稻田稗屬雜草對芳氧苯氧丙酸酯類除草劑的差異敏感性及其機理

李永豐， 張自常， 楊 霞， 董明超， 張 彬， 韓建勇

(1.江蘇省農業科學院植物保護研究所，江蘇 南京 210014;2.美國FMC公司，江蘇 淮安 223001)

稗草(Echinochloa)是一年生禾本科稗屬植物的總稱，目前全世界已發現約有15種稗草，中國有8種［1-2］。稗草是世界惡性雜草之一，同時也是中國農田15種惡性雜草之一，對水稻、棉花等多種作物生產危害尤為嚴重，僅稻田危害面積就達6.7×107hm2［3-6］。江蘇省稻田稗屬雜草共5個種和3個變種:無芒稗［Echinochloa cruspavonis(H.B.K)Schult］、西來稗［E.crusgalli(L.)Beauv var.zelayensis(H.B.K)Hitche］、稗［E.crusgalli(L.)Beavu.］、光頭稗［E.colonum(Linn.)Link］、短芒稗［E.crusgalli(L.)Beauv.var.breviseta(Doell)Neilr.］、長芒稗［E.caudata Rochev.］、孔雀稗［E.cruspavonis(H.B.K.)Schult］和硬稃稗［E.glabrescens Munro ex Hook.F.］。由于稗屬雜草形態相似，在生產中往往將其作為一個草種防除，重復盲目地使用除草劑，加速了稻田雜草種群演替與抗性雜草產生，而稗屬雜草間對芳氧苯氧丙酸類除草劑的敏感差異性，目前未見研究報道。

噁唑酰草胺(韓秋好)和氰氟草酯屬于芳氧苯氧丙酸類除草劑，其高效、低毒、低殘留，是近年來廣泛應用于防控稻田稗草的常用莖葉除草劑。其作用機理表現為雜草葉片和葉鞘吸收除草劑，韌皮部傳導，除草劑積累于雜草的分生組織區，使脂肪酸合成停止，細胞的生長分裂不能正常進行，膜系統等含脂結構破壞，最后導致雜草死亡。通常植物在遭受脅迫時，植物體內也有一套復雜的活性氧(ROS)清除系統來保護植物細胞免受活性氧的損傷［7］。本研究將以江蘇省稻田中普遍發生的8種稗草為供試材料，采用整株生物測定的方法，通過測定施藥后25 d供試稗草對芳氧苯氧丙酸酯類除草劑(噁唑酰草胺和氰氟草酯)的GR50值，發現稗屬不同種群對供試藥劑的敏感差異性;進一步分析經供試藥劑處理后，供試稗屬草種的丙二醛含量，過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶的活性變化，闡明稗屬草種對芳氧苯氧丙酸類除草劑敏感差異性的生理基礎，以期為稻田稗屬雜草的綠色治理、農田生態環境保護提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

無芒稗、西來稗、稗、光頭稗、短芒稗、長芒稗、孔雀稗和硬稃稗均于2012年采自江蘇省稻田;供試藥劑分別為蘇中富美實植物保護有限公司提供的10%的噁唑酰草胺和浙江天一農化有限公司提供的25%氰氟草酯。

1.2 試驗準備與試驗設計

參照Yang等的方法［8］稍加改進。將底部打孔的直徑為9 cm的塑料盆缽裝滿土，底部吸水至土壤水分飽和，播種已解除休眠的上述5個種和3個變種，每個種或變種播48缽，每缽播種30粒種子，待出苗后定苗20株。稗草長至三葉期噴施藥劑。噁唑酰草胺所設劑量為0(清水)、22.5 g/hm2，a.i.、45.0 g/hm2，a.i.、90.0 g/hm2，a.i.(常用推薦劑量)、180.0 g/hm2，a.i.、360.0 g/hm2，a.i.;氰氟草酯所設劑量為 0(清水)、18.75 g/hm2，a.i.、37.50 g/hm2，a.i.、75.00 g/hm2，a.i.(常用推薦劑量)、150.00 g/hm2，a.i.、300.00 g/hm2，a.i.，每個種或變種處理4缽，篩選出對2種除草劑敏感、較敏感和不敏感的稗草種群，在此基礎上分別在敏感種群、較敏感種群和不敏感種群選擇一個種或變種再次按上述劑量分別噴施除草劑，測定保護酶活性。每個劑量處理6缽。噴霧采用農業部南京農業機械化研究所生產的3WPSH-500D型生測噴霧塔，噴霧壓力0.3 MPa，霧滴直徑 100 μm，噴頭流量 90 ml/min。

1.3 指標測定與數據處理

1.3.1 數據處理 藥后25 d，調查各處理稗草殘存植株數，并在105℃殺青15 min，75℃烘至恒質量，稱干質量。以對照(不施藥)處理的干質量為標準，分別計算供試藥劑不同劑量處理稗草的植株干質量抑制率，用SPSS統計軟件分別求出供試藥劑對8種稗草種群的毒力回歸方程式、GR50(抑制稗草干質量50%所需要的藥劑劑量)等，并以供試材料GR50值進行聚類分析，得到敏感、較敏感與不敏感的供試稗草種群。

1.3.2 保護酶活性測定 分別于處理后的第1 d、3 d和5 d用硫代巴比妥酸比色法［9］測定敏感種群、較敏感種群和不敏感種群整株中的丙二醛(MDA)含量、用比色法［10］測定過氧化物酶(POD)活性和過氧化氫酶(CAT)活性，用NBT光化還原法［11］測定超氧化物歧化酶(SOD)活性。

2 結果與分析

2.1 噁唑酰草胺和氰氟草酯對供試稗草毒力差異

由表1可見，噴施芳氧苯氧丙酸酯類除草劑后25 d，不同處理間的稗草干質量GR50值存在顯著差異，其中稗草種群對噁唑酰草胺最敏感，其GR50值僅為21.37 g/hm2，a.i.;無芒稗種群的GR50值為稗草種群的5.84倍。供試材料對噁唑酰草胺的敏感強弱次序為稗、長芒稗、短芒稗、西來稗、孔雀稗、硬稃稗、光頭稗與無芒稗。但是對供試藥劑氰氟草酯而言，西來稗種群最敏感，其GR50值僅為最不敏感種群無芒稗的1/3。供試材料對氰氟草酯的敏感性強弱依次為西來稗、長芒稗、孔雀稗、短芒稗、光頭稗、硬稃稗、稗和無芒稗。

表1 噁唑酰草胺和氰氟草酯對8種稗草的干質量毒力差異Table 1 Toxicity difference of eight barnyardgrass species to metamifop and cyhalofopbutyl based on GR50in dry matter

對稗草各種群GR50值作聚類分析，2種供試藥劑對8種稗草種群均可分為3類，噁唑酰草胺處理為:(a)稗和長芒稗，其 GR50值為 21.37～35.09 g/hm2，a.i.，為敏感種群;(b)短芒稗、西來稗和孔雀稗，其 GR50值為 47.38～80.39 g/hm2，a.i.;(c)硬稃稗、光頭稗和無芒稗，其 GR50值為 96.14～124.58 g/hm2，a.i.，為不敏感種群(圖 1);氰氟草酯處理為:(a)西來稗、長芒稗、孔雀稗、短芒稗和光頭稗，其 GR50值為 24.29 ～47.65 g/hm2，a.i.，為敏感種群;(b)硬稃稗和稗，其GR50值為59.35～62.26 g/hm2，a.i.;(c)無 芒 稗，其 GR50值 是 76.97 g/hm2，a.i.，為不敏感種群(圖2)。由此可見，稗屬不同稗草種群間對芳氧苯氧丙酸酯類除草劑不同藥劑的敏感性存在明顯的差異性。

圖1 噁唑酰草胺處理對8種稗草種群干質量GR50值的聚類分析Fig.1 Clustering analysis of eight barnyardgrass species based on the GR50in dry matter weight to metamifop

圖2 氰氟草酯處理對8種稗草干質量GR50值的聚類分析Fig.2 Clustering analysis of eight barnyardgrass species based on the GR50in dry matter weight to cyhalofopbutyl

2.2 供試藥劑對稗、西來稗與無芒稗植株體內膜脂過氧化酶活性的影響

為進一步驗證不同稗草種或變種對2種除草劑的敏感差異性，從敏感種群、較敏感種群和不敏感種群中分別選擇稗、西來稗和無芒稗為材料，從膜脂過氧化系統分析稗草種群植株中MDA含量、POD、CAT和SOD活性的差異。

2.2.1 MDA含量 圖3顯示，隨著除草劑處理劑量的增加和時間的延長，稗、西來稗與無芒稗植株MDA含量呈不斷增加的趨勢，表明細胞膜質過氧化作用加劇。藥后5 d，以供試藥劑最高劑量處理(噁唑酰草胺，360 g/hm2，a.i.;氰氟草酯，300 g/hm2，a.i.)為例，經噁唑酰草胺處理的無芒稗MDA含量是敏感稗的0.68倍;經氰氟草酯處理的無芒稗MDA含量為敏感西來稗的0.65倍，敏感稗草種群受到的傷害較不敏感大，說明稗屬雜草種群間抵抗脅迫的能力存在差異。

2.2.2 POD活性 由圖4可知，3種稗草噴施不同劑量的除草劑后POD活性表現不同。噴施噁唑酰草胺1 d后各處理隨著除草劑劑量的增加POD活性較對照(不施藥清水處理)增加，但增加幅度因稗草種群和除草劑劑量的差異而不同。在1/4推薦劑量、1/2推薦劑量、推薦劑量、2倍推薦劑量和4倍推薦劑量下，稗植株內POD較對照分別增加了 14.99%、20.20%、22.21%、13.82%和6.43%;西來稗分別增加了13.34%、19.76%、17.23%、10.74%和7.84%;無芒稗分別增加了2.85%、6.27%、10.88%、17.23%和5.56%，可以看出，敏感種群POD活性增加幅度較大，不敏感種群增加較為緩慢。隨著處理時間的延長，不同劑量下POD活性呈降低的趨勢。施藥5 d后，在1/4推薦劑量、1/2推薦劑量、推薦劑量、2倍推薦劑量和4倍推薦劑量下，稗的POD活性較對照分別下降14.80%、25.42%、21.29%、32.46%和53.18%;西來稗的 POD活性分 別 下 降 了 3.24%、18.43%、26.60%、35.98%和45.49%;無芒稗分別下降了6.78%、15.03%、16.94%、23.18%和32.50%，敏感種群下降幅度較大，不敏感種群下降幅度相對較小。3種稗草噴施不同劑量的氰氟草酯后也表現相似的變化趨勢。

2.2.3 CAT活性 3種稗草處理后1 d，CAT活性隨著除草劑劑量的增加呈先增加后降低的趨勢;隨著處理天數的延長，相同劑量下CAT活性逐漸降低(圖5)。噴施噁唑酰草胺后敏感種群稗草(圖5I A)增加幅度較大，1/4推薦劑量、1/2推薦劑量、推薦劑量、2倍推薦劑量和4倍推薦劑量下分別較對照增加了22.08%、26.90%、34.08%、24.78%和2.15%，但下降的幅度也較大，處理后5 d分別下降 了 9.18%、19.60%、31.14%、38.14%和54.54%;不敏感種群無芒稗(圖5III A)CAT活性增加幅度較小，降低幅度也較小。處理后1 d，1/4推薦劑量、1/2推薦劑量、推薦劑量、2倍推薦劑量和4倍推薦劑量下分別增加了7.17% 、9.08% 、10.22% 、12.94% 和 5.80%;處理后5 d分別降低了 7.75%、14.84%、17.70%、27.99%和40.76%。噴施氰氟草酯后3種稗草表現了相似的趨勢。

圖3 2種除草劑對不同稗草種群中MDA含量的影響Fig.3 MDA contents in the stem and leaves of three barnyardgrass species affected by two herbicides

2.2.4 SOD活性 與上述2種酶活性一樣，噴施2種除草劑1 d后SOD活性隨著劑量的增加呈先增加后降低的趨勢，敏感種群增加幅度大，不敏感種群增加幅度小;處理后5 d隨著劑量的增加3種稗草種群SOD活性均呈降低的趨勢，且劑量越大降低幅度也大。噴施噁唑酰草胺后稗草SOD活性變化幅度較大，不敏感種群無芒稗變化幅度較小。噴施氰氟草酯后西來稗變化幅度較大，無芒稗變化幅度較小(圖6)。

圖4 2種除草劑對不同稗草種群中POD活性的影響Fig.4 POD activities in the stem and leaves of three barnyardgrass species affected by two herbicides

3 討論

本研究表明，不同稗草種對芳氧苯氧丙酸酯類型不同除草劑存在明顯的敏感差異性，稗和長芒稗對噁唑酰草胺為敏感種群，短芒稗、西來稗和孔雀稗為較敏感種群，硬稃稗、光頭稗和無芒稗為不敏感種群;對氰氟草酯而言，西來稗、長芒稗、孔雀稗、短芒稗和光頭稗為敏感種群，硬稃稗和稗為較敏感種群，無芒稗為不敏感種群。喬麗雅對江蘇省稻田稗草發生情況的調查顯示，無芒稗、西來稗和稗在全省均有發生［12］，本研究發現這3種稗草對噁唑酰草胺和氰氟草酯存在差異敏感性。無芒稗對2種除草劑均不敏感，稗對噁唑酰草胺敏感，西來稗對氰氟草酯敏感。因此，對于耐藥性較強的無芒稗建議使用其他類型的除草劑替換噁唑酰草胺和氰氟草酯。

植物體在受到脅迫過程中，會產生大量活性氧，導致植物體內膜脂過氧化末端產物MDA含量增加和細胞膜結構完整性變差，但植物體內也存在POD、CAT及SOD等保護酶類能夠清除過量的活性氧，維持活性氧的代謝平衡，保護膜結構，從而使植物在一定程度上忍耐、減緩或抵御逆境脅迫傷害［13-14］。本研究發現，不同稗草種經2種除草劑處理1 d，稗草植株體內的POD、CAT和SOD活性均隨著除草劑劑量的增加先升高然后降低，敏感種群變化幅度較大，不敏感種群變化較為平穩，隨著處理時間的延長，POD、CAT和 SOD活性進一步降低，MDA含量增加。POD、CAT和SOD活性先上升的原因可能是由于稗草生物型體內自由基生成過高，誘導植株體內 POD、CAT和 SOD活性提高;三者活性后下降可能是除草劑脅迫作用超過了稗草自身的應激限度，最終導致膜脂質氧化產物MDA含量的增加、膜結構遭到破壞，使植物生長受抑制甚至死亡［15］。不敏感稗草較敏感稗草酶活性變化幅度小表明不敏感種群具有較強的自由基清除能力。

圖5 2種除草劑對不同稗草種群莖葉中CAT活性的影響Fig.5 CAT activities in the stem and leaves of three barnyardgrass species affected by two herbicides

本研究還發現，處理后5 d，耐藥性較強的無芒稗植株體內的MDA含量低于其他敏感稗草種，POD、CAT、SOD酶活性總體均高于其他敏感稗草種，這與其他研究結果相似［16-17］。推測在芳氧苯氧丙酸酯類型除草劑的脅迫下，不敏感稗屬雜草體內較高的SOD、POD和CAT活性是其產生耐藥性的重要原因之一。稗草的種及變種間對不同結構的除草劑存在耐藥性差異，生產上應該根據不同生態區稗草種的分布，科學合理地選擇除草劑及其施用濃度，經濟有效地治理稻田稗草危害。

圖6 2種除草劑對不同稗草種莖葉中SOD活性的影響Fig.6 SOD activities in the stem and leaves of three barnyardgrass species affected by two herbicides

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