基于PPO的二芳基醚类除草剂研究进展

蔡 辉，甘秀海

（贵州大学绿色农药与农业生物工程教育部重点实验室/国家重点实验室培育基地，贵阳 550025）

抑制植物生命过程中叶绿素和血红素生物合成是开发除草剂的重要思路之一，原卟啉原氧化酶（Protoporphyrinogen Oxidase，PPO）是植物体内叶绿素和血红素生物合成的关键酶，因此，PPO是新型除草剂创制的重要靶标之一[1-3]。目前PPO抑制剂类除草剂主要有环酰亚胺类、三唑啉酮类、二唑类、苯基吡唑类和二芳基醚类[4-6]，其中二芳基醚类除草剂由于高效、低毒、选择性强和合成工艺简单等优点，一直受到新农药创制研究者的广泛关注[7-9]。

1 二芳基醚类PPO抑制剂的作用机制

在植物体内，原卟啉IX以谷氨酸为起始原料合成得到，是叶绿素和血红素生物合成的重要底物，在叶绿体和线粒体中，其在镁离子螯合酶和亚铁离子螯合酶的催化作用下分别形成叶绿素和血红素[10-11]。在此生物合成途径中，PPO在氧气存在下催化原卟啉原IX生成原卟啉IX是必需的步骤[12]。当二芳基醚类PPO抑制剂在一定程度上占据PPO催化的活性空腔时，将有效抑制PPO催化活性，造成催化底物原卟啉原IX的积累，叶绿素和血红素的生物合成因此不能进行，使得植株光合作用受阻[13-14]。另外，原卟啉原IX从叶绿体中渗至胞质中，并被氧化为高浓度的原卟啉IX，在光照和氧气参与下产生三态原卟啉IX并将生成单线态氧，引起脂质过氧化、膜损伤和细胞死亡（图1中虚线部分）[15-18]，在两者的共同作用下植株叶片出现黄化、萎蔫和干枯等症状，最终使植株死亡。作用机制见图1。

图1 PPO抑制剂类除草剂作用机制

2 基于PPO的二芳基醚类商品化除草剂

自1963年罗门-哈斯公司开发第一个基于PPO为靶标的二苯醚类除草剂——除草醚以来，各大农药公司和研究者通过改变芳基种类及其上面的取代基对二苯醚结构进行多样性改造，衍生出了更多的具有除草活性的二芳基醚类化合物，但目前报道应用并服务于农业生产的商品化品种仍然是二苯醚结构，部分商品化农药结构式如图2[7,19-20]。

图2 二芳基醚类PPO抑制剂部分商品化农药结构式

3 基于PPO的二芳基醚类除草剂研究进展

3.1 国外研究进展

虽然近年来二芳基类除草剂品种逐渐丰富，但研究者们从开发高效、低毒和环境友好绿色农药的理念出发，寻找结构新颖的二芳基类除草剂仍然是研究的热点，本文就一些代表性的工作进行简单介绍。罗门-哈斯公司除了开发了众多已知的商品药外，还发现了很多具有除草活性的农药小分子[21-22]，采用土壤处理和茎叶喷雾法测试其中的化合物1和2对杂草的苗前和苗后除草活性，结果显示两者在施药剂量为2 242 g/hm2时，对马唐、稗草和苘麻等禾本科杂草和阔叶杂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环2-Cl-4-CF3和B环4-NO2取代基，改变醚键间位取代基种类，设计合成了化合物3、4和5（图3）。除草活性测试结果表明，在施药剂量为2 242 g/hm2时，对禾本科杂草和阔叶杂草具有100%的苗后除草活性。随后又发现化合物6和7，在施药剂量为56 g/hm2时，对苘麻、万寿菊和牵牛花等阔叶杂草具有100%的苗前和苗后除草活性，且对禾本科杂草具有较好的选择性[23]。化合物1～7结构式见图3。

图3 化合物1～7结构式

1986—1989年，国际壳牌有限公司[24-26]开发了系列含苯并呋喃酮或肼基的二苯醚类化合物，采用土壤处理和茎叶喷雾处理测试了其除草活性，结果显示化合物8、9、10对稗草、燕麦、甜菜、亚麻子等杂草显示出显著防效，尤其是苗前除草活性，且部分化合物对大豆、玉米和水稻具有较好的选择性。化合物8～10结构式见图4。

图4 化合物8～10的结构式

1990年，日本旭化成株式会社[27]报道了系列含有肟醚结构的二苯醚衍生物，采用盆栽喷雾处理测试对常见的阔叶杂草的芽后除草活性，结果显示，化合物11～14在施药量为100 g/hm2时能完全防除苘麻、田菁和曼陀罗等杂草，与氟草醚酯活性相当。化合物11～14结构式见图5。

图5 化合物11～14结构式

1995年，Sumida等[28]以甲羧除草醚和乙氧氟草醚为先导结构，设计合成得到了新型含 嗪环的二苯醚类化合物15、16和17，在使用剂量为500 g/hm2时，对马唐、马齿苋和马蓼的苗前和苗后除草活性都达到95%以上，化合物15在使用剂量为125 g/hm2时为70%以上的防效。化合物15～17结构式见图6。

图6 化合物15～17结构式

在20世纪90年代中期，富美实公司报道了含有N-杂环的二芳基醚类化合物18作为新一代的PPO类抑制剂除草剂[29]。随后，农药研究者开始对N-杂环及二芳基醚右边芳基的种类及其上面的取代基进行探索以期发现具有优异除草活性的小分子。代表性的工作是21世纪初日本住友发现化合物19对阔叶杂草和禾本科杂草具有高效、广谱的除草活性[29-30]。化合物18和19结构式见图7。

图7 化合物18～19结构式

3.2 国内研究进展

1985年，南开大学李复信[31]和张树奎[32]等报道了二苯醚酰胺类及二苯醚硫脲类新化合物的合成及除草活性，采用茎叶喷雾法测试苗后除草活性，发现化合物20和21在2 250 g/hm2的使用剂量下对油菜具有100%的鲜重防效。化合物22、23和24在750 g/hm2的剂量下也对油菜的鲜重防效达到100%，同时，这些化合物对稗草也有中等防效，化合物20～24结构式见图8。

图8 化合物20～24结构式

2004年，黑龙江大学孙志忠[33]报道了化合物25，用茎叶喷雾法测试其苗后除草活性，当使用剂量为20 g/hm2时，对苍耳、苘麻和鸭子草等阔叶杂草的生长抑制率达到90%以上，且对大豆、花生和小麦等作物安全性较好。2006年，该课题组又报道[34]化合物26在使用剂量为75 g/hm2时，对靶标杂草芥菜、小藜反枝苋达到90%的防效。化合物25和26结构式见图9。

图9 化合物25～26结构式

2011年，沈阳化工研究院Yu等[35]合成得到一系列包含不饱和羧酸酯的二苯醚衍生物，在温室内采用茎叶喷雾法进行初步除草活性测试，结果显示化合物27在使用剂量为40 g/hm2时，对苘麻、反枝苋和马齿苋等阔叶杂草具有95%以上的防效，同时，对小鼠的急性毒性测试结果表明，对哺乳动物低毒，且对大豆具有较好的选择性。化合物27结构式见图10。

图10 化合物27结构式

2015年，湖南化工研究院王晓光课题组[36]以氯氟草醚乙酯为先导，引入优势基团甲磺酰基，设计并合成得到化合物28，初步生物活性测定结果表明，其使用剂量为37.5 g/hm2时，对刺苋和藜的株高具有95%以上的抑制活性，同时，该课题组[37]2016年发现化合物29在使用剂量为45 g/hm2时对苘麻和刺苋具有100%的茎叶处理除草活性。化合物28和29结构式见图11。

图11 化合物28～29结构式

2018年，陈磊[38]报道在二苯醚结构中引入6-氯吡嗪及酰胺结构，得到化合物30和31，施用剂量为2 000 g/hm2时，茎叶喷雾处理对双子叶杂草有一定防效，特别是对芥菜，分别具有99.47%和98.60%的鲜重抑制率，化合物30和31结构式见图12。

图12 化合物30～31结构式

2020年，李义涛等[39]将二苯醚结构与环己二酮、吡唑结构进行活性亚结构拼接，设计合成了系列化合物，采用盆栽喷雾处理测试其除草活性，结果显示，化合物32、33、34、35、36和37在150 g/hm2的施药量下对马齿苋具有100%的除草活性，特别是化合物32和34，当施药剂量降至18.75 g/hm2时对马齿苋仍有100%的防效。另外，化合物34在150 g/hm2的施药量下对稗草也有82%的除草活性，该类化合物具有高效、广谱的除草活性，具有较好的应用前景。化合物32～37结构式见图13。

图13 化合物32～37结构式

2020年，东北农业大学叶非课题组[40]利用活性亚结构拼接原理，设计合成了含四氢邻苯二甲酰亚胺的苯基-吡啶醚类衍生物，发现化合物38对靶标杂草具有高效广谱的茎叶除草活性和PPO酶抑制活性，当施药量为600 g/hm2时，观察到10 d后的田间茎叶除草活性与对照药乙氧氟草醚达到相同的处理效果。另外，该课题组又分别将吡咯烷酮和香豆素活性单元引入吡啶-苯基醚结构中[41-42]，发现化合物39、40和41具有较为广谱的除草活性，同时当施药剂量为300 g/hm2时，这些化合物对大豆和棉花都具有很好的安全性和较好的开发前景。化合物38～41结构式见图14。

图14 化合物38～41结构式

4 结论与展望

经过近半个多世纪的发展，研究者们通过改变二芳基醚结构中芳基的种类及在芳基上引入不同的活性单元，开发得到的部分化合物具有良好的除草活性，并具有广谱除草活性和对作物安全的特点，克服了现有部分商品化二芳基醚除草剂除草谱窄和对作物有药害的缺点。然而，随着该类除草剂大量、广泛的使用，二芳基类PPO抑制剂类除草剂产生的抗性问题也日益突出。因此，在未来除草剂的创制研究中，应围绕抗性问题，利用计算化学手段并结合化学信息学技术合理设计绿色农药分子，开发具有超低用量、环境友好、对非靶标生物安全的新型PPO抑制剂类除草剂。