等禾本科雜草和闊葉雜草具有中等偏下的苗前和苗后除草活性。1983年，研究者保留了二芳基醚A環2-Cl-4-CF3和B環4-NO2取代基，改變醚鍵間位取代基種類，設計合成了化合物3、4和5（圖3）。除草活性測試結果表明，在施藥劑量為2 242 g/hm2時，對禾本科雜草和闊葉雜草具有100%的苗后除草活性。隨后又發現化合物6和7，在施藥劑量為56 g/hm2時，對苘麻、萬壽菊和牽牛花等闊葉雜草具有100%的苗前和苗后除草活性，且對禾本科雜草具有較好的選擇性[23]?；衔?～7結構式見圖3。

圖3 化合物1～7結構式

1986—1989年，國際殼牌有限公司[24-26]開發了系列含苯并呋喃酮或肼基的二苯醚類化合物，采用土壤處理和莖葉噴霧處理測試了其除草活性，結果顯示化合物8、9、10對稗草、燕麥、甜菜、亞麻子等雜草顯示出顯著防效，尤其是苗前除草活性，且部分化合物對大豆、玉米和水稻具有較好的選擇性。化合物8～10結構式見圖4。

圖4 化合物8～10的結構式

1990年，日本旭化成株式會社[27]報道了系列含有肟醚結構的二苯醚衍生物，采用盆栽噴霧處理測試對常見的闊葉雜草的芽后除草活性，結果顯示，化合物11～14在施藥量為100 g/hm2時能完全防除苘麻、田菁和曼陀羅等雜草，與氟草醚酯活性相當。化合物11～14結構式見圖5。

圖5 化合物11～14結構式

1995年，Sumida等[28]以甲羧除草醚和乙氧氟草醚為先導結構，設計合成得到了新型含 嗪環的二苯醚類化合物15、16和17，在使用劑量為500 g/hm2時，對馬唐、馬齒莧和馬蓼的苗前和苗后除草活性都達到95%以上，化合物15在使用劑量為125 g/hm2時為70%以上的防效?；衔?5～17結構式見圖6。

圖6 化合物15～17結構式

在20世紀90年代中期，富美實公司報道了含有N-雜環的二芳基醚類化合物18作為新一代的PPO類抑制劑除草劑[29]。隨后，農藥研究者開始對N-雜環及二芳基醚右邊芳基的種類及其上面的取代基進行探索以期發現具有優異除草活性的小分子。代表性的工作是21世紀初日本住友發現化合物19對闊葉雜草和禾本科雜草具有高效、廣譜的除草活性[29-30]。化合物18和19結構式見圖7。

圖7 化合物18～19結構式

3.2 國內研究進展

1985年，南開大學李復信[31]和張樹奎[32]等報道了二苯醚酰胺類及二苯醚硫脲類新化合物的合成及除草活性，采用莖葉噴霧法測試苗后除草活性，發現化合物20和21在2 250 g/hm2的使用劑量下對油菜具有100%的鮮重防效?；衔?2、23和24在750 g/hm2的劑量下也對油菜的鮮重防效達到100%，同時，這些化合物對稗草也有中等防效，化合物20～24結構式見圖8。

圖8 化合物20～24結構式

2004年，黑龍江大學孫志忠[33]報道了化合物25，用莖葉噴霧法測試其苗后除草活性，當使用劑量為20 g/hm2時，對蒼耳、苘麻和鴨子草等闊葉雜草的生長抑制率達到90%以上，且對大豆、花生和小麥等作物安全性較好。2006年，該課題組又報道[34]化合物26在使用劑量為75 g/hm2時，對靶標雜草芥菜、小藜反枝莧達到90%的防效。化合物25和26結構式見圖9。

圖9 化合物25～26結構式

2011年，沈陽化工研究院Yu等[35]合成得到一系列包含不飽和羧酸酯的二苯醚衍生物，在溫室內采用莖葉噴霧法進行初步除草活性測試，結果顯示化合物27在使用劑量為40 g/hm2時，對苘麻、反枝莧和馬齒莧等闊葉雜草具有95%以上的防效，同時，對小鼠的急性毒性測試結果表明，對哺乳動物低毒，且對大豆具有較好的選擇性?；衔?7結構式見圖10。

圖10 化合物27結構式

2015年，湖南化工研究院王曉光課題組[36]以氯氟草醚乙酯為先導，引入優勢基團甲磺?；?，設計并合成得到化合物28，初步生物活性測定結果表明，其使用劑量為37.5 g/hm2時，對刺莧和藜的株高具有95%以上的抑制活性，同時，該課題組[37]2016年發現化合物29在使用劑量為45 g/hm2時對苘麻和刺莧具有100%的莖葉處理除草活性?；衔?8和29結構式見圖11。

圖11 化合物28～29結構式

2018年，陳磊[38]報道在二苯醚結構中引入6-氯吡嗪及酰胺結構，得到化合物30和31，施用劑量為2 000 g/hm2時，莖葉噴霧處理對雙子葉雜草有一定防效，特別是對芥菜，分別具有99.47%和98.60%的鮮重抑制率，化合物30和31結構式見圖12。

圖12 化合物30～31結構式

2020年，李義濤等[39]將二苯醚結構與環己二酮、吡唑結構進行活性亞結構拼接，設計合成了系列化合物，采用盆栽噴霧處理測試其除草活性，結果顯示，化合物32、33、34、35、36和37在150 g/hm2的施藥量下對馬齒莧具有100%的除草活性，特別是化合物32和34，當施藥劑量降至18.75 g/hm2時對馬齒莧仍有100%的防效。另外，化合物34在150 g/hm2的施藥量下對稗草也有82%的除草活性，該類化合物具有高效、廣譜的除草活性，具有較好的應用前景。化合物32～37結構式見圖13。

圖13 化合物32～37結構式

2020年，東北農業大學葉非課題組[40]利用活性亞結構拼接原理，設計合成了含四氫鄰苯二甲酰亞胺的苯基-吡啶醚類衍生物，發現化合物38對靶標雜草具有高效廣譜的莖葉除草活性和PPO酶抑制活性，當施藥量為600 g/hm2時，觀察到10 d后的田間莖葉除草活性與對照藥乙氧氟草醚達到相同的處理效果。另外，該課題組又分別將吡咯烷酮和香豆素活性單元引入吡啶-苯基醚結構中[41-42]，發現化合物39、40和41具有較為廣譜的除草活性，同時當施藥劑量為300 g/hm2時，這些化合物對大豆和棉花都具有很好的安全性和較好的開發前景?；衔?8～41結構式見圖14。

圖14 化合物38～41結構式

4 結論與展望

經過近半個多世紀的發展，研究者們通過改變二芳基醚結構中芳基的種類及在芳基上引入不同的活性單元，開發得到的部分化合物具有良好的除草活性，并具有廣譜除草活性和對作物安全的特點，克服了現有部分商品化二芳基醚除草劑除草譜窄和對作物有藥害的缺點。然而，隨著該類除草劑大量、廣泛的使用，二芳基類PPO抑制劑類除草劑產生的抗性問題也日益突出。因此，在未來除草劑的創制研究中，應圍繞抗性問題，利用計算化學手段并結合化學信息學技術合理設計綠色農藥分子，開發具有超低用量、環境友好、對非靶標生物安全的新型PPO抑制劑類除草劑。