氨氯/氯氨/二氯吡啶酸 --吡啶甲酸类除草剂作用机理及场景应用进展

日期:02-26-2024

摘自：《植物保护》吡啶甲酸类除草剂应用研究进展

作者：安楷；林雨婷；陈国奇

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吡啶甲酸类除草剂属合成激素类，目前登记使用的有效成分包括氨氯吡啶酸、二氯吡啶酸和氯氨吡啶酸，分别于1963年、1977年和2005年上市，主要用于阔叶杂草和灌木的茎叶处理防控，其中氯氨吡啶酸具有土壤封闭活性。吡啶甲酸类除草剂的作用靶标仍未明确，有可能来自生长素结合蛋白家族。全世界报道的抗吡啶甲酸类除草剂杂草共涉及7种8个生物型。目前，我国登记的除草剂品种中共有13个复配剂含氨氯吡啶酸和二氯吡啶酸，1个含氨氯吡啶酸、氯氨吡啶酸和二氯吡啶酸；国外登记的吡啶甲酸类除草剂复配剂主要为与其他激素型除草剂、ALS（乙酰乳酸合酶）抑制剂、ACCase（乙酰辅酶A羧化酶）抑制剂的组合。

 

合成激素类除草剂具有吸收和传导性好，杀草谱广、成本低、不易产生抗性等特点，吡啶类除草剂是激素型除草剂的重要分支。吡啶类衍生物包括吡啶甲酸（pyridinecarboxylic acid）和吡啶氧基乙酸（pyridinoxyacetic acid），从结构性质上分析，用吡啶环代替苯环可以带来更好的内吸性，从而大幅提高生物活性，在实际生产中有很高的应用价值。吡啶甲酸类除草剂（图1）主要包括氨氯吡啶酸（picloram，5-amino-3,4,6-trichloropicolinic acid），二氯吡啶酸（clopyralid，3,6-dichloropicolinic acid）和氯氨吡啶酸（aminopyralid，5-amino-3,6-dichloropicolinic acid）。氨氯吡啶酸于1963年由道化学公司研制，具有较强的内吸活性和较长的持效性，但其较长的持效性容易影响下茬作物的正常种植，导致氨氯吡啶酸的应用受限。氯氨吡啶酸于2005年由美国陶氏益农公司研制，具有高效性和选择性，易被植物的茎、根快速吸收，引起植物生长停滞并导致死亡。二氯吡啶酸于1977年由道化学公司研制，其在植物体内传导时具有较好的持久性，二氯吡啶酸的除草机制主要是刺激植物产生过量的核糖核苷酸，最终破坏维管束组织，导致植物死亡。吡啶氧基乙酸类代表性除草剂包括三氯吡氧乙酸（triclopyr，3,4,6-trichloro-2-pyridyloxyacetic acid）和氯氟吡氧乙酸（fluroxypyr，4-amino-3,5-dichloro-6-fluoro-2-pyridyloxyacetic acid），分别于1975年和1983年上市；这类除草剂中的最新代表是两种吡啶甲酸酯类活性成分，即2014年上市，2015年引入我国的氟氯吡啶酯（halauxifen-methyl）和2016年上市，2018年引入我国的氯氟吡啶酯（florpyrauxifen-benzyl）。

图1 吡啶甲酸、氨氯吡啶酸、二氯吡啶酸、氯氨吡啶酸结构

 

1、吡啶甲酸类除草剂的作用机理

 

作为激素类除草剂中的一类，吡啶甲酸类除草剂的作用靶标仍然未明确。研究表明，抗氨氯吡啶酸与二氯吡啶酸的基因分别由不同的单基因控制，且基因所处位置紧密相连。如图2所示，激素类除草剂分子被植物体内的生长素受体TIR1/AFB （transport inhibitor response 1/auxin signalling F-box）识别，诱导TIR1/AFB与IAA及Aux/IAA转录抑制蛋白（transcriptional repressor proteins）结合，并进一步与SCF（E3泛素连接酶复合体，含Skp1，cullin，F-box 3个亚基）结合，形成SCFTIR1/AFB-生长素-Aux/IAA复合体，使Aux/IAA转录抑制蛋白被泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome pathway）降解。Aux/IAA转录抑制蛋白缺失导致转录激活蛋白（auxin response factors，ARFs）抑制状态取消，促进下游9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶（9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase，NCED）和1-氨基环丙烷羧酸合成酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase，ACS）的mRNA转录。过量的ACS mRNA促使植物茎组织中ACS过表达，导致过量的S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine，SAM）转化为乙烯，过量乙烯致使叶片向下卷曲、组织膨胀并抑制激素向外转运。同时，积累的激素导致茎水平方向卷曲。细胞膨胀过程中伴随快速的激素诱导的离子流现象，推测是由膜结合生长素结合蛋白1（membrane-bound auxin-binding protein 1，ABP1）介导。过量转录的NCED mRNA促使NCED过表达，NCED催化叶黄素裂解导致黄质醛（xanthoxin）和ABA的合成增加。同时乙烯刺激NCED转录后活化，导致持续地合成ABA;ABA在植株内扩散并介导气孔关闭，进而限制蒸腾作用和C同化，并伴随活性氧自由基（reactive oxygen species， ROS）过量积累。并且，ABA直接抑制细胞分裂和生长，并与乙烯一起推动叶片衰老，表现为叶绿体、膜结构和维管完整性被破坏，最终导致生长被抑制、组织坏死及植株枯亡。在敏感的禾本科植物中氰化物积累导致的植物毒性是二氯喹啉酸刺激乙烯生物合成中的副产品。许多研究表明，杂草对激素类除草剂吸收和转运效率下降，以及抑制除草剂处理后乙烯生物合成均可导致抗药性。

 

 

图2 激素类除草剂可能的作用机理   

 

不同的激素类除草剂活性成分的作用靶标和作用机制不尽相同。有研究发现抗氨氯吡啶酸杂草对三氯吡氧乙酸和2,4-滴无交互抗性，但对二氯吡啶酸、氯氟吡氧乙酸、麦草畏有交互抗性。另一份研究发现，抗氨氯吡啶酸的长刺矢车菊Centaurea solstitialis对三氯吡氧乙酸和2，4-滴有交互抗性，但对麦草畏依旧敏感。Kathare等鉴定到一个拟南芥Arabidopsis thaliana株系高抗氨氯吡啶酸，但对其他供试激素类除草剂均敏感；Walsh等的研究也发现拟南芥中存在对不同激素分子具有特异性的信号通路。De Queiroz等对一个抗2,4-滴的苏门白酒草Erigeron sumatrensis种群进行检测，发现其对麦草畏、氯氟吡啶酯、氯氟吡氧乙酸、氟氯吡啶酯、三氯吡氧乙酸、氨氯吡啶酸等激素类除草剂均敏感。

 

2、吡啶甲酸类除草剂的登记应用场景

 

氨氯吡啶酸在我国登记于多种作物田、非耕地、森林及草坪，治理一年生阔叶杂草及小型灌木，如刺儿菜Cirsium arvense var. integrifolium、密花香薷Elsholtzia densa、苣荬菜Sonchus wightianus、藜Chenopodium album、猪殃殃Galium spurium、紫茎泽兰Ageratina adenophora、飞机草Chromolaena odorata、三叶鬼针草Bidens pilosa等。主要剂型有水剂和可溶液剂。杨卫东等的研究表明，24%氨氯吡啶酸水剂有效成分用量1200～3600 g/hm²，对林地一年生及多年生阔叶杂草防效可达90%以上，对灌木防效达70%以上。同时，在花器官发育期施用25 g/hm²的氨氯吡啶酸水剂可以影响菊科杂草紫茎泽兰有性生殖，从而抑制其来年生长，且对三叶鬼针草具有一定的土壤封闭活性。

氯氨吡啶酸在我国登记于禾本科草原牧场治理恶性阔叶类杂草，主要包括无鞘橐吾Vickifunkia narynensis、天山假狼毒Diarthron tianschanicum、准噶尔乌头Aconitum soongaricum、黄花棘豆Oxytropis ochrocephala、白喉乌头Aconitum leucostomum等，其可有效提高禾本科牧草的产量及繁殖效率。其主要应用剂型为水剂、可溶液剂。此外，研究发现，氯氨吡啶酸也可用于降低草坪草制种田中禾本科杂草多花黑麦草Lolium multiflorum结实种子粒重、活力及萌发速率，并对毛果茄Solanum viarum具有土壤封闭活性。

二氯吡啶酸在我国登记于小麦、水稻、玉米及油菜田等治理阔叶杂草且对后茬作物比较安全主要剂型为水剂、可溶粒剂、可溶液剂及可溶粉剂。二氯吡啶酸可有效控制油菜田及胡麻田中刺儿菜、玉米田中苣荬菜、草地风毛菊Saussurea amara、丝路蓟Cirsium arvense、藜、大巢菜Vicia sativa、稻槎菜Lapsanastrum apogonoides等阔叶杂草。

 

通过查阅农药信息网数，我国登记含氨氯吡啶酸的复配除草剂品种主要为：氨氯吡啶酸+二氯吡啶酸（PD20180283）、氨氯吡啶酸+氯氨吡啶酸+二氯吡啶酸（EX20220114）、氨氯吡啶酸+二氯吡啶酸+草除灵（PD20212603）、氨氯吡啶酸+二氯吡啶酸+烯草酮（PD20200969）、氨氯吡啶酸+氯氟吡氧乙酸异辛酯（PD20150255）、氨氯吡啶酸+2，4-滴（PD20150686）。含氯氨吡啶酸复配除草剂品种主要为：氨氯吡啶酸+氯氨吡啶酸+二氯吡啶酸（EX20220114）。二氯吡啶酸复配除草剂品种主要为氨氯吡啶酸+二氯吡啶酸（PD20183258）、氨氯吡啶酸+二氯吡啶酸+草除灵（PD20212603）、氨氯吡啶酸+二氯吡啶酸+烯草酮（PD20183820）、二氯吡啶酸+烟嘧磺隆+莠去津（PD20182761）、二氯吡啶酸+2，4-滴（PD20131085）、二氯吡啶酸+烯草酮（PD20132535）、二氯吡啶酸+烯草酮+草除灵（PD20140604）、二氯吡啶酸+乙氧氟草醚（PD20180513）、二氯吡啶酸+硝磺草酮（PD20172702）。

 

通过查阅美国国家环境保护局数据库，含氨氯吡啶酸的复配登记除草剂类型主要包括：氨氯吡啶酸+2，4-滴、氨氯吡啶酸+氯氟吡氧乙酸、三氯吡氧乙酸+氨氯吡啶酸+氯氨吡啶酸。含二氯吡啶酸的复配登记除草剂类型主要包括：唑嘧磺草胺+二氯吡啶酸、唑嘧磺草胺+二氯吡啶酸+乙草胺、氟氯吡啶酯+二氯吡啶酸+氯氟吡氧乙酸、二氯吡啶酸+2，4-滴、二氯吡啶酸+2甲4氯、二氯吡啶酸+三氯吡氧乙酸、二氯吡啶酸+氯氟吡氧乙酸+啶磺草胺。含氯氨吡啶酸的复配登记除草剂类型主要包括：氯氨吡啶酸+三氯吡氧乙酸、氯氨吡啶酸+甲磺隆、氯氨吡啶酸+2，4-滴、三氯吡氧乙酸+氨氯吡啶酸+氯氨吡啶酸、氯氟吡啶酯+氯氨吡啶酸。

 

因此，目前生产中使用的吡啶甲酸类除草剂复配剂以与其他激素型除草剂复配产品为主，并有与ALS（乙酰乳酸合酶）抑制剂、ACCase（乙酰辅酶A羧化酶）抑制剂的混配剂型。

 

3、吡啶甲酸类除草剂在抗性杂草治理中的应用研究进展

 

Fernandez等的研究发现，在抗草甘膦银胶菊Parthenium hysterophorus种群的治理中，氯氨吡啶酸对银胶菊的控制率可达100%;二氯吡啶酸的控制率为89%～98%。Patton等发现二氯吡啶酸可以有效防控对2,4-滴存在抗性的长叶车前Plantago lanceolata种群，证明2,4-滴与二氯吡啶酸之间无交互抗性。Aves等的研究发现，二氯吡啶酸可用于治理对草甘膦、氯磺隆、甲磺隆等除草剂具有多抗性的野塘蒿Erigeron bonariensis种群。Aulakh等的研究发现二氯吡啶酸可用于治理对草甘膦及ALS类除草剂具有多抗性的长芒苋Amaranthus palmeri。吡啶甲酸类除草剂也可用于抗2,4-滴、麦草畏、草甘膦等除草剂的杂草种群的治理，以及通过切割乔木形成层施药来对乔木进行防控。

 

4、杂草对吡啶甲酸类除草剂抗药性情况

 

到目前为止，国际抗性杂草数据库中记录的抗吡啶甲酸类除草剂杂草共7种8个生物型（表1）;其中抗氨氯吡啶酸杂草共3种3个生物型，抗二氯吡啶酸杂草共3种3个生物型，抗氯氨吡啶酸杂草共5种6个生物型。截至2022年11月11日氨氯吡啶酸、二氯吡啶酸、氯氨吡啶酸分别已上市使用了59年、45年、17年，因此，这3种除草剂的抗药性风险低。

 

通过检索WOS数据库，发现仅有4篇研究论文报道了对吡啶甲酸类除草剂存在交互抗性的杂草，分别为抗氨氯吡啶酸的长刺矢车菊对二氯吡啶酸存在交互抗性;抗麦草畏的藜对氨氯吡啶酸、氯氨吡啶酸和二氯吡啶酸具有交互抗性;抗2,4-滴的蔓菁Brassica rapa对二氯吡啶酸、麦草畏、氨氯吡啶酸存在交互抗性；抗二氯吡啶酸的斑点矢车菊Centaurea stoebe种群对氨氯吡啶酸存在较强的交互抗性，对氯氨吡啶酸存在较弱的交互抗性。

 

表1 国际抗性杂草数据库中记录的抗吡啶甲酸类除草剂杂草

 

由于氨氯吡啶酸、二氯吡啶酸、氯氨吡啶酸的分子靶标仍然不明，相关的杂草抗性机理无法准确阐明。Horsman等研究转基因抗氨氯吡啶酸烟草Nicotiana tabacum发现，与野生型烟草相比抗性烟草吸收氨氯吡啶酸后药剂在处理叶片上较多，但在顶端分生组织中较少；然而二氯吡啶酸在抗性烟草的叶片和顶端分生组织中的积累量与野生型烟草无显著差异；由此可见氨氯吡啶酸和二氯吡啶酸虽然结构相似，但其在植物体内的转运途径存在差异。Ghanizadeh等研究发现对麦草畏存在抗性的黎种群对二氯吡啶酸和氯氨吡啶酸存在交互抗性，但其对2，4-滴和2-甲-4-氯丙酸不存在交叉抗性。Valenzuela-Valenzuela等发现华盛顿州非耕地牧场中的长刺矢车菊具有氨氯吡啶酸和二氯吡啶酸交互抗性背景，对氨氯吡啶酸抗性种群（R）和氨氯吡啶酸易感种群（S）的研究显示，2 h内R种群与S种群对二氯吡啶酸的吸收量和转化量无显著差异，96 h后R种群比S种群代谢更多的二氯吡啶酸，这表明除草剂代谢可能在交互抗性中起作用。此外，有研究报道高抗二氯吡啶酸的Soliva sessilis对麦草畏具有中抗性，但不抗氨氯吡啶酸。

 

5、总结与展望

 

综上所述，吡啶甲酸类除草剂广泛用于各类作物或非耕地场景防控阔叶杂草或灌木，氨氯吡啶酸、二氯吡啶酸、氯氨吡啶酸尽管已在全世界广泛应用了40多年，全世界关于抗吡啶甲酸类除草剂杂草的报道相对稀少。因此，该类除草剂仍然具有较好的应用前景，我国登记的吡啶甲酸类除草剂种类目前仍较少，相关的复配应用研究仍可拓展。

 

3种吡啶甲酸类除草剂氨氯吡啶酸、二氯吡啶酸、氯氨吡啶酸在主要应用场景下对常见杂草的敏感性仍需系统研究检测，以便于更好地开发实用复配剂型。另一方面，尽管我国尚未有关于抗吡啶甲酸类除草剂杂草种群的报道，然而生产中该类除草剂药效欠佳的情况屡见不鲜，系统检测该类除草剂主要靶标杂草种群的抗药性也亟须开展。