Обзор прошлого и размышления над будущим (Д-р Клиффорд Гервик)
Три десятилетия инноваций в области гербицидов дали миру более 130 новых активных ингредиентов, потрясающе повысивших эффективность и надежность борьбы с сорняками практических всех сельскохозяйственных культур. Введение глифосат-толерантных трансгенов изменило буквально все. Вместе с тем темпы инноваций, измеряемые по количеству новых наименований препарата, введенных за год, упали с 5,5 в 1980-х до примерно 2 в настоящее время. В будущем, судя по количеству патентов выданных в США и защищающих интеллектуальные права на новые составы или как-то связанные с гербицидами, ожидается еще более резкое снижение. Смещая акценты с гербицидов на семена, постоянно увеличивая простоту использования и эффективность борьбы с сорняками, глифосат-толерантность сельскохозяйственных культур вызвала сильные изменения в секторе разработки гербицидов. Она не только подняла планку, но и дала возможность перескочить через нее с меньшими затратами. Еще одной экстраординарной инновацией, появившейся при разработке новых гербицидов за последние 30 лет, можно назвать открытие способа борьбы с сорняками без использования трансгенных сортов. Более того, появление устойчивости сорняков и их быстрое распространение подтверждают то, что эра использования только глифосата и трансгенных растений подходит к концу.
Ни одна из групп гербицидов за последние 30 лет не оказала более широкого влияния в смысле химического разнообразия и применения при выращивании сельскохозяйственных культур, чем те, которые ингибируют ацетолактат синтазу (АЛС) – первого фермента, ответственного за разветвленную цепь биосинтеза аминокислот. Около 50 наименований гербицидов было разработано 18 различными компаниями (круг которых постепенно сужается) за тридцатилетний период. Они зарегистрированы для применения с более чем 400 продовольственными и кормовыми культурами, видами деревьев и декоративных растений. Пять различных групп веществ, воздействующих на данный участок, получили коммерциализацию, включая сульфонилмочевины, имидазолиноны, триазолопиримидины, пиримидил(окси)бензоаты и сульфониламино-триазолиноны. Не менее впечатляющи сроки инноваций в химии данных групп соединений: первые члены, хлорсульфурон и сульфометурон, были запущены в 1982, а новые члены появляются с завидной регулярностью. Совсем недавно появился новый представитель – тиенкарбазон-метил.
Отличительными свойствами этой группы гербицидов являются низкие дозировки (как правило, в пределах 10–50 г/га для большинства из них, хотя имидазолиноны применяются в несколько более высоких концентрациях), перемещение по флоэме и высокая надежность. Не только большое разнообразие веществ, воздействующих на АЛС и тем самым ингибирующих рост растений, стало причиной развития в данном направлении. Даже незначительные химические модификации в ядре этих веществ деактивируют гербициды и гарантируют безопасный урожай. Безопасность урожая также улучшается благодаря отбору нечувствительных к данному гербициду растений (например, STS соя), или отбор нечувствительных форм из чувствительных, производимый в культуре тканей (например, кукуруза Clearfield) или использование трансгенных модификаций. Поиск способа передачи устойчивости между культурами посредством генетических модификаций означает возникновение риска повышения устойчивости сорняков, среди которых уже более 100 видов имеют формы, устойчивые к одному или нескольким АЛС гербицидам. И хотя на АЛС гербициды ложиться основная тяжесть в борьбе с сорняками многих нетрансгенных культур, появление устойчивых форм сорняков требует поиска новых химических веществ и точек воздействия в будущем.
Ингибирование протопорфириноген оксидазы (PPO) вызывает накопление порфиринов, и, как следствие, светоиндуцированное перекисное окисление липидов клеточных мембран. Соответственно, PPO гербициды являются быстродействующими листовыми препаратами, которые практически не попадают во флоэму. Хотя они имеют ограниченную эффективность в отношении многолетних или крупных травянистых растений, многие из этих гербицидов эффективны для широкого спектра сорняков и не воздействуют на сельскохозяйственные культуры, при аккуратном применении. К примеру, сафлуфенацил, недавно коммерциализированный ингибитор PPO из семейства пиримидинонов, оказывает неизбирательное воздействие (гербицид сплошного действия), если применяется по листу. Но может быть и избирательным к двудольным, когда вносится на почву. Восемнадцать PPO-гербицидов, выпущенных в продажу с 1980 года, подтверждают значительные инвестиции химической индустрии в разработки по данному направлению. На самом деле, 18 представителей относятся к девяти отдельным семействам химических веществ. Многие из новейших PPO гербицидов проявляют высокую активность при обработке по листу даже в дозе 5–25 г/га, при отсутствии устойчивых сорняков. На данный момент известно только четыре вида сорняков, которые приобрели устойчивость к данному классу средств борьбы с сорняками, что может отражать или особенности практики использования PPO гербицидов, или низкий потенциал отбора устойчивых форм, а может быть, и комбинацию этих факторов.
Ацетил-КоА карбоксилаза (АКК) важна для биосинтеза жирных кислот и удлинения побегов растений. Большинство растений имеют две, существенно различающиеся, формы этого фермента, но у злаковых обе формы, дислоцирующиеся в пластидах и цитоплазме, близки друг к другу. Это стоит им высокой чувствительности к трем классам химических веществ – арилоксифенокси пропионатам, циклогесаноидам и фенилпиразолинам. Дихлофос был первым членом этого класса гербицидов и впервые коммерциализирован в 1975 году. За прошедшие три десятилетия выпущено на рынок 16 новых веществ для борьбы со злаковыми сорняками, при возделывании двудольных культур. Относительно недавно, в 2006 году, начато использование пиноксадена, являющегося представителем нового класса АКК-гербицидов – фенилпиразолинов. Инновации в химической отрасли, произошедшие за это время, позволили поднять уровень активности и селективность воздействия к ряду культур, таким как рис, и добиться проникновения во флоэму. Если дихлофос, это преимущественно контактный гербицид, то галоксифоп и многие другие представители данной группы обладают заметной флоэмной подвижностью и способны перемещаться в конус нарастания как однолетних, так и многолетних растений, благодаря чему эффективность борьбы с сорняками заметно возрастает. Появление устойчивости к данным гербицидам обнаружено для 38 видов злаковых. Устойчивость возникает по нескольким различным механизмам, но чаще всего – это мутации целевого гена, что может привести к развитию кросс-толлерантности к гербицидам всех трех классов химических веществ, относящихся к данной группе гербицидов.
С выпуска сулкотриона в 1990 году берут начало гербициды, воздействующие на новую мишень, и вызывающие осветление тканей растений. В настоящее время они представлены тремя группами гербицидов: трикетонами, изоксазолями и пирозолями. Целевым ферментом данных гербицидов является р-гидроксифенилпируват диоксигеназа (ГФПДГ) – ключевой фермент в биосинтезе хинонов и токоферолов. Эффектом воздействия данных гербицидов является недостаток пластохинонов, приводящий к резкому снижению содержания каротиноидов и осветлению тканей. Тринадцать новых наименований данных гербицидов выпущены на рынок для борьбы с сорняками риса, кукурузы, сахарной свеклы, а недавно – пшеницы. Хотя многие из них применяются уже после появления сорняков и оказывают системное воздействие. Изоксафлуол используется для предупреждения прорастания нежелательной растительности. В связи с широким спектром действия и удобством как листовой, так и почвенной обработки, ГФПДГ остаются в фокусе внимания многих разработчиков гербицидов, и, похоже, эта мишень даст еще не один коммерческий продукт. Известен только один ГФПДГ-устойчивый сорняк, что, конечно, является и следствием того, что химики только недавно занялись этими гербицидами.
Группа гербицидов, которые воздействуют на биосинтез очень длинных цепей жирных кислот (ОДЦЖК), представлена ацетамидами, которые впервые были разработаны в 1950-х. Однако исследования последних пяти десятилетий существенно улучшили уровень активности, спектр действия и избирательность к сельскохозяйственным культурам. Двенадцать новых веществ, относящихся к шести различным классам химических веществ, разработано после 1980 года. Одной из новейших разработок является петоксамид, представитель самого большого класса – хлорацетамидов. Ингибиторы ОДЦЖК наиболее эффективно воздействуют на проростки, поэтому лучше всего их использовать в качестве избирательных почвенных гербицидов для предотвращения появления всходов сорных растений. Особенно эффективны они в отношении злаковых и двудольных, имеющих небольшие семена. Устойчивость к данным гербицидам возникает крайне редко, известно только четыре вида сорняков, приобретших это свойство.
Если гербициды, воздействующие на ОДЦЖК, известны уже более пятидесяти лет, то ауксиновые гербициды берут свое начало с еще более ранних лет (1945), с момента открытия и исследования свойств 2,4-Д. Несмотря на длительный срок использования, ауксиновые гербициды показывают завидную устойчивость к возникновению устойчивых форм растений. За более чем 60-летний срок использование возникли устойчивые формы среди 28 видов сорных растений, но они не создают серьезных проблем. Молекулярные механизмы воздействия данных гербицидов на синтез ауксина установлены сравнительно недавно. Они являются аналогами индолилуксусной кислоты и запускают процессы деградации гена репрессора. В результате нарушения экспрессии гена развивается искривление побегов, гибнут отдельные клетки и растение целиком. Среди новых шести ауксиновых гербицидов, разработанных после 1980 года, квинклорак представляет собой особо инновационную разработку, благодаря своей чрезвычайной активности по отношению ко многим однодольным и двудольным растениям. Этот ауксиновый гербицид, в основе которого лежит пиридин, обладает высокой флоэмной мобильностью и высоким потенциалом воздействия на многолетние сорняки с глубокой корневой системой в линейных посадках и пастбищных экосистемах.
Среди других наименований гербицидов, появившихся в новом тысячелетии, есть несколько, оказывающих воздействие на фитин десатуразу. В результате нарушается биосинтез каротиноидов, приводящий к фотовыгоранию. Появились также ингибиторы интеграции микротрубочек, что влияет на формирование проростков, ингибиторы транспорта ауксина, которые эффективны при совместном применении с ауксиновыми гербицидами, а также два ингибитора глутамин синтазы, позволяющие бороться с сорняками после их разрастания на поле. Один из них, глуфосинат, заслуживает особого внимания из-за широкого потенциала использования в качестве неизбирательного средства уничтожения разросшейся растительности. Он также используется и на засеянных полях, если сорта целевой культуры обладают генами устойчивости pat или bar. С помощью этих трансгенов можно добиться высокоселективного воздействия на сорняки. Применяются они и в качестве маркеров отбора при создании новых генетически модифицированных сортов.
Кажется вероятным, что в ближайшем будущем исследователи улучшат показатели существующих классов гербицидов посредством выпуска на рынок продуктов, обладающими улучшенными характеристиками, расширенным спектром воздействия, повышенной безопасностью урожая и почвенной устойчивостью. К примеру, АЛС-гербицид пирокссулам, выпущенный на рынок в 2008 году для борьбы со злаковой сорной растительностью в посевах пшеницы, благодаря нескольким существенным улучшениям, является серьезным прогрессом в деле борьбы с сорняками. Новые продукты, являющиеся представителями известных классов химических соединений или имеющие известные мишени, приобретают разнообразные улучшения. Правда, с учетом появления устойчивых к гербицидам форм сорняков, эти улучшения могут не иметь существенного значения. Второй новейшей инновацией является разработка продуктов или заместителей генов которые комплементарны тем, которые используют в трансгенных глифосат-устойчивых растениях. Комплексная толерантность позволит использовать дополнительные гербициды для расширения спектра действия на сорняки, а также глифосат для борьбы с глифосат-устойчивыми сорняками. Аналогично, новые продукты или смеси для дополнения программ борьбы с сорняками, основанных на использовании глифосата, выпущены или ожидаются в ближайшее время. Среди них SureStart (смесь ацетохлора, клопиралида и флуметсулама) и Kixor (сафлуфенацил).
Меньше уверенности в том, что в ближайшей перспективе химическая индустрия разработает и предложит принципиально новые гербициды с новыми мишенями действия, конкурентные или даже превосходящие существующие стандарты. По сути, широкомасштабный обзор новых патентов в США, Японии и стран входящих в PCT подтверждает, что пока суммарное количество заявок на новые гербициды немногим меньше, чем в отношении фунгицидов и инсектицидов. Заявок на гербициды, имеющие новые мишени, катастрофически мало.
Хотя многие мишени действия гербицидов известны благодаря естественным веществам, воздействующим на них, немногие из этих веществ демонстрируют достаточную эффективность, надежность и безопасность для нецелевых организмов и окружающей среды, по сравнению с современными разработками. Глифосат-толерантные культуры преподали несколько уроков, свидетельствующих о том, что в борьбе с сорняками не существует серебряных пуль. Сорняки вырабатывают устойчивость и, в ответ на воздействие человека, происходит образование новых форм. В связи с этим постоянно необходим поиск новых перспективных подходов и их продвижение на рынок. Необходимо сосредоточить усилия на поиске новых мишеней и новых технологий борьбы с сорняками, которые, определенно, найдут свое место в будущем. Если же предположить, что описанная выше ситуация с подачей заявок на патенты в области гербицидов отражает инновационную активность в данной отрасли, то времени на раскачку у нас уже не осталось.
Источник: http://www.agrow.com