新的杀菌剂作用机理

新的杀菌剂作用机理钱跃言译(浙江省化工研究院310023)

1引言

由植物疾病引起严重的食品短缺的实例历来很多。病菌造成的减产随作物和地区而变化,通常是10-20%。不过,在有利于真菌生长的条件下,作物的减产将更严重,这对食品的安全和农民的谋生造成威胁。防治病菌的重要性至少从希腊和罗马帝国时代就已被接受。后来发展的各种控制作物损失的途径是基于作物保护技术的建立和更有效的新杀菌剂的研究。例如,古代人知道硫黄喷到大麦上可以防治叶面的病菌,但他们既不理解引起病菌的原因也不知道成功背后的理由。应该冷静地认为,在那种哲学体系中固有的经验论保留了当今杀菌剂开发的一种意义重大的部分。但是,近40年已经证实农药发现是一次革命,这在寻求杀菌作用机理时尤为显然。

2作用机理和特性

发现对重要靶标显示更高杀菌活性的新作用机理,是保证食品安全最关键的一步,并与确定的环境和公共安全相关。这类产品也必须使我们能够控制杀菌剂抗性的发展,以便扩展杀菌剂的利用。但是作用机理本身不是成功的关键。植保公司销售的是生物而不是化学,农民最终购买产品是因为产品防治粉霉病这样的疾病后有好的成本效益,而不是因为产品有新的作用机理或以新化学为基础。工业化目标是提供给用户具有良好试验水平的产品而不是具有新作用机理的产品。当然,理解杀菌剂如何起作用是使用杀菌剂的主要依据,尤其是抗性控制;但是,确定产品是否成功关键是成本效益,而不是创新性的发现。陶氏益农公司(现道农业科学)发现和开发的胍和脒类农药已成为吗啉类农药市场的佼佼者,这是基于充分理解了异构酶碳阳离子中间体作为麦角固醇生物合成通道上靶标点的角色和基于一流的分子修饰。化合物在早期田间试验中不能推广的原因是在温室条件下表现极好药效水平而大量应用于田间时不能标准化。相反,如果诸如物理化学性能的其它因素在病原体和非靶标有机体之间有足够的特性差异,可以证明对到处存在的生物化学过程有活性的化合物在田间条件下照样有用。代森锰锌虽是一只老品种,但能有效地防治危害植物细胞的毒素。不过实际上,因不能被吸收进入植物而具选择性,只限于叶面使用以防治多种真菌。代森锰锌已广泛地作为一种价廉的常用农药使用,将很难在防效好的地区取缔。下面的信息是有关作用机理研究总是受田间试验限制。

新杀菌剂将必须遵守正在增加的这些法规:减少使用费用,降低杀菌剂对非靶标有机体的毒性和保证环境安全,并要满足低投入耕作的趋势和开发新杀菌剂以控制抗性发展的需要;这些是相关的,包含了确认新作用机理的主要标准。

比较那些对真菌生长的防效更一般的产品,活性特别的杀菌剂更容易符合环境安全和低抗性风险的要求。以下两例说明了特别的目标方法如何能使作用机理与试验特性联系起来。

(1)真菌生长阶段

真菌发展的不同阶段由特定生化结果来定性。不同的特殊作用机理可以使杀菌剂分成能使病原体进入寄主之前得到控制、对集群期间的真菌有效、只在真菌最后再生阶段凑效的作用。以更普通过程为靶标的作用,机理对所有生长阶段有潜在的活性,但也可能缺少作物选择性或具有相反的毒理学。许多杀菌剂属于第一类。有趣的是在最近6年里,17只新杀菌剂已在布赖顿植保会议上公布,其中大多数对侵染前的发展阶段有特殊活性。

例如,在某些真菌中黑色素是致病因素,为此开发了抑制附着胞壁内黑色素生物合成的抑制剂,而附着胞壁是有助于侵入寄主的结构。这对侵染来说是重要而特别的要求;如缺乏产生黑色素能力的水稻稻瘟菌的突变异种不会感染稻叶组

文章编号:1006—4148(2000)02-0057-04

织。但后来的真菌发展不依赖于黑色素生物合成,因此具有这种作用机制的杀菌剂被限制作为保护剂。

新的稻纹枯病杀菌剂car p ro p amid (图1)除了产生菌丝体的颜色变化外离体无效。该化合物在两步去羟基反应中抑制黑色素生物合成,两步反应分别是将sc y latone 转变成1,3,8-四羟基萘和vermelone 转变成1,8-二羟基萘。这完全不同于已知的黑色素生物合成抑制剂抑制形成sc y la 2tone 和vermelone 的作用机理。

图1Car p ro p amid

但是,除了黑色素生物合成的抑制外,能以其

它方法阻止形成附着胞而作用机制不明的q uinox y fen 无疑是最引人注目的新保护性杀菌剂之一(图2),它对粉霉病有特殊活性,也可阻碍附着胞形成和寄主侵入。完全缺乏根除性活性和不能抑制广谱真菌菌丝体的离体生长的事实表明,靶标点是真菌早期发展阶段独有的。

图2q uinox y fen

实际上,该化合物低用量时有药效,在气相中可移行,结果提供了均一和长期的控制水平。有抗性的分离菌的已被识别,但其孢子形成能力严重降低甚至完全丧失。遗留的粉霉病菌小贮主的竞争结果是维持了一类“野类”菌群,保证了低抗性风险。

Quinox y fen 也是经常在产品引进和作用机

制确定之间发生一种极好的延迟。苯胺嘧啶类杀菌剂也存在类似情况。很显然,两者都是丰富杀菌剂发现经验的依据。

可抑制孢子萌芽、细胞微管发展和/或寄主侵入的杀菌剂能达到新杀菌剂应有的大部分试验标准。由于靶标点的特性,这些杀菌剂很可能对作物和未受挑战的真菌群具有很高选择性。这种特性也对环境安全的提高和可接受的毒理学提供了吸引人的途径。对真菌未侵染阶段的特殊几步有

活性的产品遭受短期抗性可能比根除剂少,这是菌体内的一种成份幸免于杀菌剂处理和选择压力低之故。St robilurins 是有效的保护剂,但已很快发生抗性。

当然,以不同发展阶段为靶标或对所含代谢过程有活性的其它作用机理将继续产生重要的产品。甾醇生物合成抑制剂(SB Is )对麦角固醇生物合成有活性,这是除藻菌外所有真菌的细胞膜发展的特征。这种活性是它们能广泛应用的基础。由于许多SB Is 在植物中可移行,因此能控制真菌发展的许多阶段,具有保护和根除作用。以高剂量使用时,一些SB Is 能诱导寄主反应(如生长受阻),但是杀菌剂的使用很广,30年后仍将统治全球市场的20%。类似地,根据对复合物Ⅲ内的线粒体电子传递链的作用机理,st robilurins 杀菌剂是广谱产品,但事实上其试验性能决定它在新的和长期的保护剂市场占优势。(2)构型

实际上,生物化学过程对杀菌剂这样的生物活性分子是敏感的,同时分子的对称在许多反应中不是一个绝对的因素。杀菌剂作为围绕一个或多个不对称原子或手性中心的构形混合体存在的地方,立体异构化很重要。这些对映体在它们的生物活动包括副反应方面和活性不同或活性被排除最少的场合有所不同,理论上有机会降低费用和增加利润。如果不活性的对映体在环境中有相反的活性,纯产品因此也将具有更低的风险。

甲霜灵(metalax y l )是一种用于霜霉科的酰胺丙氨酸,

1997

年公布了两种对映体50

:50比例的混合体。利用减少风险的策略可分离其组成,结果于1996年开发了甲霜灵M 。这是杀菌剂产品中第一个对映体构形(图3)。其特性至少与最初的混合体一样,但使用费用减了一半,土壤降解的速度增加两倍多,经连续减少环境负荷提高了其安全性;加之由分离对映体混合物而产生的生物优点,纯产品被登记部门认为具有“降低的风险”,并加速了官方的认可。

图3metalx y l M