我國雜草學研究現狀及其發展策略

強 勝

（南京農業大學雜草研究室，南京 210095）

草害一直困擾著農業生產。我國有雜草1 400余種，其中嚴重危害的有130余種，分為5區、7亞區雜草植被類型。在每年投入235億元雜草防治費用的情況下，雜草仍然導致糧食減產5千萬t，直接經濟損失近千億元。自20世紀70年代以來廣泛推廣應用化學除草劑，當前我國化除面積已占播種面積的60%，基本上形成了以化學防除為主體的雜草防除技術體系［1］。我國除草劑在農藥市場中的比重已經達到25%以上。而在國際上除草劑已幾乎占到整個農藥市場的一半。大量化學除草劑的使用除帶來環境污染等問題外［2］，更令人關注的是抗藥性雜草種群迅速上升，產生新的雜草問題，敏感雜草種群滅絕，農田雜草多樣性遭到破壞，導致農業和生態危機，已經直接威脅作物生產安全和影響到農業可持續發展［3］；由于推行省工節本的農業輕型栽培技術，加重了草害發生；外來雜草的入侵也產生了新的雜草問題［4］。雜草群落演變，已經成為雜草成災的主要原因。

雜草科學除了上述為農業生產提供雜草治理的理論、方法和關鍵技術支撐的應用屬性外，還兼有重要的基礎理論特性。外來入侵生物、轉基因環境安全許多機制以及目前受關注的生物均質化問題，均基于雜草科學的基本原理或是屬于雜草科學范疇；雜草科學問題已經成為當今人類關注的全球環境變化的焦點之一。轉基因作物的研制和產業化最成功的基因性狀是抗（耐）除草劑轉基因作物［5］，雜草抗藥性研究將會貢獻出更多的抗性機制和抗性基因，培育新的抗除草劑作物［3，6］。雜草的形成與人類農業生產活動密切相關，雜草起源與進化的研究有助于揭開農業文明起源、作物起源等困擾人類的基本科學問題。生物除草機制的研究有助于揭示自然界存在的植物與植物、植物與其他生物的相互作用。

1 雜草學發展規律、研究特點和現狀

雜草防治是研究雜草發生、危害及其防治理論和防治技術的科學，屬于雜草科學（weed science）范疇。雜草和化學防除為兩個最核心和最基本的內容。其中，雜草是基礎，沒有雜草也就不需要有雜草防治，而雜草科學的形成和發展是與化學除草劑的研制和廣泛使用密切相關的，化學除草劑在未來相當長的一段時間仍然是雜草防除的重要手段。顯然，這是一門理論與實踐性很強的綜合性交叉學科，既涉及農業科學的各個分支，又與植物學、生態學、有機化學、生物化學、植物生理學、分子生物學等領域息息相關。需要通過在群落、種群、個體、細胞、分子水平上研究雜草的生物生態學、多樣性，揭示雜草形成、演化和發生危害的本質規律性，發展生物、生態、化學等防除技術，建立雜草有效治理技術與雜草資源綜合利用相結合的雜草可持續管理體系。20世紀是雜草科學尤其是化學除草劑形成發展乃至達到鼎盛的時期。但是，近20年來生物科學研究的飛速發展，推動并影響到雜草科學的發展方向，轉基因抗除草劑作物的商業化已經改變了除草劑的研制、生產、推廣和銷售的格局，導致了草甘膦為主導的除草劑單一化趨勢，隨之而來的雜草抗藥性以及與此有關的轉基因作物的環境安全問題也越顯突出，影響到以除草劑為主體的化學防除技術體系的可持續發展［6］；除草劑作用靶標的深入研究已經改變著傳統的除草劑研制方式；雜草生物防治和生物除草劑的研制和發展、通過生態調控途徑的雜草可持續管理技術的發展和應用，將改變完全依賴化學除草劑的狀態。這些都已極大地拓展了雜草防治的內涵和研究領域，也昭示雜草科學由其化學時代向生物學時代的轉變。另一方面，隨著外來雜草入侵導致的環境安全問題逐漸被人們所關注，形成了以田園雜草與環境外來雜草并重的雜草防治格局［7］。此外，除草劑的施用、雜草的機械、物理防治方法涉及物理和農業機械工程，除草劑的合成和生產涉及化工，雜草生態學及其生態控制涉及作物栽培與耕作，轉基因抗除草劑作物的研制涉及分子生物學、生物工程和育種學，雜草檢疫和外來入侵植物的管理涉及管理學科的原理。

2 國內研究現狀與存在差距

近10年來國家自然科學基金立項的雜草科學相關的課題200余項。它們大多為中青年學者所承擔，培養了一批該領域的學術帶頭人和學術骨干。特別是培養了百余名雜草科學的博士和碩士等高級專門人才，為未來發展奠定了人才基礎。其中，外來入侵植物立項最多，占30%。外來植物入侵機制列有2個重點項目，惡性外來雜草如紫莖澤蘭（10項）、互花米草（12項）、空心蓮子草（8項）、豚草和加拿大一枝黃花（各4項）等有較多的關注。由于外來入侵植物的地域性特點賦予這些研究的中國特色，對有效控制外來入侵植物危害產生了積極意義；已經在國際主流雜志發表數10篇論文，特別是紫莖澤蘭氮素分配機制增強競爭性的研究發表在國際知名雜志PNAS和Ecology上，在國際上產生了重要影響，這也是我國在雜草科學領域重大的突破［8］。其次，是化學除草劑的研制及其環境毒理占24%。我國首次發現了抗草甘膦野芥菜種群，也報道了我國多種雜草分別抗不同種類除草劑的案例，并對部分種類的抗性機制進行了解析［9－10］；通過除草劑作用靶標以及對靶設計以期合成新的除草劑品種是其中立項的重要方向，也促進了我國新型除草劑的創制，一些產品已經產業化或正在產業化，顯示出良好的前景?；凶饔醚芯考s占20%，雖然主要研究植物與植物通過化學物質產生相互作用，但多數研究是圍繞化感物的抑草及其作用機制；水稻化感作用物質基礎的闡明以及水稻與雜草間的化感相互作用、化感水稻品種培育等研究具有特色和一定國際影響［11－12］。受雜草生物生態學領域項目資助，建立了收集有千余種雜草子實和近3 000種雜草植株標本的雜草標本室，出版了《中國雜草志》，開設了“中國雜草信息系統”、“外來入侵植物網站”，點擊近百萬人次，在國內外產生了重要的影響。生物除草劑研究領域結合其他項目共同的資助，已經在生物除草劑機理研究方面取得了長足的進展，先后發表相關SCI論文10余篇；申請及獲得國家發明專利20余項，其中，國際專利2項；特別是四氨酸類物質作為新的光系統II抑制劑的發現具有原創性，引起了國際學術界的關注［13－14］。近年來的雜草稻和轉基因作物生態風險受到重視，其中“轉基因水稻基因外逃”得到重點立項［15］。

總之，本學科近年來有了長足的發展，加之外來生物入侵、轉基因作物環境安全均涉及雜草科學問題，使該領域的關注度得到顯著提升［16－17］。過去10年來科學基金項目立項的總體布局反映了雜草科學本身的發展規律，也基本符合實踐對本領域的需求。只是在生物防除、雜草多樣性、雜草抗藥性等領域的支持力度與其發展和社會需求有一定的差距。就本領域在農業生產中的重要地位而言，在重點、重大以及重點人才基金資助立項需要加強。就雜草學科的戰略地位和重要性，總體項目立項偏少，也一定程度影響到人才環境和學科本身的發展。

國內雜草科學研究總體水平與國際先進水平有較大差距，基礎研究薄弱，在轉基因抗除草劑作物研制、雜草基因組研究、除草功能基因研究、雜草抗藥性監測和機理方面研究、數字和信息技術在雜草識別、監測及其防治中的應用等方面尤為明顯；雜草科學的拔尖和領軍人才嚴重缺乏，研究團隊太少。

3 產業需求趨勢與重點研究領域

雜草生物學與生態學：雜草生物生態學是研究雜草學特性、多樣性和與環境相互關系的學科領域，主要包括雜草種類區系、重要雜草生物、生理生化特性、發生規律、種群動態和群落分布、雜草種子庫等規律。重點支持關鍵地區雜草多樣性調查研究、基于3S的信息資料采集處理和數據庫及信息服務系統建設、雜草的起源進化、雜草繁育系統及種群遺傳、雜草遺傳多樣性、雜草種子庫動態及傳播機制、雜草分布與生物均質化、雜草生理與生化適應機制、外來植物入侵機制、雜草群落演替規律、寄生雜草與寄主相互作用、雜草生態調控的原理及其方法等。

雜草化學防治技術：雜草化學防治是研究化學除草劑、作用原理及其應用技術的學科領域，主要包括除草劑創制、作用機理和靶標、除草劑合成和劑型、除草劑施用技術、雜草抗藥性、除草劑毒理及殘留等。重點支持新型除草劑的合成，新穎活性化合物的作用機理，新除草作用靶標發現，除草劑環境毒理、殘留及其治理方法的原理，雜草抗藥性檢測和監測技術，雜草抗藥性調查及其形成機制，抗性基因的發掘及其在抗除草劑作物中的利用等。

雜草生物防治技術：雜草生物防治是研究利用雜草生物天敵控制雜草的技術及其原理。主要包括雜草天敵資源、專化性、雜草與其他生物的相互作用、抑制作用機理和作用靶標等。重點支持重要雜草天敵資源的系統調查和除草潛力的評價，生物防治的方法及其原理，新穎生物源化合物結構，除草作用機制和靶標，化感作用及其機理，化感抑草及其在作物育種中的應用，除草活性物的代謝途徑及其關鍵基因。

雜草綜合防治技術：雜草綜合防治是研究利用各種技術方法防治雜草的技術及其原理。主要包括基于雜草預測預報和防治經濟學基礎上的雜草管理方法、雜草其他防治技術及其綜合應用效應、雜草治理的理論和策略等。重點支持雜草的農業、物理、機械、雜草檢疫等防治技術及原理，轉基因生物環境安全評價和外來入侵植物風險評價技術基礎，雜草資源化利用原理，雜草預測預報的理論與方法，雜草防治經濟學基礎。

雜草的起源與演化的研究：雜草是伴隨人類生產和生活活動而逐漸演化形成的，與作物的起源具有在時間和地點上的一致性，中國是農業文明和作物的主要發源地，有著豐富的研究資源。通過古生物學、生態學、分子生物學、基因組學等研究手段與方法，交叉協同開展研究。該研究成果將有助于揭示外來生物入侵、植物起源的本質問題、促進農作物起源的研究，特別對解決全球氣候變化、生物均質化趨勢等環境問題有重要意義，也將為雜草防治技術實踐提供基礎理論［18－19］。

雜草群落演替規律的研究：雜草群落演替，已經成為我國雜草成災的主要原因。除草劑大量長期使用一方面使敏感種群消失，另一方面導致抗藥性種群形成，外來植物入侵導致優勢種的改變，作物輕型栽培技術的推廣應用導致農田生態環境改變，產生新的雜草問題等，已經直接影響到久以建立起來的以化學除草為主體的防治技術體系，威脅到我國糧食生產安全。采用植物學、生態學、生物化學、分子生物學、信息技術等學科的方法從群落、種群、分子等多層次、多水平、多途徑開展交叉綜合研究，在群落、種群和分子水平上揭示雜草群落演替規律［3］。

生物源除草劑的研究：雜草的生物防治是解決當前雜草防治面臨的雜草抗藥性、除草劑單一化挑戰的重要途徑，也是適應可持續農業的發展方向。利用我國特有的雜草生物防治多樣性資源，采用植物生理學、植物病理學、有機化學、生物物理學、生物化學、分子生物學等學科的方法從個體、細胞、分子等多層次、多水平、多途徑開展交叉綜合研究，在分子水平上揭示雜草與生物間的相互作用機制，為創制具有自主知識產權的生物源除草劑奠定理論基礎［20］。

4 促進雜草學發展的策略

基于雜草科學關系到農業生產安全，以及與全球環境問題、轉基因作物環境安全密切相關，應適當增加雜草防治學科在基金面上項目的配額，加大對該領域重點、重大以及重點人才基金資助立項力度。選擇有雜草科學研究基礎的機構支持雜草科學學術團隊建設，凝練特色和研究方向，促進團隊整體研究水平提高。

加強在雜草防治領域科研環境建設，推進雜草多樣性信息中心、雜草抗性檢測監測中心的建立。因為，在農業生產、環境保護、國際交往和公眾認知方面對雜草標本和種質、種類、分布、危害、雜草抗藥性預測、預報等信息的社會需求十分迫切，目前的資源遠不能滿足，雜草抗藥性信息幾乎還是空白。根據雜草發生危害的地域特點，配合雜草科學部門相關重點實驗室和野外臺站建設工作，分別在北方和南方建設雜草及其防治科學研究中心，而在主要農作物的產區側重于應用基礎和應用技術研究的雜草學科建設。

加強雜草科學人才基地和發起短期培訓計劃，組織有培訓資源的專門研究機構開展雜草學教師和研究生的實習，組織全國短期雜草知識和防治技術培訓班，普及相關知識。

5 國際合作

雜草抗藥性現狀調查、快速檢測和監測不僅關系到我國除草技術體系的安全，也關系國際除草劑產業發展，需要密切加強國際間抗藥性雜草信息、檢測技術和控制方法的交流。

外來雜草具有國際間相互入侵性的特點，要闡明外來雜草入侵機制并制定相應的管理策略，迫切需要加強國際間協作開展起源與入侵地間地理分布、生理生態適應性和種群遺傳結構等比較研究。

雜草生物防除技術會涉及國際間自然天敵引進利用、雜草與其他生物相互作用及作用機制和靶標等的基礎理論研究，需要在研究方法和技術等方面的學術交流。

選派科研人員到國際先進實驗室或周邊相關國家開展學術交流和合作研究，聘請一批高水平的海外雜草學家和優秀科技人才團隊到國內從事合作研究、學術交流、技術培訓或工作任職。開展國際間雜草科學研究生的合作培養。

加強與美國農業研究局（ARS）、加拿大農業與食品局（AFC）和澳大利亞科學院（CSIRO）以及歐盟等國家農業科研機構建立雙邊或多邊合作關系。通過雙邊或多邊合作基金尋求在雜草科學研究中的立項。

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