雜草對除草劑抗性機制的研究進展及抗性治理對策

孫鵬，趙倩明

（1.新疆奎屯市農業農村局 新疆，伊犁哈薩克自治州 833200；2.新疆奎屯市畜牧獸醫工作站 新疆，伊犁哈薩克自治州 833200）

農田雜草防治一直備受關注，農間一般通過人工、機械、化學方式去除雜草。除草劑是大型農田雜草防治中使用最廣泛的化學除草方式。除草劑的廣泛使用，雜草在年復一年的馴化中會產生耐藥性，被稱為雜草抗性。雜草的除草劑抗性的首次報告可以追溯到20 世紀80 年代初，當時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生抗性的能力并可以遺傳，除草劑的過度使用導致抗除草劑雜草迅速蔓延，《國際除草劑抗性雜草調查》已經確認了數百種抗性雜草[2]。除草劑與非化學管理實踐相結合可以大大降低這種風險，但除草劑是大型農田中必不可少的工具，因此抗性雜草問題將會持續存在。本文綜述了雜草對除草劑抗性的不同機制的研究進展，并對雜草產生除草劑抗性的問題提出綜合防治方案。

1 雜草除草劑抗性機制

除草劑是通過分子層面破壞雜草組織結構的方式滅除雜草，如抑制雜草體內生物分子合成，減緩雜草細胞分裂，影響雜草光合作用，阻礙生長素合成等方式，除草劑與雜草體內的特異酶結合實現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結構，導致除草劑和特異酶之間特異性失效，除草劑不能有效結合特異酶失去除草效果。第二種方式是雜草自身進化產生的抗性，雜草通過加強新陳代謝將除草劑快速代謝出體內或將除草劑轉運到不會影響生長過程的部位，達到抗除草劑的目的。

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酶的特異結構域結合，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濟影響最大的，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基因發生突變，降低了ACCase 酶對除草劑的敏感性，導致靶標部位對ACCase抑制除草劑產生抗性。在抗性靶點機制中，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 位點的氨基酸替換[3]。相關報道表明，ACCase羧基轉移酶區域內的異亮氨酸替換亮氨酸使燕麥、狗尾草和黑麥草產生抗性[4-5]。雜草對ACCase抑制除草劑的抗性具有2個明顯特點：第一，抗性發展迅速，產生抗性的雜草種類多分布廣，且能對新研發的同類靶標除草劑產生抗性。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會造成農作物葉白化、扭曲，甚至干枯死亡。使用時要嚴格根據說明書使用。

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改變引起的。據報道，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]。此位點不是酶的催化位點而是獨立的除草劑結合位點，這就導致當突變發生時，區域內的每一種氨基酸的替換都有不同的交叉抗性模式，同時并不影響植物體內酶的活性。氨基酸替換的靈活性和酶保持活性可能是導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則會造成水稻葉尖干枯、植株黃化、蹲苗等現象。

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主要是抑制光合系統Ⅰ（PSⅠ）、光合系統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Ⅱ。針對光系統Ⅱ的除草劑會抑制光系統Ⅱ的還原側，這類除草劑對特異位點的親和力高于雜草本身，結合后改變蛋白質的氨基酸結構，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）不能合成，進而阻止二氧化碳的固定，導致植物不能正常進行光合作用[9]。由于此類除草劑的長期使用，多種雜草對PSⅡ抑制除草劑產生不同程度的抗性。針對光系統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Ⅰ的除草劑有百草枯、敵草快。此類除草劑在土壤中殘留時間長，對后茬敏感作物會造成危害，需要合理規劃種植方案。

1.4 雜草對細胞分裂抑制除草劑的抗性

抑制細胞分裂的除草劑可以直接作用于構成紡錘體的微管和微管形成中心等部位，使其功能喪失。細胞分裂抑制劑是通過與特異點結合，影響微管蛋白的功能，促使細胞向多極或不均等分裂，從而使植物無法進行正常的新陳代謝，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象變化，阻止除草劑特異結合，最終微管蛋白功能不受除草劑影響，細胞正常分裂。據報道，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品。此類除草劑是當前使用最多的除草劑種類之一，但此類除草劑使用時對土壤濕度有一定的要求，干旱會降低藥效，濕度過大又會產生藥害，需要時刻注意土壤環境變化，才能發揮功效。

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田地區的闊葉雜草。目前共有超過40種雜草被證實對生長素抑制除草劑具有抗性[12]。Popay等[13]報告在新西蘭觀察到了雜草對生長素類除草劑耐受性增強的現象。雜草對生長素類除草劑產生抗性的原因很可能和生長素結合蛋白的突變有關[14]。在這種情況下，生長素受體不僅不與生長素類除草劑結合，也不與內源性生長素結合。這意味著雜草在獲得抗性的同時也付出巨大的代價。該類除草劑的代表產品是萘草胺、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間長，過量使用會造成農田中動物的生長異常，破壞農田生態鏈。

1.6 雜草增強新陳代謝抵抗除草劑

大多數的酶是除草劑的作用靶標，但是酶在植物體內也起到代謝外源物質和有害物質的作用。解毒酶在除草劑進入植物細胞后對其進行修飾或分解，酶執行這項任務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胞色素P450單加氧酶和谷胱甘肽S-轉移酶（GST），其中細胞色素P450 單加氧酶與除草劑代謝有關。研究發現在一些表現出抗除草劑的雜草中細胞色素P450單加氧酶活性增強，這意味著細胞色素P450單加氧酶增加可以更快的代謝除草劑，從而達到抗除草劑的目的[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了雜草的草甘膦抗性進化。

1.7 雜草轉運機制抵抗除草劑

內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了雜草的草甘膦抗性進化。有研究表明雜草產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的轉運途徑。抗草甘膦的瑞士黑麥草和小蓬草減少向分生組織和葉基運輸草甘膦，從而避免草甘膦對植物關鍵部位的傷害[16，17]。目前，由于草甘膦的高效性，只有少數雜草產生這種抗性，但草甘膦的大量使用，正使得抗草甘膦雜草種類持續增加。具有轉運機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是一個挑戰。

2 新型除草劑開發挑戰

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制，可以對兩種或兩種以上不同作用機制除草劑產生抗性。使用除草劑A后，雜草對除草劑A 產生抗藥性。使用除草劑B后，該雜草又對除草劑B 產生了抗藥性。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，同時具有靶點抗性和強化代謝抗性的雜草也屬于具有多重抗性雜草。Tan等[18]已經發現了一個關于黑麥草多重抗性的例子，該類黑麥草可以同時抵抗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生抗性后，對其他除草劑也產生抗藥性。使用除草劑A后，雜草對除草劑A產生了抗藥性，同時對未使用過的除草劑B 也產生抗藥性，可在同類除草劑的不同品種間發生，也可在不同類型除草劑間發生。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，上世紀英國和荷蘭就已經發現鼠尾看麥娘對磺酰脲類除草劑出現抗性后，也具有了能抵抗其余兩種類型除草劑的能力，出現交叉抗性。隨著不同類型除草劑的聯合使用，具有多重抗性和交叉抗性的雜草種類將會持續增加，新型除草劑開發面臨著巨大挑戰。

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，動態監控”的原則。因為雜草產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和植物生長環境的諸多影響因素[6]。同時，要求施用者對用除草劑類型和除草劑劑量進行評估，做到合理用藥，防止過度用藥造成農田污染。最后，在用藥的過程中實時監控，根據田間雜草的情況斟酌用藥。

3.2 綜合防治措施

輪換不同作用靶標類型的除草劑，防止長期使用同類型的除草劑使雜草產生抗性。動態監控田間的雜草情況和用藥記錄。根據田間實際出現的雜草進行用藥，明確土地雜草情況，詳細記錄該地不同年份的用藥品種，次數，頻率。合理的耕作制度，如輪作等農業防治策略。推廣除草劑增效劑，如預處理非離子表面活性劑。誘導增強作物體內細胞色素P450和谷胱甘肽S-轉移酶（GST）等解毒酶的活性。建立農田抗性評估體系。開展田間風險評估，明確該地抗除草劑發生的頻率和抗性水平，根據風險水平制定抗性治理策略。發展智慧農業。采用無人機和神經網絡結合的手段，實時監控田間雜草情況，訓練無人機神經網絡，用機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量，但隨之而來的是抗性雜草出現和土地污染。過去的50 年里，抗性雜草的出現促使人們將雜草控制視為一個綜合過程。這個過程中，人們需要同時考慮化學控制手段與非化學手段以達到防治的目的。雖然有關抗性的治理已經有很多的方案，但雜草抗性治理的未來發展不容樂觀。因為隨著作物生產成本提高和可用活性成分數量的不斷減少，除草劑的目標位點數量有限，在可預見的未來，抗性雜草會持續增加。雜草種群處于一個不斷變化的狀態，其抗性發展無可避免，雜草的多重抗性和交叉抗性也對新型除草劑研發產生巨大的阻礙。除草劑抗性雜草是所有農業及相關人員面臨的一個嚴峻問題，應該更科學的防治雜草，盡量減少除草劑的使用，減緩抗性雜草的出現速度。