張志宏 編譯

（安徽國星生物化學(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)，對稻田雜草的防除是必不可少的。很長一段時間以來，一年生稻田雜草稗草(Echinochloaspp.)是日本最棘手的問題。很多公司已開發(fā)了防除稗草的化學(xué)除草劑。但這些除草劑有時在某種土壤或水中不能充分發(fā)揮藥效。此外，近年來，具有磺酰脲類(SU)抗性的雜草增多，帶來許多問題。在這種情況下，需要一種不受土壤類型或水分條件影響且對抗磺酰脲類雜草有防除活性的除草劑。因此，本研究的目的是開發(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)株式會社開發(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)。通過對新穎3-磺?；悋f唑啉衍生物（3-sulfonylisoxazoline，圖1）的骨架結(jié)構(gòu)進行修飾得到fenoxasulfone。

圖1 3-磺酰基異噁唑啉衍生物和砜吡草唑結(jié)構(gòu)

通過本研究，發(fā)現(xiàn)含苯環(huán)化合物具有獨特的理化性質(zhì)，如在水中的溶解度低，土壤對這類化合物的吸附能力強。Makoto Fujinami等認為，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。因此，重點研究了苯環(huán)的取代基，并對所得化合物的除草特性進行了評價。最后，發(fā)現(xiàn)了具有優(yōu)異除草活性和較長持效期的fenoxasulfone(圖2)。

圖2 fenoxasulfone的結(jié)構(gòu)

1 f enoxasul f one的發(fā)現(xiàn)

首先對異噁唑啉的結(jié)構(gòu)進行了優(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苯環(huán)結(jié)構(gòu)進行了優(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，還對除甲基以外的取代基進行了考察，結(jié)果顯示了相同的趨勢。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特定的分子識別。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官能團。隨后考察了鄰位取代基的效應(yīng)。對其大小、電學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性進行了評價，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雜草的防除效果較好，對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)

乙氧基和氯原子對該結(jié)構(gòu)的影響在水稻栽培中可能是有利的。因此，對二取代苯環(huán)(乙氧基和氯原子同時取代)進行了研究。結(jié)果如表3所示。與單取代類似物相比，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，其他官能團的引入僅降低了除草活性，且選擇性也沒有提高。在溫室平行試驗中，對理化性質(zhì)(logP、土壤吸附)進行了評估(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，土壤吸附能力越弱，則持效期越短。顯然，要進一步開發(fā)成為一種稻田除草劑，必須改善其理化性質(zhì)。因此，為了提高對作物的安全性和改善理化性質(zhì)，計劃在苯環(huán)上引入更多的官能團。

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個乙氧基和2個氯原子的多取代化合物。結(jié)果見表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，以實現(xiàn)較高的除草活性和優(yōu)良的作物安全性。含有其他官能團的多取代衍生物的活性有限(數(shù)據(jù)未列出)。對fenoxasulfone的理化性質(zhì)進行了評價，并與商業(yè)產(chǎn)品進行了比較(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，開發(fā)代號為 KIH-1419、KU-071，CAS 登錄號：639826-16-7。外觀為白色無臭晶體，熔點：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)株式會社生命科學(xué)研究所進行了溫室試驗，評價了fenoxasulfone對稻稗（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，對芽前至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，進而生長受到抑制，最終在約2～3周內(nèi)死亡。

圖8 施用后30 d對稻稗和稗的防效

除稗草外，還進行了fenoxasulfone防除日本稻田中常見的一年生闊葉雜草的藥效試驗，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）等近年來對磺酰脲類除草劑出現(xiàn)抗藥性并帶來嚴重問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)株式會社生命科學(xué)研究所進行了溫室試驗。Fenoxasulfone以有效成分200 g/hm2施用，藥后60～70 d仍對稻稗、鴨舌草和北美母草（Lindernia dubia）有良好的防除效果(圖10)。這證實了fenoxasulfone作為一種稻田用除草劑具有較長的持效期。

3.3 溢流條件下的穩(wěn)定性效應(yīng)

在日本的水稻種植過程中，經(jīng)常發(fā)生強降雨，有時會造成稻田水溢出。因此在溢流條件下考察了fenoxasulfone的除草效果和持效性。一般來說，溢出在一定程度會造成藥效降低；然而，在溢水和非溢水條件下，fenoxasulfone對3.0葉期稗草和1.0葉期鴨舌草的防除效果并無明顯差異，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(圖11)。這種穩(wěn)定性可能是由于fenoxasulfone具有土壤吸附性強和水溶性低的理化性質(zhì)，因而不易隨水流移動。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)株式會社生命科學(xué)研究所進行了溫室試驗，評價了fenoxasulfone對作物的安全性。栽種深度為2 cm或以上，移栽后0～10 d施用時，移栽水稻對fenoxasulfone表現(xiàn)出良好耐受性（圖12）。栽種深度較淺（小于2 cm）可能會對作物造成危害，包括水稻生長減緩。

圖12 對作物的安全性試驗

3.5 田間試驗

自2008年以來，已在日本東北地區(qū)的多個試驗場進行了fenoxasulfone(KUH-071 2%顆粒劑)的正式田間試驗。從移栽后3 d到田間2.5葉期，KUH-071對稗草、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)。該劑對水稻也表現(xiàn)了足夠的作物安全水平(圖14)。通過大量的田間試驗，證明了fenoxasulfone在稻田中的適用性。

圖13 田間藥效試驗

圖14 田間藥害試驗

4 作用機制

Fenoxasulfone的除草癥狀與包括砜吡草唑的VLCFAE抑制型除草劑相似。通過考察fenoxasulfone對超長鏈脂肪酸（VLCFAs）生物合成（圖15）的抑制作用對其作用機制進行了研究。Fenoxasulfone處理可降低稗草培養(yǎng)細胞中VLCFAs含量，如C20:0、C20∶1、C22∶0、C24∶0、C24∶1 和 C26∶0，增加長鏈和中長鏈脂肪酸的含量，比如C18∶0和C15∶0，這些都是超長鏈脂肪酸的前體（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)歸類于除草劑抗性行動委員會的K3類別。

圖16 fenoxasulfone對VLCFAE活性的抑制

5 結(jié) 語

在日本，農(nóng)業(yè)勞動者的數(shù)量正在減少，且耕地逐步集中。在這種情況下，農(nóng)業(yè)勞動者無法花費過多精力進行雜草治理，需要一種在各種條件下均高效的除草劑。消費者也越來越關(guān)注食品安全，對開發(fā)安全農(nóng)藥的高要求不僅針對人類和動物，還包括環(huán)境。

本文介紹了fenoxasulfone的開發(fā)及其生物學(xué)特性。Fenoxasulfone對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，減少對環(huán)境的影響。Fenoxasulfone具有如此優(yōu)異的功效和獨特的特性，可以滿足當(dāng)下和將來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。自2014年以來，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。預(yù)計fenoxasulfone在未來將進一步促進糧食的穩(wěn)定生產(chǎn)。