雜草對除草劑抗性機(jī)制的研究進(jìn)展及抗性治理對策

孫鵬，趙倩明

（1.新疆奎屯市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 新疆，伊犁哈薩克自治州 833200；2.新疆奎屯市畜牧獸醫(yī)工作站 新疆，伊犁哈薩克自治州 833200）

農(nóng)田雜草防治一直備受關(guān)注，農(nóng)間一般通過人工、機(jī)械、化學(xué)方式去除雜草。除草劑是大型農(nóng)田雜草防治中使用最廣泛的化學(xué)除草方式。除草劑的廣泛使用，雜草在年復(fù)一年的馴化中會(huì)產(chǎn)生耐藥性，被稱為雜草抗性。雜草的除草劑抗性的首次報(bào)告可以追溯到20 世紀(jì)80 年代初，當(dāng)時(shí)涉及到抑制乙酰輔酶A 羧化酶（ACCase）和抑制乙酰乳酸合成酶（ALS）的除草劑[1]。雜草都具有對除草劑產(chǎn)生抗性的能力并可以遺傳，除草劑的過度使用導(dǎo)致抗除草劑雜草迅速蔓延，《國際除草劑抗性雜草調(diào)查》已經(jīng)確認(rèn)了數(shù)百種抗性雜草[2]。除草劑與非化學(xué)管理實(shí)踐相結(jié)合可以大大降低這種風(fēng)險(xiǎn)，但除草劑是大型農(nóng)田中必不可少的工具，因此抗性雜草問題將會(huì)持續(xù)存在。本文綜述了雜草對除草劑抗性的不同機(jī)制的研究進(jìn)展，并對雜草產(chǎn)生除草劑抗性的問題提出綜合防治方案。

1 雜草除草劑抗性機(jī)制

除草劑是通過分子層面破壞雜草組織結(jié)構(gòu)的方式滅除雜草，如抑制雜草體內(nèi)生物分子合成，減緩雜草細(xì)胞分裂，影響雜草光合作用，阻礙生長素合成等方式，除草劑與雜草體內(nèi)的特異酶結(jié)合實(shí)現(xiàn)這些滅殺雜草的功能。抗性雜草對抗除草劑的第一種方式是通過改變自身酶蛋白分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致除草劑和特異酶之間特異性失效，除草劑不能有效結(jié)合特異酶失去除草效果。第二種方式是雜草自身進(jìn)化產(chǎn)生的抗性，雜草通過加強(qiáng)新陳代謝將除草劑快速代謝出體內(nèi)或?qū)⒊輨┺D(zhuǎn)運(yùn)到不會(huì)影響生長過程的部位，達(dá)到抗除草劑的目的。

1.1 雜草對ACCase抑制除草劑的抗性

ACCase抑制劑是一種苗后除草劑，ACCase抑制劑可分為三類，即芳氧苯氧基丙酸（APP）、苯吡唑啉（PPZ）和環(huán)己二酮（CHD）。目前市面上已有12 種APP 除草劑、1種PPZ 除草劑和8 種CHD 除草劑[3]。ACCase 是脂肪酸合成限速酶，ACCase抑制型除草劑通過與ACCase酶的特異結(jié)構(gòu)域結(jié)合，破壞脂肪酸合成，起到防除雜草的效果。對ACCase抑制型除草劑有抗性的雜草類型是全球抗除草劑雜草面積和經(jīng)濟(jì)影響最大的，由此可見對此類雜草抗性研究的重要性。在這些抗性雜草中，ACCase基因發(fā)生突變，降低了ACCase 酶對除草劑的敏感性，導(dǎo)致靶標(biāo)部位對ACCase抑制除草劑產(chǎn)生抗性。在抗性靶點(diǎn)機(jī)制中，從抗ACCase 抑制型的雜草中鑒定出Trp-1999、Trp-2027、Ile-2041、Gly-2096、Ile-1781、Asp-2078 和Cys-2088 位點(diǎn)的氨基酸替換[3]。相關(guān)報(bào)道表明，ACCase羧基轉(zhuǎn)移酶區(qū)域內(nèi)的異亮氨酸替換亮氨酸使燕麥、狗尾草和黑麥草產(chǎn)生抗性[4-5]。雜草對ACCase抑制除草劑的抗性具有2個(gè)明顯特點(diǎn)：第一，抗性發(fā)展迅速，產(chǎn)生抗性的雜草種類多分布廣，且能對新研發(fā)的同類靶標(biāo)除草劑產(chǎn)生抗性。第二，抗性存在多抗性和交叉抗性的問題[6]。ACCase 抑制除草劑主要產(chǎn)品有炔草酯、氰氟草酯、精噁唑禾草靈、精喹禾靈、烯草酮、烯禾啶等。ACCase 抑制劑除草劑使用不當(dāng)會(huì)造成農(nóng)作物葉白化、扭曲，甚至干枯死亡。使用時(shí)要嚴(yán)格根據(jù)說明書使用。

1.2 雜草對ALS抑制除草劑的抗性

抑制ALS 的除草劑可以阻止異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸的合成，導(dǎo)致雜草死亡[7]。迄今為止許多雜草對ALS抑制劑的抗藥性是由靶點(diǎn)改變引起的。據(jù)報(bào)道，在黑麥草的基因中觀察到具有對ALS 抑制劑抗性的靶位突變[8]。此位點(diǎn)不是酶的催化位點(diǎn)而是獨(dú)立的除草劑結(jié)合位點(diǎn)，這就導(dǎo)致當(dāng)突變發(fā)生時(shí)，區(qū)域內(nèi)的每一種氨基酸的替換都有不同的交叉抗性模式，同時(shí)并不影響植物體內(nèi)酶的活性。氨基酸替換的靈活性和酶保持活性可能是導(dǎo)致雜草對這類除草劑的抗性迅速上升的原因。ALS抑制除草劑產(chǎn)品有苯磺隆、芐嘧磺隆、氯吡嘧磺隆、煙嘧磺隆、吡嘧磺隆、甲基二磺隆和雙草醚等，ALS抑制劑除草劑在水稻田使用不當(dāng)則會(huì)造成水稻葉尖干枯、植株黃化、蹲苗等現(xiàn)象。

1.3 雜草對光合作用抑制除草劑的抗性

對光合作用的抑制劑的作用靶標(biāo)主要是抑制光合系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）、光合系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）、三磷酸腺苷的合成及影響原還原卟啉氧化酶這四種。市面上對光合作用抑制除草劑主要是抑制光合系統(tǒng)Ⅱ。針對光系統(tǒng)Ⅱ的除草劑會(huì)抑制光系統(tǒng)Ⅱ的還原側(cè)，這類除草劑對特異位點(diǎn)的親和力高于雜草本身，結(jié)合后改變蛋白質(zhì)的氨基酸結(jié)構(gòu)，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）不能合成，進(jìn)而阻止二氧化碳的固定，導(dǎo)致植物不能正常進(jìn)行光合作用[9]。由于此類除草劑的長期使用，多種雜草對PSⅡ抑制除草劑產(chǎn)生不同程度的抗性。針對光系統(tǒng)Ⅱ的除草劑有莠去津、撲草凈、特丁津、莠滅凈和滅草松等。針對光系統(tǒng)Ⅰ的除草劑有百草枯、敵草快。此類除草劑在土壤中殘留時(shí)間長，對后茬敏感作物會(huì)造成危害，需要合理規(guī)劃種植方案。

1.4 雜草對細(xì)胞分裂抑制除草劑的抗性

抑制細(xì)胞分裂的除草劑可以直接作用于構(gòu)成紡錘體的微管和微管形成中心等部位，使其功能喪失。細(xì)胞分裂抑制劑是通過與特異點(diǎn)結(jié)合，影響微管蛋白的功能，促使細(xì)胞向多極或不均等分裂，從而使植物無法進(jìn)行正常的新陳代謝，最后枯死。但雜草基因序列中的特定堿基變化可以對除草劑進(jìn)行抵抗，例如α-微管蛋白中第239位的氨基酸從蘇氨酸替換為異亮氨酸，可以引起α-微管蛋白分子表面的構(gòu)象變化，阻止除草劑特異結(jié)合，最終微管蛋白功能不受除草劑影響，細(xì)胞正常分裂。據(jù)報(bào)道，蘇氨酸替換為異亮氨酸可引起雜草對二硝基萘胺類除草劑的抗性，而蛋氨酸替代蘇氨酸可引起雜草對氟樂靈產(chǎn)生抗性[10-11]。氟樂靈、二甲戊靈、異丙甲草胺、氯苯胺靈、敵草胺、草萘胺是這類除草劑的代表產(chǎn)品。此類除草劑是當(dāng)前使用最多的除草劑種類之一，但此類除草劑使用時(shí)對土壤濕度有一定的要求，干旱會(huì)降低藥效，濕度過大又會(huì)產(chǎn)生藥害，需要時(shí)刻注意土壤環(huán)境變化，才能發(fā)揮功效。

1.5 雜草對生長素類抑制除草劑的抗性

生長素抑制除草劑最常用于控制各種作物和非農(nóng)田地區(qū)的闊葉雜草。目前共有超過40種雜草被證實(shí)對生長素抑制除草劑具有抗性[12]。Popay等[13]報(bào)告在新西蘭觀察到了雜草對生長素類除草劑耐受性增強(qiáng)的現(xiàn)象。雜草對生長素類除草劑產(chǎn)生抗性的原因很可能和生長素結(jié)合蛋白的突變有關(guān)[14]。在這種情況下，生長素受體不僅不與生長素類除草劑結(jié)合，也不與內(nèi)源性生長素結(jié)合。這意味著雜草在獲得抗性的同時(shí)也付出巨大的代價(jià)。該類除草劑的代表產(chǎn)品是萘草胺、氟吡草腙、麥草畏和二氯喹啉酸等。生長素抑制類除草劑殘留時(shí)間長，過量使用會(huì)造成農(nóng)田中動(dòng)物的生長異常，破壞農(nóng)田生態(tài)鏈。

1.6 雜草增強(qiáng)新陳代謝抵抗除草劑

大多數(shù)的酶是除草劑的作用靶標(biāo)，但是酶在植物體內(nèi)也起到代謝外源物質(zhì)和有害物質(zhì)的作用。解毒酶在除草劑進(jìn)入植物細(xì)胞后對其進(jìn)行修飾或分解，酶執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)的速度將決定植物的生存或死亡。雜草如果以更快的速度代謝除草劑，就可以在除草劑處理后存活。這種能力被叫做雜草代謝抗性。

參與植物異源代謝的主要酶是細(xì)胞色素P450單加氧酶和谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST），其中細(xì)胞色素P450 單加氧酶與除草劑代謝有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)在一些表現(xiàn)出抗除草劑的雜草中細(xì)胞色素P450單加氧酶活性增強(qiáng)，這意味著細(xì)胞色素P450單加氧酶增加可以更快的代謝除草劑，從而達(dá)到抗除草劑的目的[15]。草甘膦是一種非選擇性、無殘留滅生性除草劑，是世界上使用量最大的除草劑。但草甘膦的大量使用促進(jìn)了雜草的草甘膦抗性進(jìn)化。

1.7 雜草轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制抵抗除草劑

內(nèi)吸式除草劑是非常高效的除草劑，草甘膦就是其中的佼佼者。草甘膦是一種非選擇性、無殘留滅生性除草劑，是世界上使用量最大的除草劑。但草甘膦的大量使用促進(jìn)了雜草的草甘膦抗性進(jìn)化。有研究表明雜草產(chǎn)生草甘膦抗性的一種可能是雜草改變了草甘膦在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑?？共莞熟⒌娜鹗亢邴湶莺托∨畈轀p少向分生組織和葉基運(yùn)輸草甘膦，從而避免草甘膦對植物關(guān)鍵部位的傷害[16，17]。目前，由于草甘膦的高效性，只有少數(shù)雜草產(chǎn)生這種抗性，但草甘膦的大量使用，正使得抗草甘膦雜草種類持續(xù)增加。具有轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的雜草可能比普通抗性雜草更難清除，這對新型除草劑開發(fā)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

2 新型除草劑開發(fā)挑戰(zhàn)

2.1 雜草多重抗性

多重抗性是指雜草具有存在多種抗性機(jī)制，可以對兩種或兩種以上不同作用機(jī)制除草劑產(chǎn)生抗性。使用除草劑A后，雜草對除草劑A 產(chǎn)生抗藥性。使用除草劑B后，該雜草又對除草劑B 產(chǎn)生了抗藥性。對ACCase 抑制劑和ALS抑制劑具有抗性的雜草生物型被視為具有多重抗性，同時(shí)具有靶點(diǎn)抗性和強(qiáng)化代謝抗性的雜草也屬于具有多重抗性雜草。Tan等[18]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)于黑麥草多重抗性的例子，該類黑麥草可以同時(shí)抵抗ACCase抑制劑和ALS抑制劑這兩種不同類型的除草劑。

2.2 雜草交叉抗性

交叉抗性是指在一種除草劑選擇下，雜草對該種除草劑產(chǎn)生抗性后，對其他除草劑也產(chǎn)生抗藥性。使用除草劑A后，雜草對除草劑A產(chǎn)生了抗藥性，同時(shí)對未使用過的除草劑B 也產(chǎn)生抗藥性，可在同類除草劑的不同品種間發(fā)生，也可在不同類型除草劑間發(fā)生。ALS 抑制除草劑有三種類型，咪唑啉酮類、三吡并嘧啶類和磺酰脲類，上世紀(jì)英國和荷蘭就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鼠尾看麥娘對磺酰脲類除草劑出現(xiàn)抗性后，也具有了能抵抗其余兩種類型除草劑的能力，出現(xiàn)交叉抗性。隨著不同類型除草劑的聯(lián)合使用，具有多重抗性和交叉抗性的雜草種類將會(huì)持續(xù)增加，新型除草劑開發(fā)面臨著巨大挑戰(zhàn)。

3 雜草防治對策

3.1 防治原則

抗性防治采取“綜合治理，合理用藥，動(dòng)態(tài)監(jiān)控”的原則。因?yàn)殡s草產(chǎn)生除草劑抗性是由多種因素決定的，既取決于雜草本身的抗性能力，又取決于除草劑本身的作用靶標(biāo)和植物生長環(huán)境的諸多影響因素[6]。同時(shí)，要求施用者對用除草劑類型和除草劑劑量進(jìn)行評(píng)估，做到合理用藥，防止過度用藥造成農(nóng)田污染。最后，在用藥的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)田間雜草的情況斟酌用藥。

3.2 綜合防治措施

輪換不同作用靶標(biāo)類型的除草劑，防止長期使用同類型的除草劑使雜草產(chǎn)生抗性。動(dòng)態(tài)監(jiān)控田間的雜草情況和用藥記錄。根據(jù)田間實(shí)際出現(xiàn)的雜草進(jìn)行用藥，明確土地雜草情況，詳細(xì)記錄該地不同年份的用藥品種，次數(shù)，頻率。合理的耕作制度，如輪作等農(nóng)業(yè)防治策略。推廣除草劑增效劑，如預(yù)處理非離子表面活性劑。誘導(dǎo)增強(qiáng)作物體內(nèi)細(xì)胞色素P450和谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST）等解毒酶的活性。建立農(nóng)田抗性評(píng)估體系。開展田間風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，明確該地抗除草劑發(fā)生的頻率和抗性水平，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)水平制定抗性治理策略。發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)。采用無人機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的手段，實(shí)時(shí)監(jiān)控田間雜草情況，訓(xùn)練無人機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用機(jī)械防除代替除草劑防除。

4 未來展望

除草劑的大量施用雖然在一定程度上提高了作物產(chǎn)量，但隨之而來的是抗性雜草出現(xiàn)和土地污染。過去的50 年里，抗性雜草的出現(xiàn)促使人們將雜草控制視為一個(gè)綜合過程。這個(gè)過程中，人們需要同時(shí)考慮化學(xué)控制手段與非化學(xué)手段以達(dá)到防治的目的。雖然有關(guān)抗性的治理已經(jīng)有很多的方案，但雜草抗性治理的未來發(fā)展不容樂觀。因?yàn)殡S著作物生產(chǎn)成本提高和可用活性成分?jǐn)?shù)量的不斷減少，除草劑的目標(biāo)位點(diǎn)數(shù)量有限，在可預(yù)見的未來，抗性雜草會(huì)持續(xù)增加。雜草種群處于一個(gè)不斷變化的狀態(tài)，其抗性發(fā)展無可避免，雜草的多重抗性和交叉抗性也對新型除草劑研發(fā)產(chǎn)生巨大的阻礙。除草劑抗性雜草是所有農(nóng)業(yè)及相關(guān)人員面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問題，應(yīng)該更科學(xué)的防治雜草，盡量減少除草劑的使用，減緩抗性雜草的出現(xiàn)速度。