磺酰脲类除草剂的研究现状

磺酰脲类除草剂的研究现状

摘要：磺酰脲类除草剂开发以后，因其超高效、低毒，低成本等特性，迅速得到广泛的推广应用，其开发成为农药发展史上的一个重要里程碑。 针对近几年磺酰脲类除草剂研究进展做了简要的综述。

关键词：磺酰脲；除草剂；作用机理；抗药性

Research Progress of Sulfonylurea Herbicides Abstract: The sulfonylurea herbicides with extremely high effect， low poison， low cost and other characteristics get theextensive expansion application quickly after the development， which is one of the important milestones of theagrochemical development history. In this paper， studies of sulfonylurea herbicides in recent years， a brief overview of progress. Key words: sulfonylurea； herbicides ； The mode of action； resistance

随着人口的不断增长，粮食对于人类生存与发展具有重要的意义。通过农药的使用来提高单位面积粮食产量是21 世纪农业的重要措施之一。而农田杂草却给农业生产造成很大的损失， 根据联合国粮食与农业组织的研究，全球因杂草导致的粮食生产损失每年高达950 亿美元。据统计，我国稻田杂草危害面积为1500 万公顷，每年损失稻谷1000 万吨，损失率15%以上[1]。除草剂的应用不仅增加了粮食产量，促进了农业现代化程度的提高，还大大降低了人工除草的强度及成本。但是，一方面由于该类除草剂的活性较高，长期使用其残留对后茬敏感作物造成一定的药害；另一方面该类除草剂长期使用所造成的选择压力， 特别是作用靶标单一，造成了杂草耐药性、抗药性的出现，从而使得磺酰脲类除草剂在农田土壤中的残留降解及影响因素等问题受到普遍关注。

20世纪80年代美国杜邦公司开发出磺酰脲类除草剂产品，标志除草剂进入超高效时代。磺酰脲类除草剂每公顷以克计算的超高活性与低毒性能使其被公认为高效和环保农药。 近几年来随着存在环境问题的除草剂淡出和即将淡出市场，磺酰脲类除草剂更是发展迅猛，目前已有31个产品商业化，全球磺酰脲类除草剂市场销售额2007年达20.35亿美元，占全球除草剂市场11%以上，年销售量达2 100~2 200 t(折百) ，在世界农药市场占有举足轻重的地位，未来几年磺酰脲类除草剂仍将以每年2%以上增长率发展[2]。

1 磺酰脲类除草剂的种类与特点

1.1 磺酰脲类除草剂的种类

1982年杜邦公司开发出第一个商品化的磺酰脲类除草剂———氯磺隆，并以此为开端相继开发出一系列用途各异的磺酰脲类除草剂。除杜邦公司外，许多大农药公司也进行了该类除草剂的研制和开发，目前注册此类品种的还有巴斯夫、拜耳、ISK 、孟山都、日产化学、日本武田、先正达等公司。到目前为止，有关

磺酰脲类除草剂的专利有400多项，已商品化的有氯磺隆、甲磺隆、氯嘧磺隆、苄嘧磺隆、胺苯磺隆、苯磺隆、氟胺磺隆、玉嘧磺隆、氟啶磺隆、噻磺隆、啶嘧磺隆，吡嘧磺隆等[3 ]。我国研发的具有自主产权的高效磺酰脲类除草剂有南开大学开发的单嘧磺隆和湖南化工研究院开发的甲硫嘧磺隆[4]。

1.2 磺酰脲类除草剂特点

磺酰脲类除草剂的基本结构由3部分组成，即由活性基团、疏水基团芳基和桥(兼电子传递基团) 所组成。

1.2.1 超高活性和低剂量

磺酰脲类除草剂通过对植物体内的乙酰乳酸合成酶(ALS)的抑制，从而阻碍支链氨基酸(缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸) 生物合成，抑制植物细胞的分裂和生长。 除草活性与其抑制ALS 抑制高度相关。 由于抑制ALS 活性所需外源物质质量浓度极低，磺酰脲类除草剂以极低剂量(约2~75 g/hm2)表现出卓越的除草活性，为传统除草剂的100~1 000倍。

1.2.2 低毒性

动物体内缺乏支链氨基酸(缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸) 的生物合成途径，从植物产品中获得。因此以抑制此类氨基酸生物合成作为靶标的除草剂，对动物的安全性很高[5]，LD50≥5 000 mg/kg。

1.2.3 高选择性

Sweetser 等科学家阐明了磺酰脲类除草剂具有选择性的机理。不同植物对除草剂代谢能力、途径和降解水平差异很大，表现出的敏感度不一样。同种除草剂在敏感植物体内比在相对抗性植物体内的代谢和降解速度相对缓慢得多，从而在敏感植物内发挥活性。如氯磺隆在小麦植株内代谢很快，半衰期为2~4 h，而在敏感植物体内半衰期>24~48 h。

1.2.4 对环境友好

所有的磺酰脲类除草剂都容易在土壤中发生化学水解和微生物降解，半衰期为1~8周。其电离和水解可在水和土壤中进行。此类除草剂属非挥发性弱酸，pKa 在3.3~5.2之间。在任何正常的土壤pH 值下，磺酰脲类除草剂脲桥上的氮都可以发生电离，形成中性分子和阴离子态分子。

2 磺酰脲类除草剂的作用机理

磺酰脲类农药为选择性内吸传导型除草剂，易被植物的根、叶吸收，在木质部和韧皮部传导，它能够抑制植物体内至关重要的乙酰乳酸合成酶(Acetolactate synthase ，ALS) 也称为乙酰羟酸合酶(Acetohydroxyacid synthase，AHAS) 的活性，从而抑制带支链氨基酸如缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸的生物合成，导致底物α-丁酮的积累，阻碍细胞分裂期间DNA 的合成，使有丝分裂停止，细胞不能正常生长，最终达到除草目的。ALS 酶是植物、真菌和细菌细胞内支链氨基酸生物

合成第一阶段关键酶，在支链氨基酸生物合成的开始阶段，可将2 分子丙酮酸或1 分子丙酮酸与1 分子α-丁酮酸催化缩合，分别生成乙酰乳酸或乙酰羟基丁酸， 再经过一系列反应形成缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸。

现已明确磺酰脲类除草剂作用于植物体内的ALS ，且再无第2 个作用靶标。ALS 实际上有ALSI 、ALS Ⅱ、ALS Ⅲ之分，编码的基因分别为ilvBN 、ilvGN 、ilvH ，这3 种同工酶对各种除草剂的敏感性不同，其中以ALS Ⅱ最为敏感[6]。ALS 是一个四聚体，由2 个大亚基和2 个小亚基构成，大亚基是催化中心，小亚基是调控中心[7]。Schloss [8]认为，磺酰脲分子和ALS 的作用点为硫胺焦磷酸素

(Thamine Pyrophosphate)，它与磺酰脲类的嘧磺(Sulfometuron)分子结构相似， 均有一个取代的嘧啶基，并在嘧啶环间隔的第2 个键都有1 个三角形中心(羰基和三唑氮基) ，间隔的第3 键中均有一个负电子中心。嘧磺隆可与ALS Ⅱ产生的中间产物结合，从而使ALS 酶失去活性，也就使杂草死亡。

3 抗磺酰脲类除草剂的基因

由磺酰脲类除草剂的大量重复使用和作用位点单一，导致抗该类除草剂杂草的大量出现，并且作用于ALS 的除草剂存在着交互抗性的问题。大量实验证明一个氨基酸残基的突变就会导致细菌、酵母和植物ALS 除草抗性的产生， 且突变位点绝大部分出现在形成通道的氨基酸残基上。抗ALS 抑制剂基因的克隆和在转基因作物中的应用已成为生命科学研究的点，它在抗除草剂植物基因工程中具有重要地位，常用来培育抗除草剂抗性植株。宋贵生等[9]从水稻中分离了ALS 基因的cDNA ，并构建了该基因的植物表达载体，转化烟草后对除草剂的抗性高达50 mg/L，说明ALS 转基因烟草有较强的除草剂抗性。孙笑非等从长期使用甲磺隆的土壤中分离得到抗甲磺隆的假单胞菌，克隆了该菌ALS 大小亚基基因ilvIH ，转化大肠杆菌表明ilvI 基因表达的ALS 大亚基对甲磺隆有很强的抗性。沈晶晶等[10−11]研究表明， 与ALS 单一位点突变相比，多位点突变能使ALS 空间结构发生更大的变化，导致ALS 对除草剂抗性的大幅提高。Tu 等分离、克隆并定位了一个抗苯达松和磺酰脲类除草剂的水稻新基因CYP81A6，构建了该基因的双元表达载体并转化农杆菌，经过严格的纯系选择和田间试验，获得可抗苯达松和磺酰脲类除草剂的转基因植株。Pan 等研究表明，Bel 基因与水稻对除草剂的抗性有关，该位点的隐性突变bel (bela)和bsl (belb)，导致水稻丧失对除草剂苯达松和磺酰脲等的抗性，若将野生型Bel 基因导入bela 突变体， 能恢复突变体对苯达松和磺酰脲类的抗性。现已推广的抗磺酰脲类除草剂的转基因作物有美国杜邦公司的大豆(STS)、棉花(19-51a cotton)、甜菜(CRI-B)等。

4 磺酰脲类除草剂应用上存在的问题

目前，对于磺酰脲类除草剂的作用方式及在土壤中的环境行为方面，国内外

有较多研究，研究发现在其应用过程中仍存在一些难题，其中最突出的是其残留药害和杂草对磺酰脲类除草剂的抗药性问题。

4.1 残留药害

磺酰脲类除草剂甲磺隆、氯磺隆等超高效药剂，小麦田常规使用技术下，药剂可在土壤中残留数月甚至几年，对后茬作物玉米、油菜、棉花及某些豆科作物产生不同程度的药害，甚至死亡。在我国长残效磺酰脲类除草剂的残留药害时有发生[12]，以致河南、四川等省市目前禁止销售和使用甲磺隆、氯磺隆及其混配制剂。

磺酰脲类除草剂选择性强，对不同作物的敏感性差异很大，例如，棉花对甲磺隆最敏感，对玉米次之，而水稻和油菜则耐药性较强，磺酰脲的残留活性与施药量、土壤pH 值、有机质含量、温度、土壤湿度及施药时间和除草剂本身化学结构等有关。1995年沈阳曾发生绿磺隆污染水稻的重大事故，造成近533.4公顷稻田受害，其中267公顷绝收；1992年在河北麦田中施用甲磺隆，也造成后茬玉米大面积药害；磺酰脲类除草剂残留主要是结合态残留，结合态残留常被认为是农药的一种解毒机理，但近年来研究发现，绿磺隆在一定的条件下可再度以母体化合物或其代谢物的形式释放出来。总之，结合残留迁移的淋溶性较弱，而且对后茬作物的生长有抑制作用，达到一定剂量时即可对后茬作物产生药害[13]。

4.2 抗药性

磺酰脲类除草剂上市不久就有对杂草产生抗药性的报道，1987年，爱达荷州冬小麦的刺莴苣就对绿磺隆和甲磺隆的混剂产生了抗性，以及迅速扩大到13个州和加拿大的1个州。于是，杜邦公司宣布在美国7个州不得使用绿磺隆以保护这一类有价值的除草剂，并加强了对磺酰脲类除草剂抗性的研究工作[14]。在推广应用磺酰脲类除草剂10年后，在美国已发现繁缕、剌莴苣、地肤、细叶猪毛菜、多花黑麦草、多年生黑麦产生了抗性生物型。 澳大利亚从1984年在麦田开始应用绿磺隆，在小麦上连续使用8 年后，卷茎蓼、苦苣菜、蒜芥对绿磺隆、甲磺隆、阔叶散产生了抗性。

目前研究表明磺酰脲类除草剂是乙酰乳酸合成酶(ALS)/乙酸羟酸合成酶(AHAS)抑制剂，即通过抑制植物的ALS/AHAS阻止支链氨基酸如颉氨酸、亮氨酸、异亮氨酸的生物合成，最终破坏蛋白质的合成，干扰D N A 合成及细胞分裂与生长。 Saari 发现，地肤的鲜重和干重积累绿磺隆和甲磺隆的量R 型比S 型高2~350倍，R 型的ALS 抑制率分别也降低了5~28倍。抗绿磺隆和甲磺隆混剂的刺莴苣对其他８种磺酰脲还有交互抗性，一般认为，磺酰脲类除草剂的交互抗性类型不可预测。 已经证明，杂草的抗性主要是ALS 的变构和植物解毒代谢功能的提高所致，而且ALS 遗传因子的变异往往不只一个位点，结合部位的变构直接影响着ALS 与化合物的结合能力；抗药性问题已成为磺酰脲类除草剂发展的一大障碍[15]。

5 解决办法

5.1 减少残留

磺酰脲类除草剂残留的危害国内外研究较多，主要是对后茬作物的影响。国外报道磺酰脲类残留对甜菜，葡萄、大豆、油菜等造成危害。姚东瑞报道，玉米、大豆、油菜、水稻等对绿磺隆有一定的敏感性，且同一作物不同品种对绿磺隆的敏感性差异较大。甘肃张炳炎等报道施用剂量不同，绿磺隆残留危害影响不同。 一些磺酰脲类除草剂在土壤中达到1 g/hm2时，即对后茬敏感作物产生药害[16]。 正因为磺酰脲类除草剂超高效性以及其对敏感作物的危害性，故在推广应用时，一定要注意后茬作物的品种及敏感性。

解决残留对敏感作物的危害问题主要方法是混配、加安全剂、转基因作物的培育、降低长残留除草剂的施药剂量、农作措施和除草相结合。美国杜邦公司在1981年商品化了对磺酰脲类有抗性的棉花品种；1993年商品化了抗磺酰脲类的大豆。 同时，为了弄清这些化合物的残留动态，必须加紧开发新的、快速、简便、准确的残留分析方法。

5.2 延缓抗药性

为进一步利用高活性磺酰脲类除草剂，延缓其抗性的发展，国内外投入不少精力进行研究，其中代表性的方法有开发磺酰脲除草剂与其他除草剂的混配制剂，寻找抑制支链氨基酸生物合成过程中其他酶的有效抑制剂，利用生物工程研制抗磺酰脲除草剂的作物新品种[17]，使用解毒剂降低杂草对磺酰脲除草剂的抗性发展，提高施药技术，选用不同作用靶标除草剂合理轮换使用，同时兼顾水旱轮作的种植方式等。除草剂混用不仅可以扩大杀草谱，省时、省工、降低用药量、减轻对环境的压力，而且可以有效地克服和延缓抗性杂草产生的速度，是抗性治理的较好方法。目前市场上已经投入使用的磺酰脲类除草剂复配制剂有：苯磺隆与乙羧氟草醚，苯磺隆与2，4-滴，苄嘧磺隆与乙草胺，单嘧磺隆与扑灭津等，其复配不但延缓了抗性的发展，还扩大了此类除草剂的防效和杀草谱。发展磺酰脲除草剂的专用施药器械，开发选择性的使用方法，也是延缓磺酰脲类除草剂抗性产生的有效措施之一。目前南开大学以杂草藜(Chenopodium album L．) 为靶标，进行磺酰脲类除草剂抗药性机理及其缓解措施研究，同时对磺酰脲类除草剂之间能否产生交互抗药性进行研究，为缓解磺酰脲类除草剂的抗性发展提一些供理论依据。

5.3 微生物降解

由于磺酰脲类除草剂具有极高的活性和极强的选择性，土壤中少量的残留即可对后茬敏感作物产生药害，因此该类除草剂在土壤中的残留对后茬敏感作物的安全性问题引起了人们的普遍关注。以微生物修复理论为基础的农药残留降解技术是解决残留药害的一条有效途径。国内外学者对于该类除草剂在水、土壤环境中的

降解和消失规律研究，将重点放在了水解和微生物降解等方面。众多学者研究表明，无论用高压、环氧乙烷、还是γ-射线消毒土壤， 其结果为磺酰脲类除草剂在未灭菌土壤中降解速度比灭菌土壤中迅速， 且在未灭菌土壤中降解产物更为复杂[7]，由此可见，微生物降解是除草剂从土壤中消失的重要因素。

由于微生物的易突变性和抗逆性强，它们可以在恶劣的环境中生存下来， 对有害化学物质进行分解代谢。科研工作者通过富集培养、分离筛选等技术已获得了一大批能降解或转化有害物质的微生物。有关磺酰脲类除草剂在土壤中的微生物降解国内外均有报道，参与降解磺酰脲类除草剂的微生物有真菌、细菌与放线菌，其中研究最多的还是细菌。

6 展望

除草剂的使用使杂草的防除效率大大提高，但大量使用除草剂不仅使杂草产生抗药性，而且对下茬敏感作物产生严重的药害并且还严重污染环境。以微生物修复理论为基础的农药残留降解技术是解决残留药害的一种安全、有效、廉价的途径， 该方法具有无毒、无残留、无二次污染等优点。该技术是近20 年发展起来的一项用于土壤污染治理的新技术，它主要是通过微生物的作用，将环境中的有机污染物转化成CO2 和H2O 等对环境影响小，无二次污的小物质。目前对该类除草剂的降解研究大部分的工作还局限于实验室，研究还不是很深入。

今后，磺酰脲类除草剂还将有很大的发展，其发展趋势应为继续开发研制高效、低毒、环境特性优良的新品种。由于磺酰脲类除草剂所带来的巨大的经济效益和社会效益，随着科学技术的进步，农药管理的加强以及人们用药水平的提高，降低其残留、延缓其抗药性等问题有望得到解决，其发展前景是不可估量的。

大多数抗除草剂作物的创制是将除草剂作用靶标或解毒酶有关的基因导入作物并获得稳定表达，因此种植抗除草剂转基因作物是解决除草剂残留药害的另一条最佳途径。目前，大量针对各种除草剂的抗性基因资源被发掘，如抗草甘膦的EPSP 合成酶基因aroA ，降解草丁磷的bar 基因，降解阿特拉津氯水解酶基因atzA [18]等。有的转基因抗性作物已到商业应用阶段，如美国盂山都公司开发的转aroA 基因的抗草甘膦作物，包括大豆、玉米、棉花等，已经成功在全球推广应用，种植面积在亿亩以上。这些研究主要集中在美国和欧洲，而我国这项工作刚刚开始，为了我国抗除草剂作物品种选育、推广的开展不受制于他人，我们必须进行创新研究，筛选出具有自己知识产权的抗性基因。我国在国家转基因植物研究与产业化专项支持下，获得了一批具有重要应用价值并拥有自主知识产权的新型抗除草剂基因[19]。虽然抗磺酰脲类除草剂的转基因作物已有报道并在商业化推广应用，但是随着研究的不断深入，抗不同除草剂转基因作物数量将会逐渐增加；基因种类、来源日益丰富；转基因性状也会日趋多样、复杂。抗除草剂转基因作物在选育技术上已日渐成熟，但其在市场化过程中能否健康、稳定发展并获

得与之相适应的市场规模，将主要取决于其安全性问题的妥善解决。 参考文献

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