01除草劑安全劑的發(fā)展歷史

1947年，OttoHoffman在噴施2,4-二氯苯氧乙酸后發(fā)現(xiàn)，2,4-二氯苯氧乙酸蒸汽對(duì)番茄造成藥害，但噴施2,4,6-三氯苯氧基乙酸后，番茄沒有出現(xiàn)藥害癥狀。Hoffman發(fā)現(xiàn)除草劑的這種影響后，開始研究能夠保護(hù)農(nóng)作物免受除草劑傷害的化合物。他最初引入“除草劑解毒劑”來描述這類化合物，但在醫(yī)學(xué)中解毒劑用以治療人類中毒，“除草劑解毒劑”只能預(yù)防藥害而不能治療已經(jīng)發(fā)生的藥害，故該概念被多方質(zhì)疑。因此，“除草劑安全劑”隨之而生，并被業(yè)內(nèi)逐步認(rèn)同。

第1個(gè)商用除草劑安全劑1,8-萘二羧酸酐（NA）于1969年被成功研發(fā)。NA可以保護(hù)玉米及高粱免受醚苯磺隆、芐嘧磺隆、砜嘧磺隆等多種除草劑的藥害。第2個(gè)除草劑安全劑二氯丙烯胺（dichlormid）于1972年被美國(guó)史托福石化公司（現(xiàn)先正達(dá)）合成。二氯丙烯胺可以保護(hù)玉米、水稻、小麥、草坪免受乙草胺、丁草胺、異丙甲草胺、茵草敵等除草劑的藥害。1973年，第1個(gè)除草劑與安全劑組合的商品化除草劑品種Eradicane（茵草敵+二氯丙烯胺）面世。

隨后，除草劑安全劑的開發(fā)和利用受到美國(guó)、德國(guó)、日本、俄羅斯、加拿大等科技強(qiáng)國(guó)的關(guān)注與重視。新型除草劑安全劑的創(chuàng)制、應(yīng)用技術(shù)探索、作用機(jī)制研究等發(fā)展迅速，陸續(xù)研發(fā)出解草胺腈、解草酮、解草烷、雙苯噁唑酸、環(huán)丙磺酰胺等安全劑，并進(jìn)行推廣應(yīng)用?，F(xiàn)有30余種除草劑安全劑品種及其與除草劑的商品化組合物投入生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用中，保護(hù)水稻、小麥、玉米、高粱等禾本科作物，大豆、棉花等闊葉類作物。

02除草劑安全劑的分類

除草劑安全劑的研制與使用技術(shù)探索已成為除草劑研究領(lǐng)域中不可或缺的部分。有資料顯示，在2011年約有30%的玉米和谷物田除草劑產(chǎn)品都含有安全劑，在約6%的水稻田除草劑中添加了安全劑。80%安全劑的市場(chǎng)份額被拜耳、巴斯夫、先正達(dá)及科迪華4家農(nóng)化巨頭占據(jù)。

按作用機(jī)制與方式可將安全劑分為分解型、結(jié)合型、補(bǔ)償型和頡頏型。分解型安全劑可以分解除草劑或除草劑有毒產(chǎn)物使其活性喪失。結(jié)合型安全劑可以與除草劑或其有毒產(chǎn)物結(jié)合以減少或消除除草劑對(duì)作物的損害。補(bǔ)償型安全劑需要人為供給，以減少或消除除草劑的使用造成作物缺少某一種營(yíng)養(yǎng)成分而產(chǎn)生的藥害。頡頏型安全劑，某些除草劑復(fù)配或混用有拮抗作用，是拮抗型安全劑的研發(fā)基礎(chǔ)。

根據(jù)除草劑安全劑化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，常見類型有二氯乙酰胺（dichloroacetamides）、羧酸衍生物（carboxylic acid derivatives）、肟醚類（oximeethers）、三唑類（triazoles）、噻唑羧酸類（thiazolium carboxylic acids）、二氫吡唑二羧酸類（dihydropyrazoledicarboxylicacids）、二氫異噁唑羧酸類（dihydroisoxazolecarboxylic acids）、芳基磺酰基苯甲酰胺類（arylsulfonyl benzamides）、雜環(huán)類（heterocycles）等。其代表性品種及相關(guān)信息詳見表1。

03除草劑安全劑的作用機(jī)制

除草劑-植物-安全劑體系間相互作用復(fù)雜，不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者在幾十年間對(duì)其作用機(jī)制做了大量研究，但至今尚無明確定論?？偨Y(jié)現(xiàn)有研究成果，除草劑安全劑緩解藥害的作用機(jī)制主要形成了4種不同假說。第一，安全劑與除草劑競(jìng)爭(zhēng)靶標(biāo)位點(diǎn)；第二，安全劑影響除草劑的吸收與遷移；第三，安全劑影響作物體內(nèi)的除草劑代謝；第四，多種作用機(jī)制的協(xié)同作用。

3.1安全劑與除草劑競(jìng)爭(zhēng)靶標(biāo)位點(diǎn)

部分安全劑和除草劑具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，因此有學(xué)者猜測(cè)，在作物體內(nèi)安全劑與除草劑存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。兩者爭(zhēng)奪有限的作用靶標(biāo)位點(diǎn)，安全劑能夠降低或消除除草劑對(duì)靶標(biāo)酶活性的抑制作用，從而緩解除草劑對(duì)作物的藥害。Ezra、Baldwin等報(bào)道，茵草敵、克草敵和其結(jié)構(gòu)類似的安全劑二氯丙烯胺在靶標(biāo)位點(diǎn)上存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。二氯丙烯胺通過提高玉米分生組織內(nèi)乙酰乳酸合成酶（ALS）的活性來緩解氯磺隆對(duì)玉米的抑制作用。Walton等研究表明，茵草敵與安全劑R-29148可競(jìng)爭(zhēng)玉米體內(nèi)的蛋白結(jié)合位點(diǎn)。在丙草胺中加入安全劑解草啶會(huì)提升丙草胺制劑對(duì)直播水稻的安全性。在水稻體內(nèi)，解草啶會(huì)消除丙草胺對(duì)不飽和脂肪酸順利合成非脂類物質(zhì)的阻礙作用。其他安全劑，如解草酮和氟草肟也被報(bào)道具有這種消除阻礙的作用。

3.2安全劑影響除草劑的吸收與遷移

在作物吸收與遷移除草劑的過程中，探尋安全劑與除草劑之間的相互作用是研究除草劑安全劑作用機(jī)制的一部分。閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)情況的復(fù)雜性。在除草劑與安全劑組合使用的產(chǎn)品中，只有20%的安全劑減少了除草劑的吸收與遷移，40%的安全劑對(duì)除草劑的吸收與遷移無明顯影響，其余40%的安全劑甚至促進(jìn)了除草劑的吸收與遷移。然而，在安全劑減少除草劑吸收與遷移的案例中，仍存在爭(zhēng)議：這種減少效應(yīng)是否是安全劑作用的結(jié)果。例如，用NA處理后，玉米幼苗根系對(duì)咪唑啉酮類除草劑甲咪唑煙酸的吸收與遷移降低了19%，表明NA對(duì)保護(hù)玉米安全性有所貢獻(xiàn)。然而，后續(xù)研究表明，當(dāng)在除草劑使用1 d后施用NA，排除與除草劑吸收的相互作用后，NA也表現(xiàn)出保護(hù)作用。這一觀察結(jié)果與其他研究結(jié)果（NA對(duì)除草劑的吸收沒有影響或有促進(jìn)作用）相矛盾。在其他除草劑/安全劑的組合應(yīng)用文獻(xiàn)中，也發(fā)現(xiàn)了相互矛盾的結(jié)果。對(duì)安全劑吡唑解草酯與磺酰脲類除草劑甲基二磺隆和碘甲磺隆鈉鹽的組合也進(jìn)行了吸收與遷移研究。上述組合中，安全劑對(duì)除草劑的吸收與遷移均無明顯影響。從目前經(jīng)驗(yàn)來看，只有少數(shù)情況下，安全劑的使用減少了除草劑的吸收與遷移。因此，影響除草劑的吸收與遷移可能并不是安全劑的主要作用機(jī)制，但安全劑可能起到輔助作用。

3.3安全劑影響作物體內(nèi)除草劑的代謝

除少數(shù)情況外，除草劑在穿透植物組織并到達(dá)目標(biāo)位置后，在植物體內(nèi)都會(huì)發(fā)生代謝轉(zhuǎn)化。安全劑對(duì)作物體內(nèi)除草劑代謝能力的提升，是現(xiàn)階段被廣泛認(rèn)同的解毒機(jī)制之一。作物體內(nèi)的除草劑代謝屬于多步驟過程，需要細(xì)胞色素P450（P450s）、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GSTs）、糖基轉(zhuǎn)移酶（UGTs）、三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)體（ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體）及谷胱甘肽（GSH）的共同參與。安全劑會(huì)同時(shí)誘導(dǎo)植物體內(nèi)代謝解毒過程中一系列關(guān)鍵因子，進(jìn)一步促進(jìn)植物體內(nèi)除草劑的代謝、降解與隔離。安全劑一般只對(duì)除草劑代謝速率造成影響，但不改變除草劑代謝途徑。

P450s是植物體內(nèi)最大的酶家族之一，可催化除草劑化合物進(jìn)行環(huán)甲基羥基化、N-去甲基化、O-去甲基化、芳基或雜環(huán)的羥基化作用等多重反應(yīng)。Swanson等人首次發(fā)現(xiàn)P450s參與除草劑代謝的證據(jù)：棉花微粒體參與代謝除草劑滅草隆。隨后，多方研究證實(shí)，多種安全劑可通過誘導(dǎo)增強(qiáng)P450s介導(dǎo)的除草劑代謝來提高選擇性除草劑對(duì)作物的安全性，涉及的選擇性除草劑類別有磺酰脲類、咪唑啉酮類、氯乙酰胺類等。例如，NA可促進(jìn)磺酰脲類除草劑醚苯磺隆、芐嘧磺隆等在植物體內(nèi)的代謝。

GSTs會(huì)催化谷胱甘肽與外源性毒物反應(yīng)，使外源性毒物生成毒性更小或無毒的衍生物，因而GSTs在除草劑解毒作用方面受到廣泛關(guān)注。而UGTs在激素平衡、次生產(chǎn)物生成和代謝解毒等方面發(fā)揮著重要作用。Edwards、Buono等以禾谷類作物玉米、小麥為試驗(yàn)對(duì)象，探索8種安全劑（解草酮、解草酯、解草啶、解草腈、解草安、二氯丙烯胺等）對(duì)不同作物體內(nèi)GSTs及UGTs的催化作用的增強(qiáng)情況。研究結(jié)果表明，解草酮催化增強(qiáng)玉米、小麥體內(nèi)GSTs的活性。其他7種安全劑催化增強(qiáng)玉米體內(nèi)GSTs的活性，催化增強(qiáng)小麥體內(nèi)UGTs的活性。因此，不同安全劑在不同作物體內(nèi)催化的代謝解毒酶種類可能不同。

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體是植物體內(nèi)分布最為廣泛的蛋白家族之一，其在調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育、根系形態(tài)、次級(jí)代謝物轉(zhuǎn)運(yùn)、抗逆脅迫上發(fā)揮重要作用。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體中的多耐藥相關(guān)蛋白（multidrug resistance-associatedprotein，MRP）在將GSH共軛化合物和葡萄糖共軛化合物轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡過程中起重要作用。Martinoia、Grill等首次報(bào)道ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體參與植物體內(nèi)除草劑代謝的證據(jù)。在植物中，外源性偶聯(lián)物主要儲(chǔ)存在中央大液泡中。該研究表明，異丙甲草胺與GSH共軛化合物是由一種特殊的ATP酶轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)進(jìn)入大麥液泡。這種方式與哺乳動(dòng)物肝臟管膜內(nèi)的GSH共軛化合物輸出原理非常相似。Dufaud等研究發(fā)現(xiàn)，解草酯刺激液泡對(duì)異丙甲草胺與GSH共軛化合物的吸收速度增加，運(yùn)輸活性加倍，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)量更高。這些結(jié)果表明，調(diào)控ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)活性是除草劑代謝解毒機(jī)制的重要組成部分。

3.4多種作用機(jī)制的協(xié)同作用

除草劑安全劑的作用機(jī)制復(fù)雜，許多安全劑的作用機(jī)制至今尚未研究透徹。某些研究成果表明，安全劑對(duì)植物的保護(hù)作用，是多種作用機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。隨著生物工程技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展研究的逐步深入，除草劑安全劑作用機(jī)制的神秘面紗將會(huì)被徹底掀開。

04部分商業(yè)化安全劑品種及應(yīng)用

4.1解草酮

解草酮是二氯乙酰胺類安全劑中最重要的商品化成員之一，由CibaGeigy AG（現(xiàn)先正達(dá)）以開發(fā)代號(hào)CGA154281開發(fā)，1988年首次報(bào)告。解草酮本身不具有除草活性。在正常和不利環(huán)境條件下，添加解草酮可提高玉米對(duì)異丙甲草胺、精異丙甲草胺等除草劑的耐藥性，誘導(dǎo)除草劑羥基化，形成GST共軛化合物。異丙甲草胺與解草酮的體積比為30∶1。含解草酮的部分產(chǎn)品信息詳見表2。

4.2解草酯

解草酯屬于雜環(huán)類除草劑安全劑，由CibaGeigyAG（現(xiàn)先正達(dá)）以開發(fā)代號(hào)CGA 185072開發(fā)上市，在谷物苗后使用。1989年首次報(bào)道它可以與炔草酯（ACCase抑制劑）一起使用。解草酯商品化產(chǎn)品1991年第一次在瑞士、南非和智利發(fā)布，美國(guó)在2000年登記了安全劑/除草劑組合產(chǎn)品。解草酯的開發(fā)，可以使小麥、黑麥和黑小麥等谷物對(duì)炔草酯具有優(yōu)秀的耐受性。炔草酯與解草酯的復(fù)配比例通常為4∶1。含解草酯的部分產(chǎn)品信息詳見表3。

4.3吡唑解草酯

吡唑解草酯與解草酯類似，與各種芳氧基苯氧基丙酸類和磺酰脲類除草劑結(jié)合使用，用于防除小麥、黑麥、黑小麥和一些大麥田中雜草。它是由Agrevo（現(xiàn)拜耳作物科學(xué)）以開發(fā)代號(hào)AE F107892開發(fā)，于1999年首次報(bào)道與甲基碘磺隆一起使用，并取代了其前身解草唑。吡唑解草酯于1994年首次登記。吡唑解草酯可用作（精）噁唑禾草靈（例如，Imtrade MaddogSelective Herbicide）、甲基碘磺隆鈉鹽（例如，Hussar?）、甲基二磺?。ɡ?，Atlantis?）、酰嘧磺隆的安全劑。

Imtrade Maddog Selective Herbicide中，精噁唑禾草靈與吡唑解草酯的體積比為11∶3；Hussar?中，甲基碘磺隆鈉鹽與吡唑解草酯的體積比為1∶3；Atlantis?中，甲基二磺隆與吡唑解草酯的體積比為1∶3。除草劑和吡唑解草酯的用量沒有固定比例。一般來說，保證除草劑安全性所需吡唑解草酯的用量為20～100 g a.i./hm2。

吡唑解草酯與除草劑混合使用過程中存在以下問題：

（1）吡唑解草酯對(duì)甲基二磺隆靶標(biāo)雜草節(jié)節(jié)麥具有保護(hù)作用，能夠提高其耐藥性，使甲基二磺隆對(duì)節(jié)節(jié)麥的防效降低。故而成熟的甲基二磺隆制劑配方需加入增效助劑。

（2）化合物在植物體內(nèi)的吸收部位以及傳導(dǎo)方向特異性很強(qiáng)。目前吡唑解草酯是通過莖葉噴霧吸收而發(fā)揮作用，而關(guān)于吡唑解草酯用于作物其他部位是否有效尚未見報(bào)道。

（3）吡唑解草酯原藥熔點(diǎn)50～52℃，屬于低熔點(diǎn)原藥。低熔點(diǎn)原藥制成懸浮劑后易出現(xiàn)分層、固化、懸浮率下降問題。

4.4雙苯噁唑酸

與傳統(tǒng)安全劑相比，雙苯噁唑酸能與更多不同類型的除草劑結(jié)合使用，用于不同的作物。該特質(zhì)擴(kuò)展了雙苯噁唑酸的選擇性與應(yīng)用范圍。雙苯噁唑酸具有使用量低、活性相對(duì)較高、能夠提高除草劑有效應(yīng)用濃度的優(yōu)勢(shì)。

自2002年開始，拜耳公司相繼推出含雙苯噁唑酸系列除草劑產(chǎn)品。Ricestar?，主要組分精噁唑禾草靈和雙苯噁唑酸；Tiller Gold?，主要組分乙氧嘧磺隆和雙苯噁唑酸。主要推廣作物為水稻。Equip?，主要組分甲酰胺磺隆和雙苯噁唑酸；Option?、Maister?，主要組分甲酰胺磺隆、甲基碘磺隆和雙苯噁唑酸；Accent?，主要組分煙嘧磺隆和雙苯噁唑酸；Sortan?，主要組分砜嘧磺隆和雙苯噁唑酸；Realm?，主要組分砜嘧磺隆、硝磺草酮和雙苯噁唑酸；Laudis?、Soberan?，主要組分環(huán)磺酮和雙苯噁唑酸；Auxo?、Hydris?，主要組分環(huán)磺酮、溴苯腈和雙苯噁唑酸；Capreno?，主要組分環(huán)磺酮、噻酮磺隆和雙苯噁唑酸；Resolve?，主要組分砜嘧磺隆、噻吩磺隆和雙苯噁唑酸；Rvulin?，主要組分煙嘧磺隆、硝磺草酮和雙苯噁唑酸；Steadfast?，主要組分煙嘧磺隆、砜嘧磺隆和雙苯噁唑酸。主要推廣作物為玉米。拜耳公司關(guān)于雙苯噁唑酸的專利保護(hù)已于2014年到期。國(guó)內(nèi)煙嘧磺隆與雙苯噁唑酸主流配方中二者的體積比為4∶1～2。

4.5環(huán)丙磺酰胺

環(huán)丙磺酰胺也是拜耳公司2009年開發(fā)的除草劑安全劑。CN103929956A描述了環(huán)丙磺酰胺對(duì)磺酰脲類、氯乙酰苯胺類、環(huán)己二酮類、咪唑啉酮類等除草劑具有明顯解毒作用。CN1658755A報(bào)道了它對(duì)芳族羧酸激素類除草劑具有很好的解毒作用，例如麥草畏、草滅畏等。

環(huán)丙磺酰胺已與多種玉米田除草劑混用。Balance? Flexx、Menrlin Flexx?L、Converge?Flexx，主要組分異噁唑草酮和環(huán)丙磺酰胺；Agengo?、Corvus?、Koloss?，主要組分異噁唑草酮、噻酮磺隆和環(huán)丙磺酰胺；Maister power?，主要組分噻酮磺隆、甲酰胺磺隆、甲基碘磺隆和環(huán)丙磺酰胺；DiFlexx?，主要組分麥草畏和環(huán)丙磺酰胺；DiFlexx?DUO，主要組分麥草畏、環(huán)磺酮和環(huán)丙磺酰胺。

4.6 Metcamifen

Metcamifen（開發(fā)代號(hào)：CGA246783），由先正達(dá)集團(tuán)股份有限公司研發(fā)，已在澳大利亞獲得除草安全劑的批準(zhǔn)登記。Epivio CSorghum Seed Safener (400 g/L metcamifen SC)，登記用作高粱的種子處理劑來保護(hù)其免受除草劑精異丙甲草胺（S-metolachlor）的藥害，制劑用量250 mL/100 kg種子。Metcamifen可以刺激GST的產(chǎn)生，催化還原型谷胱甘肽與農(nóng)藥殘留物結(jié)合，從而達(dá)到解毒作用。高粱種子萌發(fā)產(chǎn)生的GST賦予其耐精異丙甲草胺和土壤中相關(guān)化合物毒害的能力。

蘆志成等報(bào)道稱，metcamifen與磺酰脲類、氯乙酰苯胺類和芳氧基苯氧基丙酸類除草劑一起應(yīng)用會(huì)降低高粱、大豆、玉米、水稻和谷物等作物田除草劑的藥害程度。Metcamifen是以磺胺為中間體，分別與氯甲酰胺、苯甲酰氯反應(yīng)獲得的直接合成產(chǎn)物。合成路線如圖1所示。

05展望

在除草劑新化合物研制周期長(zhǎng)、研發(fā)費(fèi)用持續(xù)走高的時(shí)代背景下，筆者認(rèn)為，科研單位與企業(yè)應(yīng)該投入精力研究完善除草劑安全劑使用技術(shù)，利用除草劑安全劑使老產(chǎn)品擴(kuò)展新用途、煥發(fā)新活力，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型除草劑安全劑。

對(duì)于含有安全劑和除草劑混合物的產(chǎn)品，需要大量的研究開發(fā)工作來確定除草劑和安全劑的比例、用法用量等技術(shù)信息，并在產(chǎn)品標(biāo)簽上注明。該產(chǎn)品的用量應(yīng)既能確保作物安全，又能對(duì)雜草達(dá)到理想防效。如果使用不當(dāng)，比如產(chǎn)品用量低于建議最低值，就存在由于除草劑用量不足對(duì)雜草防效差和因安全劑用量不足對(duì)作物產(chǎn)生藥害的風(fēng)險(xiǎn)。

雙苯噁唑酸、環(huán)丙磺酰胺等安全劑大大提高了煙嘧磺隆等除草劑在玉米田應(yīng)用的安全性，對(duì)玉米田除草劑的市場(chǎng)格局產(chǎn)生了不容忽視的影響。這是利用除草劑安全劑讓老產(chǎn)品煥發(fā)新活力、延長(zhǎng)老產(chǎn)品生命周期的典型案例?，F(xiàn)階段農(nóng)田雜草發(fā)生情況越發(fā)復(fù)雜，區(qū)域性抗性、惡性雜草危害嚴(yán)重，單純依賴開發(fā)全新作用機(jī)制的除草劑解決雜草問題越來越困難。在新化合物研發(fā)頻率下降且都有專利保護(hù)的情況下，添加安全劑讓老藥新用也是解決草害的一種思路。

除草劑安全劑具有廣泛的應(yīng)用與發(fā)展?jié)摿?，?duì)其進(jìn)行深入探索和開發(fā)創(chuàng)制是綜合性研究課題，需要生物技術(shù)與化學(xué)等學(xué)科互相結(jié)合。然而，國(guó)內(nèi)專注除草劑安全劑作用機(jī)制研究、安全劑開發(fā)的科研團(tuán)隊(duì)、企業(yè)力量相對(duì)薄弱。當(dāng)務(wù)之急是在基因?qū)用嫔顚哟窝芯堪踩珓┑淖饔脵C(jī)制，結(jié)合生理生化學(xué)技術(shù)解析除草劑和安全劑對(duì)作物的影響，以此為基礎(chǔ)促進(jìn)新型高效除草劑安全劑的分子設(shè)計(jì)與研發(fā)。