按照防治对象分类,化学农药主要分为除草剂、杀虫剂和杀菌剂等,其中杀菌剂市场最小,品种最少。但随着转基因技术的发展,特别是复合型转基因作物的普及,除草剂和杀虫剂市场受到限制,杀菌剂市场发展迅速,其中以琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase,SDH)为靶标的杀菌剂发展最为迅速。
2016年琥珀酸脱氢酶抑制剂类(SDHIs)杀菌剂的全球销售额为16.91亿美元,占全球农药市场(564.52亿美元)的3.0%,占杀菌剂(包括非作物用杀菌剂)市场(152.68亿美元)的11.1%。2011—2016年其复合增长率最高(23.8%),超过了甲氧基丙烯酸酯类及三唑类等老牌杀菌剂。因此,SDHIs杀菌剂成为备受全球瞩目的“一匹黑马”。
1 SDHIs杀菌剂的发展脉络
靶向琥珀酸脱氢酶的第1个商品化杀菌剂萎锈灵是由美国有利来路(现科聚亚)公司于1969年开发上市的品种,萎锈灵有良好的内吸传导性,一般用于种子处理剂防治禾谷类黑穗病,以及通过叶面喷雾方式防治禾谷锈病。萎锈灵的诞生同时也标志着杀菌剂从保护性杀菌剂向内吸性杀菌剂的方向发展。
1975年美国有利来路公司基于萎锈灵又成功报道了氧化萎锈,主要用于防治锈病。此后,很多公司开始参与其中,如日本组合化学、日本农药、巴斯夫、壳牌(现拜耳)、住友化学、孟山都及先正达等10余家,相继开发出灭锈胺(1981年,日本组合化学)、氟酰胺(1986年,日本农药)、麦锈灵(1986年,巴斯夫)、甲呋酰胺(1974年,壳牌)和呋吡菌胺(1997年,住友化学),但这些品种的杀菌谱均较窄,大多用于种子处理。
1997年,由孟山都公司开发出噻呋酰胺,它具有较强的内吸传导性及较长的持效性,对很多病害都有良好的防治效果,是长久以来被用于防治水稻纹枯病的良药,但其在其他作物病害方面的利用极少,效果也并不显著。噻呋酰胺命途多舛,首次由孟山都研制成功,1994年卖与罗门哈斯并进行生产,2001年罗门哈斯并入美国陶氏益农公司,此后又被日产化学获得,经历了几番变故,同时考虑其成本问题,且水稻纹枯病主要集中在中国和印度,在东南亚地区纹枯病发病并不严重,日产化学对其推广并不成功。因此必须在控制成本的前提下拓宽杀菌谱,争取用于更多作物病害的防治。
2003年由巴斯夫创制的啶酰菌胺横空出世,这也是史上第1个广谱性的SDHIs杀菌剂,仅仅上市2年,销量便以惊人的速率增加,一举步入上亿美元的产品之列。不同于早期开发的萎锈灵,啶酰菌胺杀菌谱很广,几乎对于所有类型的真菌病害都有防效,主要用于防治白粉病、褐腐病、叶斑病、灰霉病、菌核病以及由链格孢菌等引起的病害,并且对其他药剂已产生抗性的菌株也有效。啶酰菌胺具有优异的预防作用,并有一定的治疗效果,2007年便已用于上百种作物上防治多种病害,成为巴斯夫公司炙手可热的产品,即便到了现在,啶酰菌胺的销售额位列前3名,这也一举让巴斯夫成为SDHIs杀菌剂的领头羊。至此,SDHIs杀菌剂家族真正受到全球行业内各大农药公司的广泛关注。
随后巴斯夫公司在对啶酰菌胺进一步优化中又发现了一重磅产品——氟唑菌酰胺(2011年,巴斯夫),它也是SDHIs杀菌剂,具有很好的预防和治疗活性,用于防治广谱的真菌病害,可用于近百种作物,如谷类作物、豆类蔬菜、油料作物和花生等。氟唑菌酰胺具有高效、广谱、持效性强、选择性强等特点,同时还具有优异的内吸传导性,耐雨水冲刷。其于2011年上市,2012年便取得了近1亿美元的销售额,此后销量逐年增加,2015年其销售额也首次超过了啶酰菌胺,达到了3.9亿美元,成为了SDHIs杀菌剂中当之无愧的王者。
巴斯夫公司开创性的研究,使SDHIs得到了空前的发展,此后高效广谱性的SDHIs杀菌剂的发展犹如雨后春笋般涌现,联苯吡菌胺(2011年,拜耳)、氟唑环菌胺(2011年,先正达)、氟唑菌苯胺(2012年,拜耳)、氟吡菌酰胺(2012年,拜耳)、苯并烯氟菌唑(2012年,先正达)、异丙噻菌胺(2015年,日本石原)、氟唑菌酰羟胺(2016年,先正达)、pyraziflumid(2018年,日本农药)及isoflucypram(预计2020年上市,拜耳)等陆续被创制并推向市场。
随着越来越多的科研工作者参与到SDHIs杀菌剂的农药创制中,如今琥珀酸脱氢酶已经是不可忽视的重要杀菌剂靶标。可以预见,未来广谱高效SDHIs杀菌剂必将成为杀菌剂的主导。
2 SDHIs杀菌剂的作用机制
琥珀酸脱氢酶又称线粒体呼吸链复合体Ⅱ,它是三羧酸循环的功能部分,与线粒体电子传递链相连,催化从琥珀酸氧化到延胡索酸和从泛醌还原到醌的偶联反应。SDHIs类杀菌剂就是通过完全或者部分占据底物泛醌的位点,抑制了电子从琥珀酸到泛醌的传递,从而阻断了病原菌的能量代谢,抑制病原菌的生长,导致其死亡,最终达到防治植物病害的目的。
3 SDHIs杀菌剂的抗性
由于靶标的作用位点单一,杀菌剂抗性行动委员会(Fungicides Resistance Action Committee,FRAC)将SDHIs杀菌剂归为中等至高抗性风险,目前已有10多种病原菌对SDHIs杀菌剂存在抗性。表1统计了截至2019年所报道的抗性位点及其物种来源,其中B-H267Y(等位于2FBW中B-H216)是一个抗性频率较高的抗性位点,几乎存在于所有的物种中。
表1 对SDHIs杀菌剂产生抗性的真菌物种、来源及突变体
物种名称 |
报道的寄主 |
来源 |
抗性突变位点 |
玉米黑粉菌 |
玉米 |
实验室 |
B-H257L |
小麦纹枯病 |
小麦 |
实验室 |
B-H246Y、C-H139Y、D-H116Y |
米曲霉 |
酿造用 |
实验室 |
B-H249Y/L/N、C-T90I、D-D124E |
叶枯病菌 |
小麦 |
实验室 |
B-D166G、B-S221P、B-N225I、B-H267Y/R/L、B-I269V、C-A84V、C-H152R、C-T79I、C-N86K、C-G90R、D-D129E/G等 |
叶枯病菌 |
小麦 |
大田 |
B-N225T、B-T268I、C-T79N、C-W80S、C-N86S、C-H152R、C-V166M |
网斑病 |
大麦 |
大田 |
B-H277Y、C-N75S、C-G79R、C-H134R、C-S135R、D-D124N/E、D-H134R、D-D145G |
灰葡萄球菌 |
多种 |
大田 |
B-P225L/T/F、B-H272Y/R/L/V、B-N230I、D-H132R、C-A85V |
椭圆葡萄球菌 |
百合花 |
大田 |
B-H272Y/R |
烟草赤星病菌 |
开心果 |
大田 |
B-H277Y/R、C-H134R、D-D123E、D-H133R |
番茄早疫病菌 |
马铃薯 |
大田 |
B-H277Y/R、D-H133R |
多主棒孢霉 |
葫芦 |
大田 |
B-H278Y/R、C-S73P、D-S89P、D-G109V |
蔓枯病 |
葫芦 |
大田 |
B-H277R/Y |
白粉菌 |
葫芦 |
大田 |
B-H->Y |
白粉菌 |
葡萄 |
大田 |
B-H242R/Y |
菌核菌 |
油菜 |
实验室 |
B-A11V |
菌核菌 |
油菜 |
大田 |
B-H273Y、C-H146R、D-H132R |
黄花菜匍柄霉 |
芦笋 |
大田 |
B-P225L、H272Y/R |
苹果黑星菌 |
苹果 |
大田 |
C-H151R |
草坪草币斑病菌 |
冷季型草坪 |
大田 |
B-H267Y、C-G91R、C-150R |
随着SDHIs杀菌剂的广泛使用,抗性问题必然发生,这也警示我们在农业生产中,必须控制其使用次数及用药方式,以减缓抗性的发生。目前,SDHIs杀菌剂均在同一交互抗性组,随着抗性的逐渐产生,未来可能有些品种还未上市便已产生抗性,这也为未来的设计提出了巨大的挑战。
4 SDHIs杀菌剂未来发展的前景
由于其作用位点单一,抗性风险不断扩大,关于SDHIs杀菌剂的复配产品必将是未来重点之一。此外,SDHIs杀菌剂早期是从防治锈病开始的,其对于担子菌引起的病害防效优异。随着几十年的发展,新型SDHIs杀菌剂的防治已经从担子菌转向了各种病菌,如子囊菌、半知菌等,杀菌谱正在不断扩大。令人遗憾的是,对于卵菌纲的病害,如黄瓜霜霉病、马铃薯晚疫病、辣椒疫霉病等,该类抑制剂均未表现出优异的防效,这或许是未来SDHIs杀菌剂发展的另一重点,这可能需要更加新颖且有别于现有结合模式的结构诞生。 (节选自:《农药学学报》2019年5-6期)
农药快讯, 2020 (4): 46-47.