新型双酰胺类杀虫剂——溴虫氟苯双酰胺
发布日期:2022-11-25 信息来源:《农药学学报》第4期 作者:武汉工程大学 化工与制药学院,新型反应器与绿色化学工艺湖北省重点实验室,绿色化工过程教育部重点实验室 宋璐璐 艾大朋 巨修练 刘根炎*

 

       传统的双酰胺类杀虫剂一般以昆虫鱼尼丁受体(ryanodine receptorRyR)为主要靶标。杀虫剂通过与昆虫RyR结合,激活害虫钙离子通道,引起细胞内钙离子过度释放,使肌肉细胞丧失收缩功能,进而出现乏力、反胃和肌肉瘫痪等症状,直至死亡。这类杀虫剂作用机制独特,对昆虫RyR选择性高,表现出较高的杀虫活性和长期的控制效果,且与其他类型杀虫剂无交互抗性,加之对哺乳动物低毒,因而被广泛应用。目前,已商品化的作用于RyR的双酰胺类杀虫剂主要有氟苯虫酰胺(flubendiamide)、氯虫苯甲酰胺(chlorantraniliprole)、溴氰虫酰胺(cyantraniliprole)、四氯虫酰胺(tetrachlorantraniliprole)、环溴虫酰胺(cyclaniliprole)和四唑虫酰胺(tetraniliprole)(图1)。


作用于鱼尼丁受体的双酰胺类杀虫剂

       从结构上看,这类杀虫剂均含有邻苯二甲酰胺或邻酰胺基苯甲酰胺的结构。氟苯虫酰胺是首例被报道作用于RyR的杀虫剂,于1998年由日本农药株式会社发现,后于2001年与德国拜耳公司联合开发,随后美国杜邦公司又相继开发出氯虫苯甲酰胺和溴氰虫酰胺。然而,随着人们对环保的日益重视及害虫出现抗药性等问题,传统的双酰胺类杀虫剂面临的问题也接踵而至。氟苯虫酰胺因对水生生物毒性高,中国已撤销了其在水稻作物上的登记许可,目前已被禁止在水稻作物上使用;氯虫苯甲酰胺和溴氰虫酰胺也因害虫对其产生抗性等问题而被限制使用。因此,寻找高效、低毒、环境友好且作用机制新颖的新型杀虫剂已成为迫切需求。

       新型双酰胺类杀虫剂溴虫氟苯双酰胺(broflanilide)于2019年上市(图2),由于其具有高效、广谱、作用机制新颖等特点被广泛关注,其合成方法及类似物的研究等已有相关文献报道。本文主要从结构类型、研发历程及登记情况、杀虫活性、作用机制、安全性与代谢残留等方面对溴虫氟苯双酰胺的研究现状进行综述。


双酰胺类杀虫剂上市时间

溴虫氟苯双酰胺研发历程及登记情况

       1998年,日本农药公司发现了氟苯虫酰胺(flubendiamide,研发代号:NNI-0001,图式1),其结构不同于之前所有的农化产品,包含一个间苯二甲酰胺结构,对不同鳞翅目害虫具有较高的杀虫活性。从2002年起,三井化学公司Katsuta等以氟苯虫酰胺为先导,发现了一系列对鳞翅目害虫具有高杀虫活性的化合物,与氟苯虫酰胺的邻苯二甲酰胺结构相比,这些化合物均含有间苯二酰胺结构。研究表明,这些化合物使害虫产生的中毒症状完全不同于氟苯虫酰胺,由此推测其作用机制可能发生了改变,随后通过进一步结构优化,于2010年发现了一种高效广谱的新型双酰胺类杀虫剂:溴虫氟苯双酰胺(broflanilide,图式2)。溴虫氟苯双酰胺的化学名称为2--2--3-(N-甲基苯甲酰氨基)-4-[1,2,2,2-四氟-1-(三氟甲基)乙基]-6-(三氟甲基)苯甲酰苯胺,试验代号MCI-8007CAS登录号1207727-04-5。其在昆虫体内代谢为去甲基-溴虫氟苯双酰胺(DMBF,图3),作用于抗狄氏剂(resistant to dieldrinRDLγ-氨基丁酸(GABA)受体后表现出杀虫活性。此外,它能有效解决害虫对氯虫苯甲酰胺、氟虫腈等其他杀虫剂的抗性问题。


溴虫氟苯双酰胺和去甲基-溴虫氟苯双酰胺的结构

       20183月,三井化学公司的溴虫氟苯双酰胺在日本获得登记,用于白蚁防治的土壤处理剂,并于201911月在日本上市。20191219日,巴斯夫公司的溴虫氟苯双酰胺原药在澳大利亚农药兽药管理局获得登记,这是巴斯夫公司的溴虫氟苯双酰胺在全球的首个登记。随后溴虫氟苯双酰胺陆续在日本、加拿大、中国和美国获得登记,具体如表1所示。

溴虫氟苯双酰胺在全球的登记情况

       注:*商品格力高®用药量(制剂量/0.067 hm2):黄曲条跳甲(1416 mL/0.067 hm2)、小菜蛾(710 mL/0.067 hm2);商品芙利亚®、爱利可多®用药量(制剂量/0.067 hm2):甜菜夜蛾、小菜蛾(2030 mL/0.067 hm2)。

杀虫活性

       溴虫氟苯双酰胺对鳞翅目和鞘翅目昆虫,如斜纹夜蛾Spodoptera litura、茶小卷叶蛾Adoxophyes honmai、黄曲条跳甲Phyllotreta striolata、小菜蛾Plutella xylostella、二化螟Chilo suppressalis和稻纵卷叶螟Cnaphalocrocis medinalis等都具有较好的杀虫活性,尤其对鳞翅目害虫表现出较高的杀幼虫活性,可使害虫出现呕吐及强烈兴奋等症状。由于其对叶类蔬菜和谷物上常见的鳞翅目、鞘翅目害虫和白蚁等表现出较高的杀虫活性,可广泛用于相关农作物。此外,溴虫氟苯双酰胺还可用作种子处理剂,并对蚂蚁、蟑螂和苍蝇等有很好的杀灭活性,同时对西花蓟马Frankliniella occidentalis、菜青虫Pieris rapae、黑刺粉虱Aleurocanthus spiniferus和小贯小绿叶蝉Empoasca onukii等昆虫均具有杀虫活性。

       研究表明,溴虫氟苯双酰胺对小菜蛾的杀虫活性与氯虫苯甲酰胺相当,两者的LC50值分别为0.042 mg/L0.056 mg/L。此外,亚致死剂量的溴虫氟苯双酰胺能诱导小菜蛾体内羧酸酯酶活性升高,但对多功能氧化酶和谷胱甘肽S-转移酶的活性没有显著影响。该研究结果对于合理使用溴虫氟苯双酰胺和减缓害虫对其产生抗性具有积极意义。Sun等经过10代筛选,发现小菜蛾对溴虫氟苯双酰胺无明显抗性,实现遗传力h2=0.033,且CYP450单加氧酶、酯酶和谷胱甘肽S-转移酶等重要解毒酶的比活性无明显变化,表明小菜蛾对其产生抗性的风险较低。

       徐赛等采用室内点滴法测定了溴虫氟苯双酰胺对水稻上主要害虫的活性,发现其对二化螟和稻纵卷叶螟均具有良好的杀虫活性,分别比氟苯虫酰胺的活性高1.491.61倍,而对褐飞虱Nilaparvata lugens的杀虫活性较低(表2)。

溴虫氟苯双酰胺对水稻主要害虫的室内杀虫活性


       此外,采用叶面喷雾法施药发现,溴虫氟苯双酰胺对二化螟和稻纵卷叶螟具有较好的田间防治效果,其保苗效果、保叶效果和杀虫活性均高于对照组(表3),而对稻田天敌蜘蛛和黑肩绿盲蝽Cyrtorhinus lividipennis均无显著杀伤作用。由于氟苯虫酰胺已被禁止在稻田使用,而溴虫氟苯双酰胺对水稻害虫二化螟和稻纵卷叶螟表现出更好的杀虫活性,因而有望替代氟苯虫酰胺用于在水稻作物上对害虫的防治。

溴虫氟苯双酰胺对二化螟和稻纵卷叶螟的田间防效


       Tang等采用喷雾法证实了100 g/L溴虫氟苯双酰胺悬浮剂对棉铃虫Helicoverpa armigera幼虫和甜菜夜蛾Spodoptera exigua幼虫均具有很好的防治效果。室内杀虫活性测试结果表明,在1.25 mg/L的低浓度下,溴虫氟苯双酰胺对小菜蛾、黏虫Mythimna separata的致死率仍可达到100%。此外,室内测定表明,溴虫氟苯双酰胺对蚕豆蚜虫Aphis fabae和黏虫均具有较高活性,优于溴氰虫酰胺(表4)。

溴虫氟苯双酰胺与溴氰虫酰胺对蚜虫与黏虫的杀虫活性


       研究表明,使用亚致死浓度的杀螨剂可能导致害虫增加而非减少。Shen等研究研究发现溴虫氟苯双酰胺对二斑叶螨卵和成年雌虫的LC5024 h)分别为1.105 mg/L2.062 mg/L,表明其对二斑叶螨具有较好的杀螨活性。此外,首次评估了溴虫氟苯双酰胺对螨类的亚致死效应(表5),发现在亚致死浓度下其对二斑叶螨Tetranychus urticae的繁殖能力具有明显的抑制作用。以上研究证明,溴虫氟苯双酰胺具有作为农用杀螨剂的潜在用途。

二斑叶螨卵和成年雌虫暴露在亚致死浓度溴虫氟苯双酰胺下对其寿命和繁殖能力的影响


       溴虫氟苯双酰胺对蚊虫的杀灭活性引起了研发人员的兴趣。2020年,Lees等通过实验室试验首次证明了溴虫氟苯双酰胺对病媒蚊子的效力,其可杀灭成年伊蚊Aedes、按蚊Anopheles及已经对目前用于病媒控制的杀虫剂产生抗性的虫种。Snetselaar等证实了溴虫氟苯双酰胺的改良产品50%溴虫氟苯双酰胺可湿性粉剂(broflanilide 50% WP,商品名VECTRON T500)对敏感蚊和耐拟除虫菊酯蚊均有效,并与拟除虫菊酯之间不存在交互抗药性,且可延长药效持续时间。Ngufor等通过田间试验证实,在有效成分100 mg/m2150 mg/m2的施药剂量下,溴虫氟苯双酰胺对耐拟除虫菊酯野生按蚊的致死率均很高。溴虫氟苯双酰胺对病媒蚊子及抗药性蚊子均具有高的杀灭活性,这使其在公共卫生防治方面具有潜在的应用价值,为预防蚊虫提供了新的可能。以上研究表明溴虫氟苯双酰胺是一种广谱杀虫剂,可用于多种害虫的防治(表6)。

溴虫氟苯双酰胺的杀虫谱及活性


作用机制

       作用于昆虫RyR的氟苯虫酰胺包含一个邻二酰胺结构,而对其结构进行优化后发现的溴虫氟苯双酰胺则包含一个间二酰胺结构,酰胺位置的改变导致了该类化合物的构象发生较大变化,导致其作用靶标发生了改变(图4)。研究表明,溴虫氟苯双酰胺是GABA门控氯离子通道(又称为离子型GABA受体)变构调节剂,主要作用于该离子通道上一个独特的结合位点,抑制氯离子向细胞内传递,导致昆虫过度兴奋或痉挛,从而显示出快速的杀虫活性。2017年,溴虫氟苯双酰胺被国际杀虫剂抗性行动委员会(IRAC)指定为新类别:Group 30(作用机制:离子型GABA受体变构调节剂;化学类别:间二酰胺&异噁唑啉)。


溴虫氟苯双酰胺的发现过程及作用模式转变

       研究表明,溴虫氟苯双酰胺的体内代谢产物DMBF的作用位点位于黑腹果蝇Drosophila melanogaster RDL GABA受体(RDLRM3区的G336处或其附近,抑制氯离子的渗透和GABA诱导的神经活动,导致昆虫过度兴奋和死亡。DMBF与谷氨酸门控氯离子通道变构调节剂(大环内酯类杀虫剂)作用位点有所重叠,但作用模式有很大差别。此外,DMBF的作用模式也不同于其他离子型GABA受体的非竞争性拮抗剂,如狄氏剂、氟虫腈、林丹和α-硫丹等。作用模式的差异可能是导致溴虫氟苯双酰胺对抗性害虫仍然具有高活性的重要原因,从作用模式的研究入手可为后续新型杀虫剂的研发提供一定的理论基础。

       RDL亚基TM2结构域中的A2NA2SR0Q突变是害虫抗氟虫腈的主要原因。DMBF的结合位点与第1代和第2代非竞争性拮抗剂(结合在RDLR5TM2s形成的离子通道孔内)不同,被认为是结合在相邻亚基的TM1-TM3口袋中,其结合位点的明显差异使得溴虫氟苯双酰胺对携带A2突变的抗环戊二烯和抗氟虫腈害虫有效。此外,溴虫氟苯双酰胺对离子型GABA受体中携带A2SA2GA2N突变的敏感型和耐药型生物的杀虫活性无明显差异。溴虫氟苯双酰胺的作用位点为已知靶标的新位点,使其对抗药性害虫具有较好的杀灭活性,有望在害虫抗药性管理中发挥重要的作用。研究表明,DMBF对斜纹夜蛾RDLRIC50值为1.3 nM,与人GABA-A型受体(GABAARα1β2γ2、大鼠GABAARα1β3γ2和人甘氨酸受体(GlyRα1β相比(表7),DMBF对昆虫RDLR表现出更高的选择性。因此,溴虫氟苯双酰胺对人类和其他哺乳动物相对安全无毒,这种特性使其在使用上具有更高的安全性。

7  DMBF和氟虫腈对哺乳动物GABAARGlyR的拮抗活性


       溴虫氟苯双酰胺杀虫活性高,选择性良好,对抗性害虫有效,可广泛用于对现有杀虫剂具有抗性的害虫,是一种极具市场前景的杀虫剂。Nakao等曾报道,黑腹果蝇RDLRG227M的突变使DMBF的抑制活性消失,I218FL222C突变也将DMBF的抑制活性减弱了6倍,表明这些突变附近可能是DMBF的结合位点。为了探究DMBF对昆虫RDLR更详细的作用模式,Gao等通过分子模拟研究预测了RDLRG277DMBF之间形成的氢键可能是维持DMBF拮抗活性的关键相互作用之一。在作用于G277突变体时,结合位点的改变和亲和力的降低均可能导致DMBF活性降低。DMBF对昆虫RDLR的相互作用模式尚不十分明确,这一发现可为继续研究DMBF的详细作用模式提供新的参考。

安全性与代谢残留研究

       溴虫氟苯双酰胺结构中含有12个卤素原子,具有较高的油水分配系数,容易在动植物体内的脂质中积累,而其代谢物与其具有相似化学结构,因此溴虫氟苯双酰胺对各种生物的毒性研究也不容忽视。研究表明,99.68%溴虫氟苯双酰胺原药对大鼠急性经口(LD502,000 mg/kg),急性经皮(LD505,000 mg/kg),毒性均较低,对兔皮肤、眼睛无刺激性,未观察到其对哺乳动物免疫毒性、遗传毒性和神经毒性,无致畸性,对繁殖无影响。此外,溴虫氟苯双酰胺对某些水生生物的毒性较低(表8)。但已有研究表明,溴虫氟苯双酰胺对斑马鱼Danio rerio具有一定的威胁。Jia等研究发现,溴虫氟苯双酰胺对斑马鱼的急性毒性较低(LC50 (96 h)10 mg/L),但表现出中等生物富集能力,即使在环境浓度较低的情况下,长期接触溴虫氟苯双酰胺也可能影响斑马鱼代谢从而引起慢性毒性。此外,Duan等研究发现,溴虫氟苯双酰胺对斑马鱼胚胎的生长发育尤其是心脏发育有着不利的影响,且能诱导胚胎凋亡。目前,关于溴虫氟苯双酰胺对鱼类的毒性以及作用机制的研究是相对较少的,其对鱼类等水生生物的毒性研究应该引起足够的重视,进一步研究溴虫氟苯双酰胺对水生生物的毒理学作用,有助于为其合理使用、减少不良毒理作用等方面提供一定的参考。

溴虫氟苯双酰胺对水生生物的毒性


       作为农药,溴虫氟苯双酰胺在土壤、水和作物中的代谢残留分析也尤为重要。近年来,研究人员对溴虫氟苯双酰胺及其2种代谢物(S(PFH-OH)-8007DM-8007,图5)的代谢残留进行了研究。


5  S(PFH-OH)-8007DM-8007结构

       2018年,An等首次报道了中国5种不同类型典型土壤(红壤、黑土、潮土、褐土和水稻土)中溴虫氟苯双酰胺及其2种代谢物的农药残留分析方法。结果表明,在5种土壤中3种化合物的平均回收率为85.3%111.8%,相对标准偏差小于13.6%3种化合物的定量限均为0.1 μg/kg,该方法的建立为后续溴虫氟苯双酰胺及其代谢物的残留研究奠定了基础。Xie等验证了一种可对土壤样品中溴虫氟苯双酰胺进行检测的方法,通过该方法对4个土壤样品(采集于中国不同区域农田表层)进行检测,结果表明,除富含有机质的黑土外,溴虫氟苯双酰胺在农业系统土壤中均具有中等或高的流动性,对地下水和地表水构成一定的威胁。因此,进一步研究溴虫氟苯双酰胺在水稻环境中的毒理学效应是非常必要的。Xie等开发了一种有效检测溴虫氟苯双酰胺残留量的方法,并对稻田水、水稻土和水稻秸秆中的溴虫氟苯双酰胺残留消解动态进行了研究。结果表明,收获时稻田土壤、稻秆及稻壳样品中均未检测到溴虫氟苯双酰胺残留量或检测结果低于定量限。此外,对于溴虫氟苯双酰胺在农作物和食品中的残留分析方法的研究也不容忽视。QuEChERS方法是目前广泛应用的农药残留分析样品前处理方法,Noh等以该方法为基础,采用柠檬酸缓冲液提取样品,改变分散固相萃取(d-SPE)技术中吸附剂的组成,使用25 mg伯仲胺(PSA)和其它吸附剂(C18、石墨化炭黑)混合,建立了一种快速高效测定不同作物(糙米、大豆、苹果、青椒、桔子等)中溴虫氟苯双酰胺及其2种代谢物残留量的方法。结果表明,该方法基质效应低(-18.3%18.8%),农药残留回收率均在70%120%之间,可用于不同作物中溴虫氟苯双酰胺及其代谢物的残留检测。目前,对于溴虫氟苯双酰胺及其代谢物在农作物食品中的残留还处于研究阶段,不同的农作物和食品可能需要不同的残留分析方法,有必要继续开发多种分析方法。已有的研究结果表明,溴虫氟苯双酰胺在水稻环境以及部分农作物食品中残留量较低,有望在农业中广泛使用。

总结与展望

       杀虫剂在我国农业、林业和公共卫生害虫防治方面都发挥着重要的作用。有机磷类、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类、烟碱类和大环内酯类等杀虫剂曾被广泛使用,由于其本身的毒性、害虫产生抗药性或对环境的生态毒性等原因,这些杀虫剂相继被限用或淘汰。双酰胺类杀虫剂的发现是杀虫剂研究领域的重要里程碑。自首个作用于RyR双酰胺类杀虫剂被发现以来,国内外学者对其开展了广泛的研究,并取得了很好的进展,发现了很多高活性先导化合物。

       新型双酰胺类杀虫剂溴虫氟苯双酰胺是以氟苯虫酰胺为先导,通过结构优化而成功研发的,两者在结构上具有一定相似性,但双酰胺结构从邻位到间位的改变及对部分结构进行修饰后,导致作用靶标发生了改变,这为未来新型杀虫剂的研发提供了很好的思路。此外,溴虫氟苯双酰胺的作用位点独特,进一步明确其详细的作用模式可为开发新型、高选择性杀虫剂提供更多的理论依据。因其独特的作用机制,溴虫氟苯双酰胺与现有杀虫剂无交互抗性,可被用于抗药性害虫种群的防治,为解决害虫对传统杀虫剂的抗性问题提供了新的选择。此外,溴虫氟苯双酰胺对哺乳动物和水生生物低毒,作为新型农用杀虫剂使用具有较广阔的应用市场。

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