中國雜草生物學研究的新進展

強 勝

(南京農業大學雜草研究室，江蘇南京 210095)

雜草是雜草科學研究的目標對象，其生物學、生態學規律的研究將為雜草防治提供理論依據。回顧總結中國在雜草生物學研究方面取得的主要最新進展，不僅對制定雜草防除策略具有重要意義，也為未來開展相關領域的深入研究提供參考資料。文章根據2011—2017年間中國雜草科學工作者發表的主要論文、省部級以上成果獎勵等，重點在雜草群落發生分布及其演替規律、雜草稻生物學、寄生雜草生物學以及化學和生物除草劑作用機制方面的研究進展，進行回顧和總結。

1 雜草生物學和生態學研究進展

闡明雜草發生危害規律將為雜草的科學防治提供理論依據。南京農業大學強勝團隊采用七級目測法調查并結合多元數據統計分析，持續數十年系統地對長江中下游地區農田雜草群落組成及動態進行調查研究，揭示了該地區夏熟(麥、油)作物田中以拉拉藤屬為優勢的豬殃殃旱作地雜草植被類型和以看麥娘屬為優勢的看麥娘稻茬田雜草植被類型，包括看麥娘+牛繁縷+日本看麥娘+雀舌草稻茬田雜草群落、豬殃殃+野燕麥+波斯婆婆納+大巢菜丘陵地區旱地雜草群落、豬殃殃+波斯婆婆納+黏毛卷耳+大巢菜沿海灘涂旱地雜草群落、豬殃殃+麥仁珠+播娘蒿+麥家公溫帶旱地雜草群落，分布于秦嶺淮河以北的蘇北、皖北和豫南等地區。在夏秋季的水稻田中，有稗+節節菜+鴨舌草+矮慈姑早稻田雜草群落，稗+節節菜+鴨舌草+牛毛氈中稻、單季晚稻田雜草群落，節節菜+牛毛氈+鴨舌草+矮慈姑雙季晚稻田雜草群落[6-8]。在秋熟旱作物田中，有馬唐+鱧腸+鐵莧菜+狗尾草秋熟旱作物田雜草群落。這些雜草群落由于連作輪作制度，構成了時間和空間的組合，從而提出了雜草群落復合體的概念，即在同一塊田種植不同的作物就發生不同的雜草群落(顯雜草群落)，其發生根源是土壤中存在2～3個潛在的雜草群落的種子庫(潛雜草群落)。因此，針對雜草群落結構特點研發了以一次性復配化學除草劑為主的稻麥連作田雜草防除技術體系，特別是適應省工節本栽培方式的雜草防除技術。制訂了針對農田類型和區域草情特點的雜草防除的靈活技術規程，特別是針對水直播稻的“一封、二殺”和針對旱直播稻的“一封、二殺、三補”配套技術體系，確保了省工節本情形下的高產穩產[6]。

進一步明確了化學除草技術廣泛推廣應用、省工節本的輕型耕作栽培模式普遍實施、單季稻取代雙季稻、外來雜草入侵以及抗性雜草形成等，會導致農田雜草群落結構發生明顯演替。夏熟雜草群落成分中的菵草、稻槎菜演變為主要雜草甚至優勢種。外來雜草野老鸛草危害加重，而雀舌草、綿毛酸模葉蓼等主要雜草優勢度降低。輕型栽培方式下的少水管理，稻田中千金子和水莧菜在雜草群落中的地位提升后演化為優勢雜草或建群種，飄拂草增多，優勢雜草牛毛氈和水莎草等減少[9]。種子庫密度由低到高的順序為傳統手工插秧<機插秧<拋秧<水直播<旱直播<麥套稻，其中麥套稻和旱直播模式中有旱地雜草馬唐、碎米莎草等的危害，其雜草種子庫顯著高于其他模式，而其他輕型栽培模式的種子庫密度不足旱直播模式的1/3[10]。長江中下游地區典型稻作區隨灌溉水流傳播的雜草種子有14科21種，雜草種子隨灌溉水流輸入稻田[11]，這是長江中下游地區農田雜草傳播擴散的重要途徑。上述這些雜草生物學和生態學理論成為強勝等的江蘇省科技進步二等獎(2011)的支撐內容。Li等連續9年調查稻鴨共作農田的雜草種子庫及雜草發生動態結果表明，土壤種子庫的雜草種子密度持續下降，雜草發生量也隨之減輕，達90%以上[12]。此外，國內關于夏熟作物田主要雜草種子萌發的生物學研究也有進展，發現雀麥的種子可以在5～30 ℃、0～5 cm 深土壤層萌發[4]。棒頭草的種子萌發溫度為10～20 ℃，pH值及光照度幾乎沒有影響，0～4 cm深土壤層中種子可以萌發[5]。

2 雜草稻生物學

雜草稻(OryzasativaL. f.spontaneou)是一種在水稻田不斷自生并危害水稻生產的具有雜草特性的稻屬(Oryza)植株，全國雜草稻發生面積在 333.33萬hm2以上，已經成為危害廣泛的惡性雜草[13]。雜草稻與栽培水稻的形態、生理生化代謝、生長發育以及對除草劑的敏感性等十分相似，迄今還沒有安全有效的化學防除技術，因此研究其起源及演化規律是探尋防除方法的突破口。最近浙江大學樊龍江團隊對中國155個雜草稻種群和76個伴生栽培稻進行測序并分析發現，我國雜草稻均起源于栽培稻，而雜草稻去馴化并非是簡單地將栽培基因型恢復為野生型，而是利用新的變異和分子機制適應環境[14]。在此之前，一系列的研究工作也從不同側面為這一去馴化理論提供思路和佐證。利用SSR和InDel分子指紋檢測技術研究了中國雜草稻基因多樣性和基因結構，發現栽培稻的基因滲入對雜草稻種群的遺傳分化、雜草稻適應性進化起著重要作用[15-19]。通過比較不同水稻栽培方式下雜草稻單核苷酸多態性(SNPs)的頻率發現，人類活動對雜草稻適應性突變和突變的積累起到了至關重要的作用[20]。利用中性標記對東北雜草稻和水稻品種之間的進化關系進行了分析，發現當地品種的基因滲入，再加上選擇性的保留雜草特性，從而進化形成了東北雜草稻[21]。利用經典遺傳學雜交方法和分子標記方法檢測全國358個雜草稻株系，發現了16份雜草稻含有不育細胞質基因，這不僅提供了一個直接的證據，證明栽培稻與雜草稻存在基因交流，而且考慮到含有雄性不育基因的花粉是不可能正向漂移到雜草稻上的，僅可能是雜草稻的花粉反向漂移到雜交稻所產生的后代[22]。對中國南部地區雜草稻全基因組測序發現，雜草稻起源于秈粳雜交[23]。稍早，美國科學家發表在Nature Genetics上的論文對美國雜草稻測序并分析發現，南亞的栽培稻祖先的去馴化(de-domestication)過程是美國雜草稻形成的主要原因[24]。

南京農業大學強勝團隊在同質園中設計不同密度比例雜草稻與水稻單、混種，比較研究了雜草稻的競爭能力，結果表明雜草稻均表現出明顯的競爭優勢，能顯著影響栽培稻的生長和產量[25]。進一步比較研究了雜草稻和栽培稻幼苗生長特性，發現雜草稻出苗早而快，生長速度快，苗期表現出強競爭優勢，這主要歸因于苗期較強的光合作用能力[26]。此外，還有通過研究雜草稻與栽培粳稻(O.sativajaponica)雜交，發現雜草稻與粳稻雜交后代表現出較高的雜種優勢[27]。雜草稻的發生與危害主要取決于0～10 cm土壤層中的雜草稻種子庫，利用土壤種子庫或上季的種子發生量確立一個半經驗數學模型可以預測雜草稻的發生與危害，為防除或避免雜草稻危害提供科學依據[28]。復旦大學盧寶榮團隊研究了中國東部和北部雜草稻和栽培稻的種子發芽習性，闡述了雜草稻能改變其種子發芽以避免在不適宜的環境中生長的機制[29]。研究了不同生態型雜草稻的休眠基因，發現大部分種子休眠的QTL位點位置相同，表明不同生態型雜草稻在分化過程中大部分的休眠基因是保守的[30]。Zuo等系統評估了抗草銨膦轉基因水稻向雜草稻和栽培稻的基因漂移，發現轉基因水稻與受體水稻或雜草稻的花期重疊時間越長，后者的植株高度越低，其發生基因漂移的頻率就越大[31-32]。系統評價具有除草劑抗性基因的雜交F1、F2、F3后代的生存適合度表明了基因漂移風險的規律[33]。

總的來說，目前國內對于雜草稻的研究處于國際先進水平。但是，我國雜草稻類型多樣，來源復雜。此外，我國是水稻起源國，而雜草稻起源自栽培稻的去馴化，因此，深入開展對雜草稻類型、起源與演化的研究，將為其防除和水稻育種提供理論依據。

3 外來雜草入侵生物學

隨著國際交往日益頻繁，外來植物入侵已經成為雜草惡化的主要因素之一，外來入侵植物也稱之為外來雜草，開展外來雜草入侵生物學研究是應對日益嚴重的外來雜草問題的理論基礎。關于外來雜草的入侵機制大致可以分為預適應和入侵后快速適應性演化2個方面。快速適應性演化的研究中具有代表性的是中國科學院西雙版納植物園馮玉龍團隊針對紫莖澤蘭(EupatoriumadenophoraSpreng.)的相關研究，前期他們闡明了入侵紫莖澤蘭種群由于氮(N)主要分配到葉片從而滿足了光合作用構建的需要，增強了光合效率而在瘠薄的云南山區成功入侵，進一步深入研究發現紫莖澤蘭入侵種群演化出更高的光飽和光合效率(higher light-saturated photosynthetic rates)和光能利用率(photosynthetic energy-use efficiency，PEUE)，使入侵種群生長更快[34]。但是，CO2濃度升高反而減弱了這種效應，使得與原產地種群甚至入侵地的原生種澤蘭(E.japonicum)的生長速率相似[35]。Li等在其他外來雜草的研究有類似的發現，對7個不同緯度的豚草(Ambrosiaartemisiifolia)種群同質園試驗表明，入侵中國的豚草種群已經在花期和生活史上發生了緯度適應性的分化[36]。但是，也有研究認為，適應性的變異是可塑性的表現，并沒有發生適應性演化。加拿大一枝黃花(SolidagocanadensisL.)的鹽脅迫和遮陰的耐受性是可塑性的表現，而不是發生了快速的適應性演化[37-38]。互花米草(SpartinaalternifloraLois.)的同質園試驗表明，緯度依賴的植株高度、植株密度等營養和結實等生殖特征變異大多消失，這是形態可塑性[39]。

外來雜草的可塑性可能是獲得入侵性的重要因素之一。復旦大學楊繼團隊針對空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)適應水生和陸生生境表現出的可塑性，開展轉錄組學研究揭示空心蓮子草植株的差異表達基因達到7 805個，其中涉及到激素介導的信號通路，滲透調節，細胞壁重建和細胞程序性死亡等。環境敏感位點的轉錄調節與環境依賴控制的調控位點影響空心蓮子草對環境的響應。進一步與刺花蓮子草(Alternantherapungens)比較發現，適應陸生的刺花蓮子草在水生條件下可塑性較差，這表明基因表達介導的可塑性不是由于激素水平不同引起的而是由于目標組織信號傳導及受體類型和相對豐度差異導致的[40]。此外，利用RNA-Seq分析比較雄蕊正常發育或不育植株的B-class MADS-box 基因(ApAP3、ApTM6和ApPI)顯示，在正常發育的雄蕊中這些基因的表達量下降[41]。而可塑性可能受表觀遺傳機制影響或調控，用甲基化敏感擴增多態(methylation-sensitive amplified polymorphisms，MSAP)檢測方法分別檢測生長在水生和旱生條件下的空心蓮子草種群的胞嘧啶甲基化，結果發現，從水生到旱生，甲基化減少，反之則增加，根中的變化比葉更明顯[42]。此外，還發現microRNAs介導空心蓮子草受水環境影響的節間伸長的可塑性規律[43]。

基因甲基化的表觀遺傳是外來雜草快速適應性演化的一個機制。南京農業大學強勝團隊發現，紫莖澤蘭不斷向北擴散蔓延是因為發生了種群的耐寒性分化，種群耐寒性與采樣點的緯度呈顯著正相關性，與極端最低溫度和最冷月平均溫度顯著負相關。耐寒性較強的種群主要集中在采樣點的北部，而冷敏感種群和中度耐寒種群主要集中在南部和中部[44]。通過CBF轉錄途徑關鍵基因的克隆、基因表達量分析及轉基因功能驗證發現，CBF轉錄途徑在調節紫莖澤蘭的耐寒性過程中發揮關鍵作用。與冷敏感種群相比，耐寒性種群ICE1、CBF1、CBF3和COR基因顯著上調，而負調節的CBF2基因顯著下調。冷敏感種群超表達CBF1基因可以將紫莖澤蘭的耐冷性提高到與耐冷性植株相近。用亞硫酸氫鹽處理紫莖澤蘭基因組DNA，比較39個種群入侵地與原產地種群CBF轉錄途徑中的各關鍵原件的甲基化水平，發現雖然主要基因均有不同程度的甲基化，但僅有ICE1基因甲基化水平在不同種群間存在顯著差異。且南部種群甲基化水平普遍較高，而越往北甲基化水平越低，甲基化程度與種群耐冷性、入侵時間呈顯著正相關。編碼區ICE1基因胞嘧啶甲基化數分別具有50、61～63、66～69個等表觀遺傳單體型，分別對應著耐冷性種群、中度耐冷性種群和冷敏感種群。因此，ICE1基因的去甲基化顯著提高了ICE1及其CBF轉錄途徑各基因的轉錄水平，導致植物種群耐冷性的增強，成功向北擴散入侵。該研究不僅是首個將單個具體基因的表觀遺傳變異與外來植物入侵后的迅速適應性演化聯系起來的研究案例。而且還首次闡明了植物對低溫響應的表型多態性是受CBF冷響應轉錄途徑的ICE1基因甲基化水平的表觀遺傳變異所調節。因此，也給人以啟示，單個關鍵基因的甲基化變異，可能調節整個逆境響應轉錄通路，決定植物對不同環境因子響應的表型多態性[45]。

4 寄生雜草生物學

寄生雜草對作物的危害是世界范圍的問題，一旦發生，幾乎難以得到有效控制。為了尋求有效的防治方法，菟絲子(Cuscutachinensis)和列當(Orobanchecoerulescens)寄生生物學機制成為研究的熱點。中國科學院昆明植物所吳建強團隊關于菟絲子在寄主間傳遞環境脅迫信號的研究發表在國際頂級期刊PNAS上。菟絲子可以在寄主間傳遞代謝物、蛋白及mRNA等物質，最近通過大規模轉錄組分析研究發現，通過菟絲子傳遞昆蟲侵襲的環境脅迫信號，其介質就是茉莉酸，這種傳遞可以在不同物種甚至不同科物種間進行[46]。中國的大花菟絲子種群葉綠體全基因組比較分析表明編碼的功能基因與歐洲的種群完全相同，且基因排列順序也完全一致。不過，在它們之間存在251 個插入和210個缺失現象，很多插入缺失都是單堿基，但仍然存在4個長度超過 200 bp 的大突變，2個大的缺失發生在ycf2基因中，2個大的插入分別發生在trnF-psbE和matKtrnQ間隔區[47]。列當的寄生過程是在其種子萌發過程中通過感受、識別寄主的化學信號而實現的，西北農林大學的馬永青團隊系統研究非寄主如玉米(Zeamays)、小麥(Triticumaestivum)、大豆(Glycinemax)、棉花(Gossypiumhirsutum)、水稻(Oryzasativa)以及柳枝稷(Panicumvirgatum)等的根系分泌物質，發現可以誘導向日葵列當萌發，但不能夠寄生這些非寄主植物[48-52]。此外，浙江大學周偉軍團隊用茉莉酸處理向日葵種子，可以誘導寄主植物向日葵的整株的系統抗性，其主要作用機制是引起活性氧水平提高以及酚類和木質素含量增加，激活了過敏反應基因hsr的上調[53]。

5 化學及生物除草劑作用機制

迄今，在全球30余大類約500個有機化學除草劑中已發現的作用靶標有24個，然而，許多除草劑是如何殺死植物的作用機制仍不十分清楚。同已知的商業除草劑相比，文獻證據表明自然界中數量龐大、化學結構多樣、生物活性豐富的天然產物擁有更多的獨特的分子作用靶標，而且絕大多數的天然產物的作用靶點和機制仍然是未知的。隨著現代生命科學的飛速發展，一些新的除草關鍵性作用靶點陸續被發現，其殺草機制逐漸被揭示。除草作用機制的闡明一方面有助于對雜草基礎生理生化過程和分子機制的理解，另一方面為將來針對新靶點開發新除草劑提供理論依據。因此，除草活性物質、作用靶標以及除草相關基因的克隆、功能研究將是雜草科學甚至生物和化學領域研究的熱點[54]。

南京農業大學強勝團隊在國家“863”計劃重點項目的支持下，在前期明確紫莖澤蘭鏈格孢菌的致病毒素——細交鏈格孢菌酮酸(tenuazonic acid，TeA)為殺草譜廣、活性高、作用速度快的新型光系統抑制劑，與靶標雜草D1蛋白的256位氨基酸結合后，會阻斷光合電子傳遞鏈活性，引起過能量化，并導致葉綠體活性氧迅速爆發，引起葉綠體結構破壞，大量活性氧擴散到整個細胞中，進一步引起膜脂過氧化、細胞膜破裂、細胞器解體、細胞核濃縮和DNA斷裂，導致細胞死亡和組織壞死，最終殺死雜草[55]。TeA的活性中心是吡咯環，活性受環上5位烷基側鏈長度和疏水性的影響，據此修飾其結構，在獲得中國發明專利4件的基礎上，自2012年以來，獲得美國發明專利2件，日本發明專利1件[55-57]。進一步深入開展了TeA的作用機制以及作物耐性機制等研究，最新的研究表明，葉綠體蛋白Executer介導的單線態氧信號參與了TeA致病的過程[58]。棉花、煙草等作物對TeA具有天然的耐藥性，其可能的機制是TeA處理不能引起活性氧的大爆發，從而降低了對葉綠體等光合系統的傷害[59]。最新的相關研究成果已在Plant Cell Environment、Environmental and Experimental Botany等國際著名植物學期刊上發表[55]。

植物葉綠體是大多數除草劑的作用靶點所在，因此，抑制光合作用也是最常見的除草活性物質的作用機制。向梅梅等發現，空心蓮子草生防菌假隔鏈格孢(Nimbyaalternantherae)毒素2-乙酰基-3，4-二羥基-5-甲氧苯基-乙酸(vulculic acid)為多靶點光合作用抑制劑，能夠抑制光系統Ⅱ電子傳遞活性和葉綠體ATPase活性，主要作用靶點是光系統Ⅱ供體側的捕光天線復合物和放氧復合體，但精確作用靶點須進一步研究[60]。湖南省農業科學院從椰子中分離出除草活性化合物羊脂酸，研究發現羊脂酸除草機制可能與光合作用有關，能夠導致小飛蓬類囊體結構紊亂、葉綠體變形甚至破裂。他們用蛋白質組技術發現了羊脂酸處理與對照相比有112個差異蛋白，其中高表達46個、低表達66個，并用qRT-PCR驗證了差異蛋白中光合作用蛋白相關的A0A103XJN2、A0A103XLU4等6個基因的表達量[61]。沈陽農業大學紀明山團隊發現，鴨跖草莖點霉毒素具有光合作用抑制劑的特性，能夠降低葉綠素含量、抑制希爾反應活力、破壞細胞膜完整性、導致呼吸作用異常，從而抑制幼苗的生長[62]。此外，南京農業大學雜草研究室在研究馬唐致病型彎孢霉(Curvulariaeragrostidis)QZ-2000菌株時發現，在侵入馬唐組織過程中該菌會產生α，β-dehydrocurvularin毒素，該毒素對馬唐的希爾反應、非環式光合磷酸化和葉綠體ATPase活性均有較強的抑制作用。分子機制研究表明，該毒素能夠抑制葉綠體和線粒體功能相關基因的表達，引起葉綠體和線粒體的結構紊亂和功能障礙以及蛋白質合成受阻，最終導致植物生長減緩或死亡[63]。華南農業大學Wu等發現，植物堿黃連素(berberine)能夠降低鬼針草(Bidenspilosa)葉綠素含量、抑制根莖的生長，其可能通過改變植物細胞膜上脂肪酸的不飽和度，進而引起抗氧化酶活性的變化和細胞結構的畸變，最終導致細胞死亡[64]。

此外，南開大學Li等發現，磺酰脲類新除草劑單嘧磺隆和單嘧磺酯與傳統的甲嘧磺隆盡管有著共同靶點——乙酰羥酸合成酶(acetohydroxyacid synthase，AHAS)，但它們與靶標酶互作的機制更為復雜。在單嘧磺隆和單嘧磺酯與AHAS互作過程中，AHAS的Trp574、Gly121、Val196等氨基酸殘基起重要作用，其中Trp574通過與嘧啶環形成π鍵發揮關鍵作用[65]。華中農業大學Wei等以2，4-D 為模版合成了一系列N-硝基乙酰胺新化合物，通過酶活性和分子互作對接分析發現這類新化合物的最初作用靶點可能是AHAS[66]。

對比國際雜草生物學研究的水平，我國雜草生物學研究在雜草稻生物學、寄生雜草生物學機制、外來雜草快速適應性演化機制等領域的研究處于國際先進水平，但總體還處于趕超階段，因此，建議在國家重點研發計劃、國家自然科學基金及相關科技領域設立雜草科學重點研究項目，重點支持開展草害監測預警系統、基于基因及表觀遺傳組學的農田惡性雜草演化機制、農田雜草演替與成災機制、生物和生態防治新技術理論基礎、雜草抗藥性檢測技術及抗性機制等方面研究。同時，加強雜草科學國際間合作研究，尤其是同“一帶一路”沿線國家的合作，為構建我國雜草可持續治理的新技術體系提供理論依據，提升我國雜草科學研究水平和為農業實際生產服務的技術支撐能力。