稻田除草剂Fenoxasulfone

张志宏 编译

（安徽国星生物化学有限公司，安徽当涂 243100）

大米是日本的主食。为了保证水稻的稳定生产，对稻田杂草的防除是必不可少的。很长一段时间以来，一年生稻田杂草稗草(Echinochloaspp.)是日本最棘手的问题。很多公司已开发了防除稗草的化学除草剂。但这些除草剂有时在某种土壤或水中不能充分发挥药效。此外，近年来，具有磺酰脲类(SU)抗性的杂草增多，带来许多问题。在这种情况下，需要一种不受土壤类型或水分条件影响且对抗磺酰脲类杂草有防除活性的除草剂。因此，本研究的目的是开发一种不仅能防除稗草，还能防除一年生杂草和某些抗磺酰脲类除草剂杂草，在各种环境条件下都有活性的、新的、稳定的稻田除草剂。

在此研究之前，日本组合化学工业株式会社开发了用于玉米、大豆、棉花和小麦田的芽前除草剂砜吡草唑(pyroxasulfone，图1)。通过对新颖3-磺酰基异噁唑啉衍生物（3-sulfonylisoxazoline，图1）的骨架结构进行修饰得到fenoxasulfone。

图1 3-磺酰基异噁唑啉衍生物和砜吡草唑结构

通过本研究，发现含苯环化合物具有独特的理化性质，如在水中的溶解度低，土壤对这类化合物的吸附能力强。Makoto Fujinami等认为，这些特性使化合物可能在水稻（flooded rice）栽培系统中具有稳定的效果，避免随稻田径流流失的风险。因此，重点研究了苯环的取代基，并对所得化合物的除草特性进行了评价。最后，发现了具有优异除草活性和较长持效期的fenoxasulfone(图2)。

图2 fenoxasulfone的结构

1 f enoxasul f one的发现

首先对异噁唑啉的结构进行了优化，发现5,5-二甲基-4,5-二氢异噁唑是最优部分。用不同的苄基卤化物对苯环结构进行了优化。合成路线如图3所示。反思了这种稻田除草剂的构效关系，重点研究了其理化性质，特别是土壤吸附特性。

1.1 苯环上取代基的影响——单取代环

最初，苯环上的取代基为1个甲基和其他取代基(图4)。结果表明，邻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)。

图3 合成路线

图4 基本结构

表1 取代位置的效应（有效成分g/hm2）

此外，还对除甲基以外的取代基进行了考察，结果显示了相同的趋势。2-位取代化合物的除草活性表明，2-位取代可能参与了某个特定的分子识别。这些发现表明，为了赋予更高的除草活性，必须在邻位位置引入一个官能团。随后考察了邻位取代基的效应。对其大小、电学性质和稳定性进行了评价，结果如表2所示。

表2 不同邻位取代基的效应（有效成分g/hm2）

乙氧基或氯原子取代化合物对杂草的防除效果较好，对水稻也有一定的安全性。但在稻田应用中，这些单取代基衍生物的除草活性和安全性有限。假设乙氧基或氯原子取代基是该结构的有效取代基，进一步研究了苯环上引入第二取代基的效应。

1.2 苯环上取代基的影响——二取代环

乙氧基和氯原子对该结构的影响在水稻栽培中可能是有利的。因此，对二取代苯环(乙氧基和氯原子同时取代)进行了研究。结果如表3所示。与单取代类似物相比，乙氧基和氯原子组合赋予更高的除草活性。据此，选择5-氯-2-乙氧基化合物(图5)作为先导化合物。

图5 先导化合物的结构

表3 不同位置二取代基的效应（有效成分g/hm2）

之后，为了提高作物安全性，研究了除乙氧基和氯原子以外的官能团在2-和5-位取代的效果(表4和5)。如表4和5所示，其他官能团的引入仅降低了除草活性，且选择性也没有提高。在温室平行试验中，对理化性质(logP、土壤吸附)进行了评估(图6）。

表4 不同2-位取代基的效应（有效成分g/hm2）

表5 不同5-位取代基的效应（有效成分g/hm2）

图6 对土壤的吸附性

5-氯-2-乙氧基化合物的LogP较低，其土壤吸附能力弱于四唑酰草胺（fentrazamide）和唑草胺（cafenstrole）等商业产品。据推测，土壤吸附能力越弱，则持效期越短。显然，要进一步开发成为一种稻田除草剂，必须改善其理化性质。因此，为了提高对作物的安全性和改善理化性质，计划在苯环上引入更多的官能团。

1.3 苯环上取代基的影响——多取代环

根据已知结果，合成并考察了含1个乙氧基和2个氯原子的多取代化合物。结果见表6。

具有2,5-二氯-4-乙氧基苯环的化合物(图2)，命名为fenoxasulfone，具有优异的除草活性，且非常安全。这一结果表明，必须将苯环上的所有取代基结合起来，以实现较高的除草活性和优良的作物安全性。含有其他官能团的多取代衍生物的活性有限(数据未列出)。对fenoxasulfone的理化性质进行了评价，并与商业产品进行了比较(图7)。Fenoxasulfone的理化性质如预期得到了改善，适用于稻田杂草防除。

表6 三取代基的效应（有效成分g/hm2）

图7 对土壤的吸附性

Fenoxasulfone具有良好的除草活性和选择性，还具有适于水田应用的理化性质。因此，选择具良好药效且安全性较高的fenoxasulfone作为农药候选品种。

2 理化性质

Fenoxasulfone的化学名称：3-[(2,5-二氯-4-乙氧基苯基)甲磺酰]-4,5-二氢-5,5-二甲基异噁唑，开发代号为 KIH-1419、KU-071，CAS 登录号：639826-16-7。外观为白色无臭晶体，熔点：157.6℃，水中溶解度：0.17 mg/L(20 ℃)，logPow：3.30(25 ℃)。

3 生物学特性

3.1 生物活性

在日本静冈的日本组合化学工业株式会社生命科学研究所进行了温室试验，评价了fenoxasulfone对稻稗（Echinochloa oryzicola）和稗（Echinochloacrus-galli）的除草效果。Fenoxasulfone以有效成分50～200 g/hm2剂量应用时，对芽前至3.0叶期的稻稗和稗均有良好的防除活性（图8）。稻稗经处理后，首先新生叶片皱缩，茎叶颜色转为暗绿，进而生长受到抑制，最终在约2～3周内死亡。

图8 施用后30 d对稻稗和稗的防效

除稗草外，还进行了fenoxasulfone防除日本稻田中常见的一年生阔叶杂草的药效试验，结果表明，该剂防除鸭舌草、母草（Linderniaspp.）、白花水八角（Gratiola japonica）、节节菜（Rotala indica）、假柳叶菜（Ludwigia epilobioides）等近年来对磺酰脲类除草剂出现抗药性并带来严重问题的杂草具有良好的效果（图9）。

图9 fenoxasulfone的除草谱

3.2 持效性

持效性是稻田用除草剂所需的关键因素之一。为了确定该剂的持效性，在日本组合化学工业株式会社生命科学研究所进行了温室试验。Fenoxasulfone以有效成分200 g/hm2施用，药后60～70 d仍对稻稗、鸭舌草和北美母草（Lindernia dubia）有良好的防除效果(图10)。这证实了fenoxasulfone作为一种稻田用除草剂具有较长的持效期。

3.3 溢流条件下的稳定性效应

在日本的水稻种植过程中，经常发生强降雨，有时会造成稻田水溢出。因此在溢流条件下考察了fenoxasulfone的除草效果和持效性。一般来说，溢出在一定程度会造成药效降低；然而，在溢水和非溢水条件下，fenoxasulfone对3.0叶期稗草和1.0叶期鸭舌草的防除效果并无明显差异，且在溢流和非溢流条件下，fenoxasulfone防除稻稗的持效期均比商业除草剂长(图11)。这种稳定性可能是由于fenoxasulfone具有土壤吸附性强和水溶性低的理化性质，因而不易随水流移动。这可能有利于防止该剂从稻田流失，助力生态友好型杂草治理。

图10 fenoxasulfone的持效性

图11 溢流条件下对稗草的持效性

3.4 作物安全

在日本静冈的日本组合化学工业株式会社生命科学研究所进行了温室试验，评价了fenoxasulfone对作物的安全性。栽种深度为2 cm或以上，移栽后0～10 d施用时，移栽水稻对fenoxasulfone表现出良好耐受性（图12）。栽种深度较浅（小于2 cm）可能会对作物造成危害，包括水稻生长减缓。

图12 对作物的安全性试验

3.5 田间试验

自2008年以来，已在日本东北地区的多个试验场进行了fenoxasulfone(KUH-071 2%颗粒剂)的正式田间试验。从移栽后3 d到田间2.5叶期，KUH-071对稗草、鸭舌草、一年生阔叶杂草、一年生莎草等具有较好的防除效果(图13)。该剂对水稻也表现了足够的作物安全水平(图14)。通过大量的田间试验，证明了fenoxasulfone在稻田中的适用性。

图13 田间药效试验

图14 田间药害试验

4 作用机制

Fenoxasulfone的除草症状与包括砜吡草唑的VLCFAE抑制型除草剂相似。通过考察fenoxasulfone对超长链脂肪酸（VLCFAs）生物合成（图15）的抑制作用对其作用机制进行了研究。Fenoxasulfone处理可降低稗草培养细胞中VLCFAs含量，如C20:0、C20∶1、C22∶0、C24∶0、C24∶1 和 C26∶0，增加长链和中长链脂肪酸的含量，比如C18∶0和C15∶0，这些都是超长链脂肪酸的前体（表7）。

图15 VLCFAs在植物中的合成路径

表7 稗草培养细胞中脂肪酸含量

Fenoxasulfone可有效抑制黄化稗草幼苗微粒体中的超长链脂肪酸延伸酶（VLCFAE）活性，该酶催化从C22∶0到C24∶0和C24∶0到C26∶0的延伸步骤（图16）。这些结果有力证明了fenoxasulfone是植物VLCFAE的有效抑制剂，应归类于除草剂抗性行动委员会的K3类别。

图16 fenoxasulfone对VLCFAE活性的抑制

5 结 语

在日本，农业劳动者的数量正在减少，且耕地逐步集中。在这种情况下，农业劳动者无法花费过多精力进行杂草治理，需要一种在各种条件下均高效的除草剂。消费者也越来越关注食品安全，对开发安全农药的高要求不仅针对人类和动物，还包括环境。

本文介绍了fenoxasulfone的开发及其生物学特性。Fenoxasulfone对稻田禾本科杂草和大多数杂草具有优异的防除效果，持效性好。另外，fenoxasulfone的理化性质有利于其在各种环境条件下的稳定性，减少对环境的影响。Fenoxasulfone具有如此优异的功效和独特的特性，可以满足当下和将来农业生产的需求。自2014年以来，已有6种用于水稻和一种用于草坪的产品上市。另外，还有一些产品即将投放市场。预计fenoxasulfone在未来将进一步促进粮食的稳定生产。