磺酰脲類除草劑的開發(fā)、

作用原理與雜草抗性磺酰脲類除草劑的開發(fā)、

作用原理與雜草抗性1966年報導了磺酰脲類化合物的活性，1977年Dupont公司取得了第一項專利，1982年此類除草劑的第一個品種綠磺?。–hlorsulfuron）在美國注冊登記，隨即大面積推廣應(yīng)用，從此開創(chuàng)了磺酰脲類除草劑的新時代?；酋ｋ孱惓輨┑拈_發(fā)、

作用原理與雜草抗性到1987年，大約18個農(nóng)藥公司取得了230項以上的美國專利，到1989年5月為止，全世界27個農(nóng)藥公司的375個化合物取得了專利，其中Dupont公司占71%，涉及數(shù)千萬個化合物的結(jié)構(gòu)變化，成為開發(fā)超高效、廣譜、高選擇性及對環(huán)境高度安全的除草劑新品種的重要領(lǐng)域。1.品種開發(fā)1.品種開發(fā)芳環(huán)的變化較大，也是開發(fā)新品種中進行結(jié)構(gòu)改造的重要部分，其中除苯環(huán)外，一些新品種多向雜環(huán)發(fā)展，如吡啶、噻吩、噻唑、呋喃、萘及其它5元環(huán)與6元環(huán)。芳環(huán)鄰位(R)含取代基是化合物具有活性的必備條件，此類取代基變化較大，也是結(jié)構(gòu)改造的重要部位。通常芳環(huán)鄰位含有取代基時，化合物活性提高。1.品種開發(fā)1.品種開發(fā)脲橋基本上固定不變，引入取代基后，化合物活性下降。但具有修飾的脲橋的化合物，如-SO2NHC(S)NH-等也有活性。脲橋改變的磺酰脲化合物的活性水平也因分子結(jié)構(gòu)中的芳環(huán)及雜環(huán)而定。1.品種開發(fā)目前，在新品種開發(fā)中，更加注意土壤殘留問題，提高對后茬作物的安全性，出現(xiàn)了開環(huán)化合物，特別是開發(fā)出氟烷羥甲基磺酰脲品種K-11451及其它一些超高活性化合物。2.作用原理作為蛋白質(zhì)組成的氨基酸種類很多，含碳氫測鏈的氨基酸有纈氨酸、亮氨酸與異亮氨酸，此類氨基酸稱作支鏈氨基酸。動物體內(nèi)缺乏此類氨基酸的生物合成途徑，而是從植物產(chǎn)品中獲得。因此，以此類氨基酸生物合成作為靶標的除草劑，對動物的安全性很高。

圖1支鏈氨基酸生物合成途徑及ALS抑制除草劑的作用靶標2.作用原理由于抑制ALS活性所需外源物質(zhì)濃度極低，因此，以ALS作為靶標就成為開發(fā)超高效除草劑品種的重要領(lǐng)域，它代表了除草劑品種發(fā)展的新潮流。2.作用原理磺酰脲類除草劑的作用靶標最先是以細菌所作的研究中發(fā)現(xiàn)的，在培養(yǎng)基中補充支鏈氨基酸纈氨酸、亮氨酸與異亮氨酸可以完全逆轉(zhuǎn)甲嘧磺隆對Salmonellatyphimurium的生長抑制；進而發(fā)現(xiàn)，磺酰脲類除草劑是通過對ALS的抑制而阻斷支鏈氨基酸的合成，其除草活性與其對ALS的抑制高度正相關(guān)。植物體內(nèi)ALS對磺酰脲類除草劑比細菌與酵母菌顯著敏感，而且不同植物種類間敏感性差異很大（表1）。2.作用原理表1磺酰脲類除草劑對ALS的抑制作用2.作用原理從磺酰脲類除草劑的結(jié)構(gòu)來看，苯環(huán)鄰位含取代基時，化合物活性最高，不論是斥電子或吸電子鄰位取代基都是活性基，而含酸性質(zhì)子的鄰位取代基，即羧基或酚基的化合物活性最低，R為COOH與OH的化合物無活性。除苯環(huán)外，含其它芳環(huán)的磺酰脲化合物也是有效的除草劑，與苯環(huán)一樣，芳環(huán)鄰位含取代基時，化合物活性最高。2.作用原理表2敏感與抗性植物離體葉片對磺酰脲類除草劑的代謝2.作用原理用綠磺隆處理植株后3天內(nèi)，苘麻吸收的藥劑中僅7.1%被代謝，而龍葵則代謝了81.1%；處理葉片后24小時內(nèi)，從甜菜葉片中收獲到97%綠磺隆，而從小麥葉片中僅收獲到約5%的綠磺??；氯嘧磺隆在抗性作物大豆植株內(nèi)的半衰期僅1~3小時，但在敏感雜草蒼耳與反枝莧植株內(nèi)的半衰期則超過30小時。3.雜草抗性在ALS抑制除草劑中，最早開發(fā)成功并推廣應(yīng)用的是磺酰脲類品種，從1982年開始大面積應(yīng)用以來，在世界各地迅速普及；隨著新品種陸續(xù)開發(fā)成功，此類除草劑的應(yīng)用已覆蓋小麥、大豆、玉米、棉花、甜菜、油菜、甘蔗等幾乎所有作物，在使用過程中，出現(xiàn)的重大問題便是雜草抗性。3.雜草抗性1987年在北美洲小麥田使用綠磺隆后僅僅5年地膚便產(chǎn)生抗性，與此同時，黑麥草也產(chǎn)生抗性，其后世界各地相繼出現(xiàn)一系列雜草對磺酰脲類除草劑品種產(chǎn)生不同程度的抗性，雜草對此類除草劑產(chǎn)生抗性之迅速，范圍之廣是前所未有的，到目前為止，對以磺酰脲類為主的ALS抑制除草劑產(chǎn)生抗性的雜草已達95種。成為世界各地普遍發(fā)生的嚴重問題。

3.雜草抗性表3世界各地抗磺酰脲類除草劑的若干雜草（1）3.雜草抗性表3世界各地抗磺酰脲類除草劑的若干雜草（2）3.雜草抗性表3世界各地抗磺酰脲類除草劑的若干雜草（3）3.雜草抗性在雜草對磺酰脲類除草劑產(chǎn)生的抗性中，多抗性與交互抗性普遍發(fā)生如斷續(xù)菊的抗性生物型對所有磺酰脲類除草劑品種均具有高度抗性，對甲磺隆的抗性比敏感生物型約高440倍。虞美人抗性生物型則既抗苯磺隆又抗甲嘧磺隆、綠磺隆、噻吩磺隆與酰苯磺??；小果亞麻芥抗性生物型對甲磺隆與綠磺隆的抗性分別提高1000與10000倍，同時還抗其它磺酰脲類除草劑品種，進而對其它ALS抑制劑如咪唑啉酮、三唑嘧啶、磺酰胺羰基-三唑啉酮等也產(chǎn)生抗性；綠穗莧不僅對氯醚磺隆、噻吩磺隆以及氯酯磺草胺產(chǎn)生抗性，而且對醚草硫醚也產(chǎn)生高度抗性；

3.雜草抗性更有甚者，一些對磺酰脲除草劑的雜草抗性生物型對其它作用機制、化學結(jié)構(gòu)完全不同的除草劑也產(chǎn)生了抗性如來自澳大利亞的野蘿卜抗性群落至少抗4種不同作用機制的除草劑，如八氫番茄紅素去飽和酶抑制劑吡氟草胺（diflufenican）、激素類除草劑2.4-D、光合作用（PSII）抑制劑嗪草酮與莠去津以及磺酰脲類的綠磺隆、甲嘧磺隆、咪唑啉酮類的咪唑乙煙酸及三唑嘧啶類的磺草唑胺（metosulam）等。這種交互抗性與多抗性的產(chǎn)生又給磺酰脲類除草劑的推廣應(yīng)用帶來了困難與新問題。3.1抗性機制3.1.1靶標ALS基因突變

控制雜草對磺酰脲類除草劑抗性的ALS基因突變首次在地膚中得以證實，目前已經(jīng)證明，ALS對除草劑的抗性突變控制著其它一系列雜草對磺酰脲類除草劑的抗性（表4）。在ALS基因中有17種氨基酸置換控制著植物、酵母菌、細菌與綠藻對ALS抑制除草劑的抗性，從田間選擇的雜草生物型中僅有6種氨基酸控制著抗性，即Ala122、Pro197、Ala205、Asp376、Trp574與Ser653。

3.1抗性機制各種靶標座位的測定表明，在ALS抗性地膚、野蘿卜、東方蒜芥以及母草中，Pro197只有8種取代作用，即Ala、Arg、Gln、His、Ile、Leu、Ser與Thr取代作用。東方蒜芥群落中含有Pro197Ile與Trp574Leu突變，蒼耳群落中含有Trp574Leu與Ala205Val突變，野歐白芥群落含有Trp574Leu與Pro197Ser突變，塊莖群落則含有Trp574Leu、Ser653Asp及Ser653Thr突變。3.1抗性機制表4控制磺酰脲類除草劑抗性的ALS突變3.1抗性機制曾經(jīng)報導了來自美國堪薩斯抗綠磺隆的地膚生物型靶標的突變-Pro197被Thr、Ser、Arg、Leu、Glu與Ala取代，但來自伊利諾斯與捷克的抗性生物型是Trp574Leu突變，此類群落的廣泛交互抗性說明，Trp574Leu突變導致其具有高水平、廣譜抗性。而加拿大西部地區(qū)地膚的抗性生物型中，主要突變是Trp574Leu，最普遍的突變是Pro197被9種氨基酸中的一種所取代，頻率最低的是Asp376Glu與Trp574Arg。3.1抗性機制在上述6種氨基酸取代中，有一半以上（52%）是Pro被His、Thr、Arg、Leu、Gln、Ser、Ala與Ile取代，而經(jīng)常取代的是Pro197Ser，28%的雜草抗性型中含有Pro取代，在虞美人抗性型中，Pro197有5個突變點，其中Pro197Ala是最常見的，Pro197被Ser、Thr、Ala、Arg及Leu取代的結(jié)果，形成新的β-鏈，使ALS三級構(gòu)象穩(wěn)定，從而防止其與磺酰脲類除草劑結(jié)合而控制抗性。反枝莧的抗性在于Ala122Thr、Ala205Val與Trp574Leu，而鮑威氏莧的抗性則是Ala122Thr、Trp574Leu與Ser653Thr取代的結(jié)果，這說明，不同地區(qū)選擇壓力是近似的。苯磺隆在我國使用3~15年后，播娘蒿產(chǎn)生嚴重抗性，抗性提高1500倍以上，此種抗性是Pro197Leu及Pro197Thr突變的結(jié)果。3.1抗性機制在所鑒定的大量雜草抗性中，僅有6種單子葉雜草產(chǎn)生突變，其中包括雨久花、旱雀麥、螢藺、野麥草、瑞士黑麥草與看麥娘，其中有6種ALS突變控制著瑞士黑麥草的抗性，它們是Pro197Ala、Pro197Arg、Pro197Gln、Pro197Leu、Pro197Ser與Trp574Leu，在一個瑞士黑麥草群落中發(fā)現(xiàn)，在所有6種突變中，每種Pro197突變均造成對磺酰脲除草劑甲嘧磺隆的抗性，而Trp574Leu則控制其對甲嘧磺隆與咪唑啉酮類除草劑咪唑煙酸（imazapyr）的抗性。3.1抗性機制3.1.2非靶標抗性雜草對除草劑的非靶標抗性機制包括除草劑被吸收后在植物體內(nèi)迅速解毒而喪失活性以及限制除草劑到達作用部位。對于作用靶標單一而專化的磺酰脲類除草劑來說，這種非靶標抗性比較少見。野歐白芥對胺苯磺隆抗性是代謝作用的結(jié)果，從抗性型與敏感型植株提取出的ALS對胺苯磺隆與氯磺隆同等敏感說明，抗性不在于作用靶標及吸收獲傳導的差異；

3.1抗性機制但胺苯磺隆在抗性生物型植株內(nèi)的代謝比敏感生物迅速，噴藥后3，6，18，48與72小時后在抗性生物型植株內(nèi)收集到的胺苯磺隆占施用量的82，73，42，30與17%，反之，敏感生物型在處理后12，24，48與72小時收集到的胺苯磺隆為84，79，85與73%。所以抗性是促進代謝作用的結(jié)果。在加拿大西部至少有三種抗性生物型，其中有兩種抗性生物型是靶標突變的結(jié)果，而另一種則是代謝作用特性。3.1抗性機制通過代謝作用產(chǎn)生抗性在除草劑使用中也很普遍，禾本科雜草的代謝抗性遠多于闊葉雜草，兩種酶系統(tǒng)—細胞色素P450單加氧酶與谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶導致除草劑解毒而造成抗性，P450導致瑞士黑麥草對綠磺隆的抗性、多花黑麥草對綠磺隆與氟啶磺隆的抗性、歐白芥對胺苯磺隆的抗性。在澳大利亞，瑞士黑麥草對磺酰脲類除草劑的抗性機制與北美洲的瑞士黑麥草顯然不同，它存在著除草劑代謝與解毒機制。綠磺隆在抗性型植株內(nèi)代謝作用顯著比敏感生物型迅速。3.2抗性治理雜草抗性、特別是作用靶標單一的磺酰脲類除草劑抗性的治理需要采取多種措施的綜合治理方針，因為磺酰脲類除草劑作用靶標單一，易于產(chǎn)生抗性，如綠磺隆在連續(xù)應(yīng)用僅3~5年，一些雜草便產(chǎn)生明顯抗性。3.2抗性治理3.2.1在正確的作物輪作基礎(chǔ)上，輪換使用不同作用機制的除草劑，通常在論作中，磺酰脲類除草劑以及其它ALS抑制除草劑如咪唑啉酮、三唑嘧啶及嘧啶苯甲酸類在作物中連用不宜超過4~5年，即每隔4~5年可以插入應(yīng)用其它作用機制的除草劑1~2年，同時在一年內(nèi)同一作用機制的除草劑不宜使用2次。3.2抗性治理3.2.2混用或間隔使用不同作用機制的除草劑，為了有效的延遲代謝抗性，混用或混合制劑必須通過不同生物化學途徑而降解，噻吩磺隆+苯磺隆是防治麥田闊葉雜草的混合制劑，2甲4氯注冊與ALS抑制除草劑混用可以有效延遲ALS抑制的靶標抗性，從而延長其使用年限。3.2抗性治理