手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药的活性与毒性研究

Activity and Toxicity Studies of Chiral Succinate Dehydrogenase Inhibitor Pesticides

摘要: 近年来，琥珀酸脱氢酶抑制剂类杀菌剂因其强大的药效和对植物持久的保护力，以及显著的增产效果而备受农业界的广泛关注。然而随着仪器技术的不断进步，人们对手性农药的研究从传统的消旋体层面深入到更为精细的对映体层面，在此背景下，手性农药的立体选择性行为不容忽视。本文以手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药为研究对象，从对映体水平开展了关于手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药的生物活性以及对非靶标生物体毒性差异的综述，并归纳了琥珀酸脱氢酶抑制剂的作用机制，重点阐述了此类手性农药对映体生物活性与毒性的立体选择性差异，旨在为开发更安全、更高效的手性农药提供参考。

Abstract: In recent years, succinate dehydrogenase inhibitor fungicides have attracted extensive attention in the agricultural field due to their powerful efficacy, long-lasting protective effect on plants, and significant yield-increasing effects. However, with the continuous advancement of instrumental technology, research on chiral pesticides has shifted from the traditional racemic level to a more refined enantiomer level. Against this backdrop, the stereoselective behavior of chiral pesticides cannot be ignored. This article takes chiral succinate dehydrogenase inhibitor pesticides as the research object and conducts a review on the biological activity and toxicity differences to non-target organisms of chiral succinate dehydrogenase inhibitor pesticides at the enantiomer level. It also summarizes the mechanism of action of succinate dehydrogenase inhibitor and focuses on elaborating the stereoselective differences in the biological activity and toxicity of enantiomers of such chiral pesticides, aiming to provide a reference for the development of safer and more efficient chiral pesticides.

1. 引言

上世纪60年代，沙利度胺这一曾广泛用于治疗妇女妊娠反应的药物，在多个国家引发了成千上万的畸胎案例[1]，人们开始深刻意识到手性药物的两面性[2]。所谓手性药物，指的是药物分子中存在一个不对称碳原子[3]，该碳原子与四个各不相同的原子或基团相连。手性药物虽具有相似的结构[4]与物理性质，然而由于构型不同其生物活性、毒性反应等均有较大差异，手性农药亦是如此。手性农药对映体由于构型、空间结构存在差异，在生物体内的活性、毒性和代谢情况各有不同，具有高效体、低效体和无效体的分别[5]。

农药的种类繁多，若从作用对象的角度来区分，农药又可以分为杀虫剂、杀菌剂以及除草剂[6]等不同种类。值得关注的是，得益于农业种植规模的扩大和病虫害防控要求的提高，杀菌剂在农业领域的发展市场呈现出稳步增长的趋势。在杀菌剂类农药中，继甲氧基丙烯酸酯类和三唑类之后的琥珀酸脱氢酶抑制剂(Succinate dehydrogenase inhibitors, SDHIs)作为第三大类杀菌剂[7]以其新颖的作用机制、强而持久的药效和显著的增产效果等优势，备受国内外的广泛关注和瞩目。本综述聚焦手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类杀菌剂农药的作用机制和对映体立体选择性，阐述此类手性农药对映体生物活性与毒性立体选择性差异，旨在为开发和应用高活性、更安全手性农药单体提供参考。

2. 手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药的作用机制和发展现状

线粒体，被誉为细胞的能量工厂[8]，是真核细胞中一种重要的细胞器，它是进行有氧呼吸的主要场所，生命活动所需的能量在此进行代谢[9]。线粒体内膜上存在着一条被称为线粒体呼吸链或电子传递链的复杂系统，它由四种紧密相连的跨膜蛋白复合体(I~IV) [10]所构成。在这之中，蛋白复合体II亦被称为琥珀酸脱氢酶(Succinate dehydrogenase, SDH)或琥珀酸–泛醌氧化还原酶(Succinate coenzyme Q reductase, SQR) [11]，是一种细胞色素氧化酶，属于三羧酸循环的功能部分，催化琥珀酸氧化为延胡索酸和从泛醌还原到醌的偶联反应[12] [13]。SDHIs类农药就是通过占据或部分占据底物泛醌的结合位点，有效地阻断了电子从琥珀酸向泛醌的传递路径，从而抑制了病原菌的能量代谢过程[14]。这一抑制作用进而阻碍了病原菌的生长，甚至导致其死亡[15]，最终达到防治农作物病害、确保粮食安全的目的。

于2019年度，SDHIs类杀菌剂以其23.11亿美元的销售额，占据了12.66%的杀菌剂市场份额[16]。回溯至2011至2016这五年间，SDHIs类杀菌剂以每年23.8%的销售额增长率，力压其他两类历史悠久的杀菌剂[17]，成为了近年来复合增长率最高的杀菌剂产品[14]。截止到2019年，已投入市场使用的23种SDHIs类杀菌剂中[18]，手性杀菌剂共有9种(见表1)。其中，氟唑菌酰羟胺(Pydiflumetofen, PYD)得益于其广谱、高效的杀菌特性[19]，一经先正达公司于2017年宣布上市[20]，就快速成为杀菌剂市场的一匹黑马。作为一种新型的吡唑酰胺类杀菌剂[21]，氟唑菌酰羟胺以其分子中独有的N-甲氧基结构[22] (化学结构式见图1)，打破了传统SDHI类杀菌剂的界限，实现了SDHIs类杀菌剂在酰胺键上的首次突破[16]。这一突破性创新使得该产品的性能得到了显著提升，不仅扩展了更为广泛的杀菌范围，在环境友好性方面也表现出色，更重要的是，它实现了对谷物上镰刀菌引发病害的创新性防治[23]。

Table 1. Nine chiral succinate dehydrogenase inhibitor fungicides

表1. 九种手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类杀菌剂

编号	中文名称	英文名称	化学式	CAS号
1	苯并烯氟菌唑	benzovindiflupyr	C18H15Cl2F2N3O	1072957-71-1
2	氟茚唑菌胺	fluindapyr	C18H20F3N3O	1383809-87-7
3	氟唑菌酰胺	fluxapyroxad	C18H12F5N3O	907204-31-3
4	呋吡菌胺	furametpyr	C17H20ClN3O2	123572-88-3
5	吡唑萘菌胺	isopyrazam	C20H23F2N3O	881685-58-1
6	氟唑菌苯胺	penflufen	C18H24FN3O	494793-67-8
7	吡噻菌胺	penthiopyrad	C16H20F3N3OS	183675-82-3
8	氟唑环菌胺	sedaxane	C18H19F2N3O	874967-67-6
9	氟唑菌酰羟胺	pydiflumetofen	C16H16Cl3F2N3O2	1228284-64-7

Figure 1. The chemical structural formula of pydiflumetofen

图1. 氟唑菌酰羟胺化学结构式

3. 手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药生物活性立体选择性

光学纯手性农药药效显著[24]，由于手性农药对映异构体在生物活性上显著差异的存在，单一对映体的药效往往比外消旋体高出数十甚至上百倍。目前我国农药市场中手性农药近270种，占比约为40%且呈上升趋势[25]-[27]。然而，真正已投入使用的高效手性农药诸如精甲霜灵、精苯霜灵和精盖草能[28]等却寥寥无几，在手性农药整体中仅占比7%左右[29]。对手性农药进行对映体水平上的生物活性差异研究，可以为开发高活性手性农药单体以及研发高效且低风险的新型绿色农药提供有价值的参考依据。

目前投入使用的手性SDHIs类农药大多以消旋体形式登记使用，表2列举了部分此类农药的对映体生物活性差异。在这些具有手性结构的琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药中，除了氟唑环菌胺对映体之间活性差异10倍以内，多数手性农药对映体的生物活性之间均有显著差异。而部分则在100倍以上，如氟唑菌酰羟胺、氟唑菌苯胺等。值得注意的是，R-PYD的生物活性甚至能够高达S-PYD的900多倍，可见手性农药对映体中存在只有一个具有活性，另一个对映体为无效体或低效体这种情况，在此种条件下，高活性单体则具备开发为光学纯单体农药较大潜力。Wang等[30]人研究表明，R-PYD能更有效地紊乱病原菌的细胞膜通透性并抑制与致病性有关的胞外多糖和草酸这两种物质的产生。此外，针对该种农药作用机制的研究发现，R-PYD的琥珀酸脱氢酶抑制活性是S-PYD的584倍，进一步证明了R型对映体在抗菌方面的优势。

Table 2. Differences in enantiomeric biological activity of chiral succinate dehydrogenase inhibitor pesticides

表2. 手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药对映体生物活性差异

农药名称	对映体生物活性差异	参考文献
氟唑菌苯胺	S-(+)-氟唑菌苯胺的生物活性分别是R-(−)-氟唑菌苯胺的148倍。	[31]
氟唑菌酰羟胺	R-氟唑菌酰羟胺的生物活性是S-氟唑菌酰羟胺的9.0-958.8倍	[30]
吡噻菌胺	S-吡噻菌胺的生物活性是R-吡噻菌胺的5.07-22.8 倍	[32]
苯并烯氟菌唑	1S,4R-(−)-苯并烯氟菌唑的生物活性是1R,4S-(+)-苯并烯氟菌唑的1.7-54.5倍	[33]
氟茚唑菌胺	S-氟茚唑菌胺的生物活性约是R-氟茚唑菌胺的87.8倍	[34]
吡唑萘菌胺	对映体生物活性顺序：反式-1S,4R,9R-(+)-吡唑萘菌胺>顺式-1R,4S,9R-(+)- >反式-1R,4S吡唑萘菌胺，9S-(−)-吡唑萘菌胺>顺式-1S，4R，9S-(−)-吡唑萘菌胺	[35]
氟唑环菌胺	1S,2S-(+)-氟唑环菌胺的生物活性是1 R，2R-(−)-氟唑环菌胺的5.4-7.3倍 1R,2S-(+)-氟唑环菌胺的生物活性是1S,2S-(+)-氟唑环菌胺的4.2倍	[36]

4. 手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药对非靶标生物体的毒性立体选择性

近年来随着手性农药对映体水平上的研究不断深入，对映体对非靶标生物体选择性毒性问题也越发引起人们的关注。手性农药可通过飘移、沉积、淋溶等自然作用由施药地点扩散至大气和水体，从而对非靶标生物体的生命健康安全造成潜在风险[37]，由于对映体的存在，对其产生的毒性也具有显著差异，常常表现出不同程度的急性中毒效应、氧化应激效应、内分泌干扰效应[38]等。表3列举了几种具有手性结构的琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药对映体毒性差异。

前人研究表明，SDHIs类农药对哺乳动物、鸟类、蜜蜂和蚯蚓相对安全，但对水生生物具有剧毒，因此对映选择性水生毒性受到了国内外学者广泛关注[39]。水生生物的常见研究目标有：斑马鱼、大型溞[40]、羊角月牙藻等。由于斑马鱼与人类之间存在的高度遗传同源性[41]，故关于此类农药中含有手性结构的部分个体对非靶标生物体毒性立体选择性的相关研究常采用斑马鱼作为受试生物。多数手性SDHIs类农药对受试生物毒性都具有明显差异，苯并烯氟菌唑对映体毒性差异能达到100倍以上。

手性对映体间还存在着相互作用[42]。Di等[43]人研究表明，PYD对映体间存在协同效应，表现为当两个对映体同时存在时，低毒性的一方会显著增加另一方的毒性。氟唑菌苯胺对映体也具有协同作用，当R-(−)-氟唑菌苯胺与S-(+)-氟唑菌苯胺共存时，会进一步增加S-(+)-氟唑菌苯胺的暴露风险，从而可能加剧对生物体的毒性作用。而在李等[44]人的研究中，氟唑环菌胺对映体间则存在拮抗效应，使得消旋体对于大型溞的急性毒性低于所有单体。然而目前有关SDHIs类农药对非靶标生物毒性的立体选择性差异研究对象还较为局限，对于陆生生物的影响还没有相关报道。

Table 3. Differences in enantiomer toxicity of chiral succinate dehydrogenase inhibitor pesticides

表3. 手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药对映体毒性差异

受试生物	农药名称	对映体毒性差异	参考文献
斑马鱼	氟唑菌酰羟胺	R-氟唑菌酰羟胺急性毒性是S-氟唑菌酰羟胺的10.7-14.7倍	[45]
	氟唑菌苯胺	S-(+)-氟唑菌苯胺的急性毒性分别比R-(−)-氟唑菌苯胺的54倍	[31]
	吡噻菌胺	S-(+)-吡噻菌胺表现出比R-(−)-吡噻菌胺更高的氧化应激毒性	[46]
大型溞	呋吡菌胺	S-(+)-呋吡菌胺毒性约为R-(−)-呋吡菌胺2倍	[47]
	氟唑环菌胺	对映体毒性顺序：1R,2R-(−)-氟唑环菌胺＞1R,2S-(+)-氟唑环菌胺＞1S,2R-(−)-氟唑环菌胺＞1S,2S-(+)-氟唑环菌胺＞rac-氟唑环菌胺	[44]
	苯并烯氟菌唑	1S,4R-(−)-苯并烯氟菌唑的毒性是1R,4S-(+)-苯并烯氟菌唑的103.7倍	[33]

5. 结语

随着农业种植规模的不断扩大以及对病害防控需求的日益提升，杀菌剂在农业领域中的市场发展呈现出稳步提升的态势，琥珀酸脱氢酶抑制剂类杀菌剂更是凭借其广泛的杀菌效果和高效性能而备受瞩目[48]。得益于技术的进步，人们对手性药物的研究也逐渐由消旋体水平逐渐发展到对映体水平[49]。因此，研制和生产高效的单体农药，不仅有利于手性SDHIs类农药更高效地抑制植物病原菌，还可以减少农药的使用，符合农药减施增效[50]的发展趋势。此外，手性SDHIs类农药中具有高生物活性的对映体对非靶标生物往往表现出更高的毒性，这种毒性是多方面的，如急性毒性[51]、氧化应激[52]、慢性毒性等。然而由于对映体之间可能存在的协同作用，两个对映体同时存在时，低毒性的一方会增加高毒性对映体的暴露风险，从而对非靶标生物产生潜在威胁。基于此，对手性琥珀酸脱氢酶抑制剂类农药进行对映体水平上的立体选择性差异研究，可完善此类手性农药的安全风险评估，并为开发更安全、更加环境友好的低风险的新型绿色农药提供有价值的参考依据。

NOTES

^*通讯作者。