蔡 輝，甘秀海

（貴州大學(xué)綠色農(nóng)藥與農(nóng)業(yè)生物工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，貴陽(yáng) 550025）

抑制植物生命過(guò)程中葉綠素和血紅素生物合成是開(kāi)發(fā)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(nèi)葉綠素和血紅素生物合成的關(guān)鍵酶，因此，PPO是新型除草劑創(chuàng)制的重要靶標(biāo)之一[1-3]。目前PPO抑制劑類(lèi)除草劑主要有環(huán)酰亞胺類(lèi)、三唑啉酮類(lèi)、二唑類(lèi)、苯基吡唑類(lèi)和二芳基醚類(lèi)[4-6]，其中二芳基醚類(lèi)除草劑由于高效、低毒、選擇性強(qiáng)和合成工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，一直受到新農(nóng)藥創(chuàng)制研究者的廣泛關(guān)注[7-9]。

1 二芳基醚類(lèi)PPO抑制劑的作用機(jī)制

在植物體內(nèi)，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(dāng)二芳基醚類(lèi)PPO抑制劑在一定程度上占據(jù)PPO催化的活性空腔時(shí)，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(jìn)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(zhì)中，并被氧化為高濃度的原卟啉IX，在光照和氧氣參與下產(chǎn)生三態(tài)原卟啉IX并將生成單線態(tài)氧，引起脂質(zhì)過(guò)氧化、膜損傷和細(xì)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(xiàn)黃化、萎蔫和干枯等癥狀，最終使植株死亡。作用機(jī)制見(jiàn)圖1。

圖1 PPO抑制劑類(lèi)除草劑作用機(jī)制

2 基于PPO的二芳基醚類(lèi)商品化除草劑

自1963年羅門(mén)-哈斯公司開(kāi)發(fā)第一個(gè)基于PPO為靶標(biāo)的二苯醚類(lèi)除草劑——除草醚以來(lái)，各大農(nóng)藥公司和研究者通過(guò)改變芳基種類(lèi)及其上面的取代基對(duì)二苯醚結(jié)構(gòu)進(jìn)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(lèi)化合物，但目前報(bào)道應(yīng)用并服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的商品化品種仍然是二苯醚結(jié)構(gòu)，部分商品化農(nóng)藥結(jié)構(gòu)式如圖2[7,19-20]。

圖2 二芳基醚類(lèi)PPO抑制劑部分商品化農(nóng)藥結(jié)構(gòu)式

3 基于PPO的二芳基醚類(lèi)除草劑研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

雖然近年來(lái)二芳基類(lèi)除草劑品種逐漸豐富，但研究者們從開(kāi)發(fā)高效、低毒和環(huán)境友好綠色農(nóng)藥的理念出發(fā)，尋找結(jié)構(gòu)新穎的二芳基類(lèi)除草劑仍然是研究的熱點(diǎn)，本文就一些代表性的工作進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。羅門(mén)-哈斯公司除了開(kāi)發(fā)了眾多已知的商品藥外，還發(fā)現(xiàn)了很多具有除草活性的農(nóng)藥小分子[21-22]，采用土壤處理和莖葉噴霧法測(cè)試其中的化合物1和2對(duì)雜草的苗前和苗后除草活性，結(jié)果顯示兩者在施藥劑量為2 242 g/hm2時(shí)，對(duì)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(huán)2-Cl-4-CF3和B環(huán)4-NO2取代基，改變醚鍵間位取代基種類(lèi)，設(shè)計(jì)合成了化合物3、4和5（圖3）。除草活性測(cè)試結(jié)果表明，在施藥劑量為2 242 g/hm2時(shí)，對(duì)禾本科雜草和闊葉雜草具有100%的苗后除草活性。隨后又發(fā)現(xiàn)化合物6和7，在施藥劑量為56 g/hm2時(shí)，對(duì)苘麻、萬(wàn)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(duì)禾本科雜草具有較好的選擇性[23]?；衔?～7結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖3。

圖3 化合物1～7結(jié)構(gòu)式

1986—1989年，國(guó)際殼牌有限公司[24-26]開(kāi)發(fā)了系列含苯并呋喃酮或肼基的二苯醚類(lèi)化合物，采用土壤處理和莖葉噴霧處理測(cè)試了其除草活性，結(jié)果顯示化合物8、9、10對(duì)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(duì)大豆、玉米和水稻具有較好的選擇性?；衔?～10結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖4。

圖4 化合物8～10的結(jié)構(gòu)式

1990年，日本旭化成株式會(huì)社[27]報(bào)道了系列含有肟醚結(jié)構(gòu)的二苯醚衍生物，采用盆栽噴霧處理測(cè)試對(duì)常見(jiàn)的闊葉雜草的芽后除草活性，結(jié)果顯示，化合物11～14在施藥量為100 g/hm2時(shí)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(dāng)?；衔?1～14結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖5。

圖5 化合物11～14結(jié)構(gòu)式

1995年，Sumida等[28]以甲羧除草醚和乙氧氟草醚為先導(dǎo)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合成得到了新型含 嗪環(huán)的二苯醚類(lèi)化合物15、16和17，在使用劑量為500 g/hm2時(shí)，對(duì)馬唐、馬齒莧和馬蓼的苗前和苗后除草活性都達(dá)到95%以上，化合物15在使用劑量為125 g/hm2時(shí)為70%以上的防效?；衔?5～17結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖6。

圖6 化合物15～17結(jié)構(gòu)式

在20世紀(jì)90年代中期，富美實(shí)公司報(bào)道了含有N-雜環(huán)的二芳基醚類(lèi)化合物18作為新一代的PPO類(lèi)抑制劑除草劑[29]。隨后，農(nóng)藥研究者開(kāi)始對(duì)N-雜環(huán)及二芳基醚右邊芳基的種類(lèi)及其上面的取代基進(jìn)行探索以期發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異除草活性的小分子。代表性的工作是21世紀(jì)初日本住友發(fā)現(xiàn)化合物19對(duì)闊葉雜草和禾本科雜草具有高效、廣譜的除草活性[29-30]?；衔?8和19結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖7。

圖7 化合物18～19結(jié)構(gòu)式

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

1985年，南開(kāi)大學(xué)李復(fù)信[31]和張樹(shù)奎[32]等報(bào)道了二苯醚酰胺類(lèi)及二苯醚硫脲類(lèi)新化合物的合成及除草活性，采用莖葉噴霧法測(cè)試苗后除草活性，發(fā)現(xiàn)化合物20和21在2 250 g/hm2的使用劑量下對(duì)油菜具有100%的鮮重防效。化合物22、23和24在750 g/hm2的劑量下也對(duì)油菜的鮮重防效達(dá)到100%，同時(shí)，這些化合物對(duì)稗草也有中等防效，化合物20～24結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖8。

圖8 化合物20～24結(jié)構(gòu)式

2004年，黑龍江大學(xué)孫志忠[33]報(bào)道了化合物25，用莖葉噴霧法測(cè)試其苗后除草活性，當(dāng)使用劑量為20 g/hm2時(shí)，對(duì)蒼耳、苘麻和鴨子草等闊葉雜草的生長(zhǎng)抑制率達(dá)到90%以上，且對(duì)大豆、花生和小麥等作物安全性較好。2006年，該課題組又報(bào)道[34]化合物26在使用劑量為75 g/hm2時(shí)，對(duì)靶標(biāo)雜草芥菜、小藜反枝莧達(dá)到90%的防效?；衔?5和26結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖9。

圖9 化合物25～26結(jié)構(gòu)式

2011年，沈陽(yáng)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(nèi)采用莖葉噴霧法進(jìn)行初步除草活性測(cè)試，結(jié)果顯示化合物27在使用劑量為40 g/hm2時(shí)，對(duì)苘麻、反枝莧和馬齒莧等闊葉雜草具有95%以上的防效，同時(shí)，對(duì)小鼠的急性毒性測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)哺乳動(dòng)物低毒，且對(duì)大豆具有較好的選擇性?；衔?7結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖10。

圖10 化合物27結(jié)構(gòu)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(dǎo)，引入優(yōu)勢(shì)基團(tuán)甲磺酰基，設(shè)計(jì)并合成得到化合物28，初步生物活性測(cè)定結(jié)果表明，其使用劑量為37.5 g/hm2時(shí)，對(duì)刺莧和藜的株高具有95%以上的抑制活性，同時(shí)，該課題組[37]2016年發(fā)現(xiàn)化合物29在使用劑量為45 g/hm2時(shí)對(duì)苘麻和刺莧具有100%的莖葉處理除草活性?；衔?8和29結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖11。

圖11 化合物28～29結(jié)構(gòu)式

2018年，陳磊[38]報(bào)道在二苯醚結(jié)構(gòu)中引入6-氯吡嗪及酰胺結(jié)構(gòu)，得到化合物30和31，施用劑量為2 000 g/hm2時(shí)，莖葉噴霧處理對(duì)雙子葉雜草有一定防效，特別是對(duì)芥菜，分別具有99.47%和98.60%的鮮重抑制率，化合物30和31結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖12。

圖12 化合物30～31結(jié)構(gòu)式

2020年，李義濤等[39]將二苯醚結(jié)構(gòu)與環(huán)己二酮、吡唑結(jié)構(gòu)進(jìn)行活性亞結(jié)構(gòu)拼接，設(shè)計(jì)合成了系列化合物，采用盆栽噴霧處理測(cè)試其除草活性，結(jié)果顯示，化合物32、33、34、35、36和37在150 g/hm2的施藥量下對(duì)馬齒莧具有100%的除草活性，特別是化合物32和34，當(dāng)施藥劑量降至18.75 g/hm2時(shí)對(duì)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(duì)稗草也有82%的除草活性，該類(lèi)化合物具有高效、廣譜的除草活性，具有較好的應(yīng)用前景?；衔?2～37結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖13。

圖13 化合物32～37結(jié)構(gòu)式

2020年，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)葉非課題組[40]利用活性亞結(jié)構(gòu)拼接原理，設(shè)計(jì)合成了含四氫鄰苯二甲酰亞胺的苯基-吡啶醚類(lèi)衍生物，發(fā)現(xiàn)化合物38對(duì)靶標(biāo)雜草具有高效廣譜的莖葉除草活性和PPO酶抑制活性，當(dāng)施藥量為600 g/hm2時(shí)，觀察到10 d后的田間莖葉除草活性與對(duì)照藥乙氧氟草醚達(dá)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(jié)構(gòu)中[41-42]，發(fā)現(xiàn)化合物39、40和41具有較為廣譜的除草活性，同時(shí)當(dāng)施藥劑量為300 g/hm2時(shí)，這些化合物對(duì)大豆和棉花都具有很好的安全性和較好的開(kāi)發(fā)前景?；衔?8～41結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖14。

圖14 化合物38～41結(jié)構(gòu)式

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過(guò)近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，研究者們通過(guò)改變二芳基醚結(jié)構(gòu)中芳基的種類(lèi)及在芳基上引入不同的活性單元，開(kāi)發(fā)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(duì)作物安全的特點(diǎn)，克服了現(xiàn)有部分商品化二芳基醚除草劑除草譜窄和對(duì)作物有藥害的缺點(diǎn)。然而，隨著該類(lèi)除草劑大量、廣泛的使用，二芳基類(lèi)PPO抑制劑類(lèi)除草劑產(chǎn)生的抗性問(wèn)題也日益突出。因此，在未來(lái)除草劑的創(chuàng)制研究中，應(yīng)圍繞抗性問(wèn)題，利用計(jì)算化學(xué)手段并結(jié)合化學(xué)信息學(xué)技術(shù)合理設(shè)計(jì)綠色農(nóng)藥分子，開(kāi)發(fā)具有超低用量、環(huán)境友好、對(duì)非靶標(biāo)生物安全的新型PPO抑制劑類(lèi)除草劑。