李健+李美+高興祥+房鋒+董連紅

摘 要： 近年來隨著除草劑的持續(xù)廣泛使用，抗性雜草種群密度和發(fā)生面積逐步增加，雜草抗性問題已經是威脅我國糧食安全的重要問題之一。本文對我國目前雜草抗藥性發(fā)生現狀、抗性機理、轉錄組學技術在抗性雜草研究中的應用以及抗性雜草防除策略進行綜述，以期為我國抗藥性雜草的研究和治理提供一定參考。

關鍵詞：雜草；靶標抗性；非靶標抗性；轉錄組學； 防除策略

中圖分類號：S451.1文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）12-0165-06

農田雜草嚴重威脅作物產量，造成的經濟損失巨大[1]。我國也是遭受雜草危害最為嚴重的國家之一，2005和2006年我國受雜草危害面積均在7 000萬公頃左右，每年由雜草危害直接造成的糧食損失達238萬噸，直接經濟損失接近1 000億元左右[2]。我國有1 400多種雜草[3]，列入名錄的農田雜草有704種，屬87科366屬[4]，對農業(yè)生產造成危害的重要農田雜草有60多種[5]，其中惡性雜草包括野燕麥（Avena fatua）、看麥娘（Alopecurus aequalis）、馬唐（Digitaria sanguinalis）、狗尾草（Setaria viridis）、牛筋草（Eleusine indica）、柳葉蓼（Polygonum bungeanum）、反枝莧（Amaranthus retroflexus）、香附子（Cyperus rotundus）、白茅（Impevata cylindrica）、稗草（Echinochloa crusgalli）、異型莎草（Cyperus difformis）、鴨舌草（Monochoria vaginalis）、眼子菜（Potamogoton distinctus）、扁稈藨草 （Scirpus planiculmis）等[6]。雜草種群內，個體的多實性、易變性、多型性及對環(huán)境的高度適應性和遺傳多樣性是產生抗藥性的內在因素[8-11]，而除草劑的長期和單一使用會誘發(fā)抗性個體的產生，并對其加以篩選[12，13]。同時，近些年來，隨著除草劑的持續(xù)廣泛使用，抗性雜草種群密度和發(fā)生面積逐步增加[7]?？剐噪s草的存在使得相應除草劑的防治效果降低，選用除草劑難度增加，除草劑復配組合種類、劑量增加，這些不僅增加了雜草防治成本，造成作物產量損失，也易造成農作物藥害風險和環(huán)境污染。目前，雜草抗性問題已經是威脅我國糧食安全的重要問題之一。本文重點介紹了目前雜草抗藥性發(fā)生現狀、抗性產生機理和減緩雜草抗藥性的措施等內容，以期為后續(xù)雜草抗性研究提供理論參照，為我國抗性雜草的綜合治理提供參考。

1 雜草抗藥性發(fā)生現狀

自20世紀50年代在加拿大和美國分別發(fā)現抗2，4-D的野胡蘿卜（Daucus carota）和鋪散鴨跖草（Commelina diffusa）以來[14，15]，全球抗藥性雜草生物型一直呈上升趨勢。根據國際抗性雜草調查網站[7]發(fā)布的數據，截至2016年8月在其網站上登記的抗性雜草包括共250種雜草（其中單子葉雜草145種，雙子葉雜草105種）的471個抗性個體（圖1）。

據統計，已經登記的抗性雜草對23類不同作用方式除草劑中的160個產品產生了抗性[7] 。根據除草劑作用方式和使用量的不用，目前主要抗性雜草種類包括以下幾類（圖2）：

①抗ALS（acetohydroxyacid synthase，乙酰乳酸合成酶）抑制劑類除草劑雜草，ALS抑制劑類除草劑是已報道抗性雜草最多的一類，目前共有158種雜草對這類除草劑產生了抗性。早在1982年，澳大利亞（www.weedscience.org）就報道了首例抗氯磺隆的硬直黑麥草（Lolium rigidum）[16]。

②抗PSⅡ（inhibition of photosynthesis at photosystemⅡ，光系統Ⅱ抑制劑類除草劑）抑制劑類除草劑雜草數量緊隨抗ALS抑制劑類除草劑雜草之后，其中抗莠去津雜草已經達到73種（其中雙子葉雜草50種，單子葉雜草23種）[7]。

③抗ACCase（acetyl CoA carboxylase，乙酰輔酶A羧化酶）抑制劑類除草劑雜草，該類抗性雜草在數量方面僅次于前兩類，約50種雜草對該類除草劑產生了抗性。

④抗EPSP（5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase，EPSP合酶）抑制劑類除草劑雜草，抗該類除草劑的雜草近些年呈現快速增長的趨勢，目前抗性雜草數量已經位于第四位。

除了以上提到的幾類抗性雜草，還包括抗PPO（protoporphyrinogen oxidase，原卟啉原氧化酶）抑制劑類除草劑雜草、抗PDS（carotenoid biosynthesis inhibitors，類胡蘿卜素生物合成抑制劑）抑制劑類除草劑雜草、抗HPPD（4-hydroxyphenyl-pyruvate-dioxygenase，對羥基苯基丙酮酸雙氧化酶）抑制劑類除草劑雜草、抗生長素合成（synthetic auxins，生長素合成）抑制劑類除草劑雜草和抗DHP（dihydropteroate，二氫葉酸）抑制劑類除草劑雜草等。

截至目前，抗性雜草已經為害到全球范圍內66個國家的近86種作物，從抗藥性雜草的分布看（圖3），絕大多數抗性雜草種群都分布在除草劑應用水平較高的發(fā)達國家，但是這并不意味著我國就處在一個絕緣的地域內[17]。

自1980年在我國臺灣省發(fā)現抗聯吡啶類除草劑百草枯的蘇門白酒草（Conyza sumatresis）以來，中國已報道了41種雜草對不同除草劑產生了抗藥性，并且一些雜草已經對多種除草劑同時產生抗性[7]。其中已發(fā)現抗1種或多種ALS類除草劑的雜草包括雨久花（Monochoria korsakowii）、野慈姑（Sagittaria montevidensis）、播娘蒿（Descurainia sophia）、豬殃殃（Galium aparine）、薺菜（Capsella bursapastoris）、田紫草（Lithospermum arvense）、鵝腸菜（Myosoton aquaticum）、鴨舌草（Monochoria vaginalis）、馬唐（Digitaria sanguinalis）、稗草（Echinochloa crusgallivar）、野蔊菜（Rorippa indica）、看麥娘（Alopecurus aequalis）和日本看麥娘（Alopecurus japonicus）等；屬于ACCase抑制劑類除草劑抗性的雜草包括日本看麥娘（Alopecurus japonicus）、稗草（Echinochloa crusgalli）、看麥娘（Alopecurus aequalis）、菵草（Beckmannia syzigachne）、硬草（Sclerochloa kengiana）、千金子（Leptochloa chinensis）、馬唐（Digitaria sanguinalis）、棒頭草（Polypogon fugax）等；屬于PSⅡ抑制劑類除草劑抗性的雜草包括日本看麥娘（Alopecurus japonicus）、反枝莧（Amaranthus retroflexus）等。除了以上抗性雜草外，還有多種對其它類除草劑產生抗性的雜草陸續(xù)被發(fā)現。

2 雜草抗藥性機制

隨著抗性雜草的大量出現，對于雜草抗藥性機理的深入研究變得越來越迫切。目前已經研究和闡明的雜草抗藥性機理主要包括：靶標抗性和非靶標抗性機制[18]。由于靶標基因確定，易于鑒定，因此對于靶標抗性的研究目前開展得較多，研究較為透徹；而受制于雜草基因組序列資源的匱乏，對于同樣非常重要的非靶標抗性則開展較少，而這也是亟待開展的方面[20，35]。

2.1 靶標抗性（target-site herbicide resistance，TSR）機制

絕大多數除草劑作用于雜草體內專一的靶標酶，由于單一靶標除草劑的長期、頻繁使用，使得目標雜草長期面對一定的選擇壓力，靶標基因功能位點發(fā)生氨基酸水平的突變會導致靶標酶活性的變化，這是導致雜草產生靶標抗性的主要原因[9，19，20]，而有靶標基因功能位點突變的植株被選擇和保留下來[21]，從而導致了抗性雜草的逐年增加。

部分學者認為雜草靶標基因內功能位點發(fā)生突變，導致其和除草劑的親和能力下降，除草劑藥效降低甚至防治失敗，這是抗藥性雜草生物型（尤其是高抗生物型）出現的主要原因[18]。例如，PSⅡ抑制劑類除草劑的抗性與psbA基因位點突變有關，該基因編碼PSⅡ復合體中的D1蛋白。當前研究發(fā)現，D1蛋白第219、264和268位點氨基酸發(fā)生突變是導致雜草對PSⅡ抑制劑類除草劑產生抗性的主要原因。例如莠去津抗性雜草是由于D1蛋白264位點絲氨酸被甘氨酸取代所產生的[22]。

ALS類除草劑是主要通過抑制ALS酶的活性來達到殺死或抑制雜草生長的一類除草劑，目前全球發(fā)現并報道的抗ALS抑制劑的雜草中，共有8個氨基酸位點發(fā)生了突變。以擬南芥為參考系，這些突變位點在氨基酸序列的位置分別為：122位點丙氨酸（Ala122）被蘇氨酸、纈氨酸或酪氨酸取代；197位點脯氨酸（Pro197）被組氨酸、蘇氨酸、精氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、絲氨酸、丙氨酸、谷氨酰胺或天冬酰胺取代；205位丙氨酸（Ala205）被纈氨酸取代；376位點天冬氨酸（Asp376）被谷氨酸取代；377 位精氨酸（Arg377）被組氨酸取代；574 位點色氨酸（Trp574）被亮氨酸或甘氨酸取代；653 位點絲氨酸（Ser653）被蘇氨酸、天冬酰胺或異亮氨酸取代；654 位點甘氨酸（Gly654）被天冬氨酸取代，這些位置的氨基酸發(fā)生突變使得雜草對相應的ALS類除草劑產生了不同程度抗藥性[23]。

一般同一靶標基因內不同位點的突變也會導致不同抗性的出現，例如ALS基因內Ala122、Ala205、Trp574、Ser653和Gly654的突變可使雜草對咪唑啉酮（imidazolinones，IMI）類除草劑產生抗性，而對磺酰脲類（sulfonylureas， SU）除草劑則沒有或僅少數雜草產生抗性；而Pro197的突變可使雜草對SU類除草劑產生顯著抗性，而對IMI類除草劑則沒有或僅少數產生較低的抗性。靶標基因內同一位點的突變在不同雜草內也會造成不同的抗性水平，例如硬直黑麥草（Lolium rigidum）內Pro197（Pro-197-Ser/Arg/Ala/Leu/Gln）位點的突變導致其對SU類除草劑產生顯著抗性，對IMI類除草劑則沒有抗性；而異型莎草（Cyperus difformis）內Pro197（Pro-197-His）位點的突變則同時導致其對SU類和IMI類除草劑產生了抗性。而且，隨著單一類除草劑的持續(xù)使用，具有一個以上突變位點的抗性雜草也呈現逐漸增多的趨勢[18]。

靶標酶基因表達量的變化也是靶標抗性產生的另一個重要方面[18]，如5-烯醇式丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶（5-enolpyruvyl shikimate-3-phosphate synthase，EPSPS）是草甘膦的作用靶標，研究表明大腸桿菌E. coli細胞過量生成5～17倍的EPSPS，對草甘膦的抗性至少增加8倍[24]。

2.2 非靶標抗性（non-target-site herbicide resistance，NTSR）機制

非靶標抗性機制是盡量減少活性除草劑到達目標部位的數量，從而減少除草劑對雜草的損傷。主要包括雜草對除草劑的滲透、吸收和傳導減少，代謝解毒作用增強以及對除草劑的屏蔽或隔離作用等[25]。

其中代謝解毒機制（代謝抗性）是一種最常見的雜草非靶標抗性機制，通常是由細胞色素P450單加氧酶（P450s）、谷胱甘肽S型轉移酶（GSTs）和/或其它酶系的活性增強引起的[18]。P450s和GSTs是在植物體內的初級和次生代謝過程中發(fā)揮重要功能的家族酶，它們中的一些酶參與了除草劑的降解過程，是雜草代謝抗性產生的重要機制[26-32]。例如，一些P450s能夠促進除草劑芳基羥基化或烷基羥基化，GSTs能夠催化谷胱甘肽軛和而導致相應除草劑的活性喪失[20]。Gronwald等[33]研究發(fā)現苘麻（Abutilon theophrasti）對莠去津產生的抗性機理是由于谷胱甘肽與除草劑軛和作用的增加，進而提高了對除草劑的解毒能力；而大穗看麥娘（Alopecurus myosuroides）體內P450s活性的增強，使其同時對ACCase 和PSII抑制劑類除草劑產生了抗性[31]。

Dinelli等[34]研究表明，意大利兩種黑麥草（Lolium spp.）對禾草靈產生抗性的原因是雜草對除草劑的屏蔽作用或對作用位點的隔離作用使除草劑不能到達其作用位點，從而不能殺死黑麥草。

3 減緩雜草抗藥性的措施

3.1 轉錄組學在雜草抗性相關機理研究中的應用

明確雜草抗性產生的機理，篩選抗性相關基因和挖掘潛在新型靶標基因對于解決或減緩雜草抗藥性的產生至關重要。

研究顯示，非靶標抗性中諸多機制的發(fā)揮都伴隨著相應基因的表達變化過程，因此轉錄組[36]分析技術已經應用到雜草非靶標抗性研究方面，例如Todd AG通過RNA-Seq技術研究禾草靈非靶標抗性硬直黑麥草（Lolium rigidum）噴施禾草靈后的轉錄差異圖譜，篩選并初步鑒定了4個可能在硬直黑麥草非靶標抗性過程中具有重要功能的基因[37]。華南農業(yè)大學陳勇對抗百草枯牛筋草、中國農業(yè)大學鄭明奇對抗苯磺隆的播娘蒿和南京農業(yè)大學董立堯對抗精惡唑禾草靈的罔草的轉錄組分析篩選到了與除草劑轉運、吸收和降解等過程密切相關的差異表達基因[38]。而以轉錄組為研究對象的RNA-Seq技術無疑為更好地完善雜草非靶標抗性的產生機制提供了技術支持[23，37]。

3.2 傳統化學控草技術的多樣化

雖然化學除草劑的持續(xù)使用對雜草抗藥性的產生具有一定的促進作用，但是雜草抗藥性的產生是一個復雜的適應過程，化學除草劑仍然是最高效的除草方式。因此，除草劑的合理使用（多種除草劑交替使用、混用和閾值水平上使用除草劑等），不僅可以較大程度避免、延緩和控制雜草產生抗藥性，并且還可以擴大殺草譜、減少除草劑用量和降低成本等[39-44]。

3.3 農藝及生物除草技術的應用

雖然雜草抗性發(fā)生越發(fā)嚴重，但可以通過采取一系列措施來減緩雜草抗藥性的發(fā)生程度。例如，合理的農業(yè)生產操作（輪作、深翻、及時清除剩余雜草等），創(chuàng)造不適宜雜草生長的環(huán)境，抑制雜草萌發(fā)[45-48]；種植化感作物和研發(fā)高效微生物除草制劑等新型除草劑將成為大力發(fā)展和應用的技術[49-51]。

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