植物寄生线虫(以下简称“线虫”)具有隐蔽不可见、生活周期短、繁殖系数大、种类繁多、分布传播广和危害难以辨识等特点,是植物侵染性病害的主要病因之一。线虫通过侵染和取食寄生的植物、分泌生物化学毒素和传播病害等过程,每年给农业生产造成了极大的损失。人们对线虫的认识始于1743年的小麦粒线虫(Auguina tritci),但其危害却直到20世纪早中期氯化苦、二氯丙烯和二氯丙烷等熏蒸剂大面积用于农业线虫防治后才得以确认。从1869年第1个熏蒸剂二硫化碳在法国上市用于根瘤蚜控制,到1957年第1个非熏蒸杀线虫剂除线磷上市,到2014年第1个专型杀线虫剂氟烯线砜在美国上市,化学合成杀线虫剂(以下简称“杀线虫剂”)作为一个重要的农药品类得到了关注,其研究、开发和应用对保障农业生产发挥了重要的作用。

至今研究开发的杀线虫剂有多个,按其作用方式和化学结构可分成不同类别。表1列述了杀线虫剂的主要品种及其分类,部分新型杀线虫剂的化学结构见图1。其中,在中国农业农村部登记的杀线虫剂品种有21个,而基于噻唑膦开发的单剂或复配产品占总数的近70%。

表1  杀线虫剂的主要品种及其分类

       注：*截止2021年4月8日在中国登记使用的杀线虫剂；#季酮酸和特拉姆酸衍生物。

图1  部分新型杀线虫剂的化学结构

1  熏蒸杀线虫剂

熏蒸类杀线虫剂是最早开发和应用的杀线虫剂类型,也可称为土壤消毒剂,对土壤线虫具有广谱、高效、低残留和低使用成本等优点。该类杀线虫剂一般在播种或移栽前通过灌溉系统或土壤注入设备施用,在土壤中直接或分解后挥发扩散,可杀灭植物寄生线虫、土传病害、地下害虫、老鼠和杂草等多种有害生物。熏蒸杀线虫剂为线虫多作用位点抑制剂,一般认为其作用机制主要涉及以下两个方面：一是通过与线虫体表或体内蛋白质上的巯基、氨基和羟基等基团发生化学反应而使酶受到抑制,细胞和组织的功能受阻或丧失；二是使线虫的呼吸作用因细胞色素介导的电子传递链的亚铁离子被氧化等受阻。超过最低致死浓度后,线虫对该类杀线虫剂的敏感度与药剂浓度和暴露时间的乘积呈正相关。虽然多数品种因环境和健康问题已被禁用或限用,但熏蒸类杀线虫剂仍是线虫化学防治最主要的工具。硫酰氟、氯化苦、棉隆、威百亩和氰氨化钙等品种在我国也被广泛使用。

2  非熏蒸杀线虫剂

非熏蒸杀线虫剂以非气态分子被线虫接触、摄入或吸入后发挥作用。与熏蒸杀线虫剂相比较,非熏蒸杀线虫剂的可施用期更宽泛、用法相对简单且用量更低,对非靶标生物和作物的安全性也相对较高。目前,包括氟烯线砜、tioxazafen和三氟咪啶酰胺等专型杀线虫剂在内的多个非熏蒸杀线虫剂得到了开发应用,中国自主创制的三氟杀线酯、氟醚菌酰胺、噁线硫醚和氯氟氰虫酰胺等也在研究开发之中。

2.1  有机磷和氨基甲酸酯类

有机磷和氨基甲酸酯类杀线虫剂通常被称为“线虫抑制剂”,进入线虫体内后与乙酰胆碱酯酶进行可逆性的结合,破坏神经元突触间隙乙酰胆碱的水解,干扰并阻断突触传导,造成神经系统功能紊乱,使线虫麻痹、活动和取食减少、发育和繁殖受阻,从而控制线虫侵染和为害。不同浓度药剂对线虫的作用不同,一般低浓度破坏线虫对寄主植物根部的感应和定位能力,高浓度干扰线虫的活动、发育、繁殖和卵孵化。多个有机磷和氨基甲酸酯类杀线虫剂还具备内吸传导活性,茎叶处理也能实现对植物组织内的线虫控制。虽然苯线磷、灭线磷、克百威、涕灭威、灭多威和丁硫克百威等品种因高毒性及环境风险等问题在中国等国被禁用和限用,但由于在土壤中易降解,噻唑膦、imicyafos、杀线威和硫双威等品种得以保留使用。但需要注意的是,碱性土壤、高温环境和微生物等可能会加速其降解而使其药效降低。

2.2  季酮酸和特拉姆酸衍生物

螺虫乙酯是第一个作为杀线虫剂进行商业化开发的季酮酸和特拉姆酸衍生物,也是唯一具有全内吸活性的杀(线)虫剂,茎叶处理即可同时实现对地上、地下的线虫及靶标昆虫的控制。螺虫乙酯在植物体内水解为烯醇式结构,分别通过维管束的木质部和韧皮部向上和向下传导而对线虫发挥作用。线虫在摄入螺虫乙酯后,乙酰辅酶A羧化酶的活性受到抑制,脂质合成和生长发育也受到影响。可能与线虫种类、大小、表皮结构和解毒作用等因素有关,螺虫乙酯对不同线虫的作用效果不同。研究表明,螺虫乙酯可使异盘中环线虫(Mesocriconema xenoplax)的活动减少,但南方根结线虫(Meloidogyne incognita)活动和肾形线虫(Rotylenchulus reniformis)的卵孵化都没有受到抑制。然而,异盘中环线虫的种群密度没有发生变化,但南方根结线虫的种群密度却减半。无论如何,为获得最佳的防治效果,螺虫乙酯应在线虫侵染早期施用。此外,由拜耳公司开发的季酮酸和特拉姆酸衍生物spidoxamat在20 mg/L时对南方根结线虫的活性达到95%,也具有很好的开发潜力。

2.3  芳基甲酰胺类

芳基甲酰胺类杀线虫剂通过阻碍线虫细胞线粒体呼吸链呼吸链复合体Ⅱ(即琥珀酸-泛醌还原酶或琥珀酸脱氢酶)的电子转移,抑制其呼吸作用而破坏能量供给,使线虫最终因能量耗尽而死亡,同时通过相同作用机制控制土传病害,进而减少线虫侵染的几率。与氟烯线砜相比较,该类杀虫剂一般用量较低而作用速度更快,但对线虫活动的抑制作用还是与暴露的时间和浓度有关。高浓度和长时间的暴露可使芳基甲酰胺类杀线虫剂对线虫的抑制作用变得不可逆。氟吡菌酰胺是第一个开发上市的芳基甲酰胺类杀线虫剂,具有向顶传导活性,土壤处理还可实现对地上线虫和病害的控制。研究表明,氟吡菌酰胺对肾形线虫的杀虫活性约为南方根结线虫的2倍,而对南方根结线虫的抑制作用可部分恢复。由于具有部分杀卵作用,氟吡菌酰胺仍可显著地减少线虫的繁殖。氟醚菌酰胺对南方根结线虫的室内活性和温室防效(土壤浇灌)与阿维菌素和氟吡菌酰胺的大致相当,同时可改善土壤微生物结构而使有益微生物增殖、促进植物生长,对土壤酶的影响也可恢复。氟唑菌酰羟胺可减少线虫的繁殖和卵孵化,种子处理对大豆孢囊线虫(Heterodera glycines)、肾形线虫、南方根结线虫、根腐线虫(Pratylenchus spp.)和矛线虫(Dorylaimus spp.)的防效与氟吡菌酰胺相近。Cyclobutrifluram直接土壤施用或种子处理可使根结线虫、甜菜孢囊线虫(H. schachtii)和玉米根腐线虫(P. zea)等线虫幼虫麻痹并抑制虫卵孵化。

2.4  三氟丁烯类

三氟丁烯类杀线虫剂使线虫在接触后出现不可逆的麻痹,对作物的定位和侵染、产卵、卵孵化和发育受到影响,同时活动减少、进食停止,并在1～2 d内死亡。该类杀线虫剂可使马铃薯胞囊线虫(Globodera pallida)的脂质增加、细胞活力丧失而出现口针侵袭减少和身体卷曲,与有机磷、氨基甲酸酯、大环内酯和杂环酰胺类杀线虫剂无交互抗性,推测其作用机制与二氟丁烯类杀虫剂的作用机制相似,即通过抑制细胞线粒体中的脂肪酸代谢的β-氧化,使线虫逐渐因能量供应不足而受到抑制或死亡。一般南方根结线虫、北方根结线虫(M. hapla)和爪哇根结线虫(M. javanica)等定栖性线虫比半穿刺线虫(Tylenchulus semipenetrans)、异盘中环线虫、茎线虫(Ditylenchus dipsaci)、松材线虫(Bursaphelenchus xylophilus)和叶芽线虫(Aphelenchoides spp.)等迁移性线虫对氟烯线砜要更敏感,且南方和北方根结线虫又比爪哇根结线虫更敏感。氟烯线砜具有内吸活性和一定的杀卵作用,可茎叶处理施用,但用量过高可能会对作物产生药害。三氟杀线酯对南方根结线虫卵和二龄幼虫的毒力与噻唑膦、氟烯线砜和tioxazafen相当,田间防效与噻唑膦相当且优于阿维菌素和氟吡菌酰胺,同时具有持效期长、对哺乳动物和土壤生物安全的特点。

2.5  噁二唑硫醚类

噁二唑硫醚类杀线虫剂具有全新化学结构和独特的作用机制,通过干扰线虫体内核糖体的正常功能,影响其代谢和寿命,使线虫不可逆地麻痹和死亡。该类线虫剂对大环内酯类和苯并咪唑类等杀线虫剂无交互抗性,可直接杀死南方根结线虫和大豆胞囊线虫。1,2,4-噁二唑硫醚类杀线虫剂tioxazafen的内吸活性较强,被作物吸收后主要分布在根部区域,对大豆、玉米和棉花等行栽作物的胞囊线虫、根结线虫、肾形线虫、根腐线虫和长针线虫等多类别的线虫具有卓越的防效,同时还可增强作物根系活力、增加作物产量。由于对土壤半衰期较长且水生生物高毒而对水体有长期危害风险,tioxazafen一般只用作种子处理剂,而长达75 d的持效期使其可有效控制2代线虫。噁线硫醚为1,3,4-噁二唑硫醚类杀线虫剂,对半穿刺线虫和南方根结线虫具有较高的室内杀灭活性,优于噻唑膦、灭线磷和阿维菌素。

2.6  稠环类

与氟烯线砜相同,含吡啶并咪唑磺胺结构的三氟咪啶酰胺也是专型杀线虫剂,对根结线虫的作用也是不可逆的。高浓度的三氟咪啶酰胺对烟碱乙酰胆碱酯酶、琥珀酸脱氢酶、烟碱乙酰胆碱受体和γ-氨基丁酸门控氯离子通道等已知靶标位点均无作用,同时对非靶标线虫相对安全,推测该杀线虫剂应具有全新的作用机制。三氟咪啶酰胺易降解且半衰期短,通过土壤空隙水接触线虫而发挥作用,但没有内吸活性,也没有明显的杀卵活性和卵孵化抑制作用。一般在低浓度时减少靶标线虫的活动和侵染,高浓度时快速将其杀死。研究表明,三氟咪啶酰胺对南方根结线虫二龄幼虫活动的抑制活性不到氟烯线砜的一半和氟吡菌酰胺的1/200,对线虫的击倒作用也比有机磷和氨基甲酸酯类杀线虫剂慢。含苯并噻二唑结构的活化酯通过诱导作物产生对线虫的获得性抗性诱导剂而发挥作用,在美国用作棉花种子处理的杀线虫剂。含苯并异噻唑结构的benclothiaz对南方根结线虫和大豆胞囊线虫具有高活性,按0.0006%的土壤量灌根处理几乎可完全抑制南方根结线虫,同时还具有生根作用,但后续没有得到开发。

2.7  其他非熏蒸类

除了上述类别的杀线虫剂以外,还有一些作为杀线虫剂开发的兼职品种,如γ-氨基丁酸等门控氯离子通道拮抗剂氟虫腈和乙虫腈、烟碱乙酰胆碱受体通道阻断剂杀螟丹、鱼尼丁受体变构调节剂氯氟氰虫酰胺、通过干扰质子梯度影响氧化磷酸化的解偶联剂虫螨腈等。乙虫腈按质量浓度10 mg/L进行土壤处理,可有效防治番茄南方根结线虫。虫螨腈对温室观赏植物上的叶线虫具有一定的防治作用,但用到叶片较厚的马缨丹上则防效较差。氯氟氰虫酰胺具有一定的脂溶性,对松材线虫的毒力优于阿维菌素和甲氨基阿维菌素苯甲酸盐,于树干基部注射可向上传导至树梢顶部,有效控制松材线虫。异菌脲通过抑制线虫的活动、使其麻痹和迷失方向,从而丧失对作物的定位和取食能力,虽其防效不如苯线磷、噻唑膦和杀线威,但对非靶标生物和作物友好安全。由于对地下水和水生生物存在风险,欧盟委员会已于2018年撤销了异菌脲的相关登记。

3  总结与展望

线虫对农业生产造成了较大的损失,使用杀线虫剂可有效控制线虫及其危害。然而,线虫及其危害常常难以被发现和评估,且杀线虫剂的市场又相对较小,杀线虫剂几乎是在消毒剂或熏蒸剂(如溴甲烷、二硫化碳和氰氨化钙),杀虫剂(如噻唑膦、杀线威和氟虫腈)和杀菌剂(如氟吡菌酰胺)的应用中被发现并逐渐发展起来的。

非选择性的熏蒸杀线虫剂可一次性杀死线虫及其他土壤生物,其作用效果快且防效显著、不易诱发抗性,但也存在高毒,施用条件要求高(设备、时间、湿度和温度等),用量大,对非靶标生物和环境存在负面影响等缺点。非熏蒸类杀线虫剂在线虫摄入后通过使其麻痹,影响其定位、活动和取食直至死亡,同时抑制线虫虫卵的孵化和幼虫的生长、发育和繁殖而最终控制其种群密度,延迟线虫对作物的侵染时间和为害峰期,减少线虫侵染以实现作物增产。非熏蒸杀线虫剂具有熏蒸杀线虫剂众多无法比拟的优点而更受农民青睐,但当前可供选用的杀线虫剂商品并不多。

随着社会关注度和法规压力的增加,有不少熏蒸类、有机磷和氨基甲酸酯类杀线虫剂因安全和环境风险问题先后被禁用或限用。对靶标线虫高效但对有益生物和作物等非靶标生物低毒,且易于施用,对使用者、环境和生态安全的新型非熏蒸类杀线虫剂的研发和应用无疑会成为未来发展的趋势。继有机磷和氨基甲酸酯之后,季酮酸和特拉姆酸衍生物、芳基甲酰胺类、三氟丁烯类、噁二唑硫醚类和稠环类等系列杀线虫剂也随之得以开发和应用。这些非熏蒸杀线虫剂大多对定栖类线虫比迁徙类线虫显示出了更好的防治作用,但对线虫虫卵的作用较弱或没有杀卵作用,对不同种属靶标和非靶标线虫的生物活性也存在差异,田间防治效果和产品适应性需要深入的探索研究,使用的成本和收益也值得评估。此外,用于松材线虫等侵染叶子和块茎的地上定栖类线虫控制的杀线虫剂还有待于进一步的研究和开发。

随着熏蒸杀线虫剂的陆续退出和选择性杀线虫剂的不断开发应用,线虫抗性管理也必将成为未来发展的方向。国际杀虫剂抗性行动委员会也在2019年成立了线虫工作小组,对杀线虫剂的作用机制分类和抗性风险识别提供指导。未来,应加强对杀线虫剂作用机制和线虫抗性机制的研究,推动新型杀线虫剂的研发、应用和推广,根据线虫种类、作物、土壤条件、施用时间和方法等确定合适的混用和轮用技术以降低抗性风险。同时,结合抗性品种选育、实行作物轮耕、土壤物理处理、引入生物天敌和作物营养管理等措施实现对线虫有效的综合治理。

信息来源：《农药科学与管理》2021年第11期 

作者：苏州艾科尔化工科技有限公司 谭海军