張翼翾 編譯

(上海市農藥研究所，上海 200032)

2050年被政府、行業(yè)和媒體視為1個重大時間點。預期在那時世界人口將達到90億峰值，全球需要竭盡全力提供充足的能量、淡水和食物(圖1A)。目前作物生產水平不足以養(yǎng)活預期數(shù)量的人口，要滿足此需求是對人類的重大挑戰(zhàn)。而氣候的變化、水資源的流失和可耕地面積的減少將加重此負擔。雜草管理對農業(yè)生產、景觀管理和環(huán)境非常重要，對是否能滿足未來糧食生產需求具有重要的作用。

本文是根據(jù) 2016年在波多黎各首都圣胡安舉行的WSSA會議撰寫而成。此專題討論會的目的為討論雜草防治長遠的未來以及構建雜草持續(xù)管理系統(tǒng)所需的知識。會議要求發(fā)言人從當前和正在出現(xiàn)的技術來料想如果在 2050年農業(yè)能夠生產出滿足世界人口所需的糧食，那么雜草管理必須是怎樣一種情況？雜草是一個持續(xù)存在的問題，而抗除草劑生物型雜草數(shù)量的不斷增加進一步說明雜草防治技術必須持續(xù)發(fā)展，趕超在雜草進化和適應前面。幸運的是，技術發(fā)展和生命科學新突破速度迅速，有潛力開發(fā)新的更好的雜草管理方法。

從現(xiàn)在到2050年的32年是較長的一段時間，期間許多事情可能發(fā)生，一些可預料到，許多卻想不到。這既是機遇也是挑戰(zhàn)。樂觀的觀點為作物遺傳學的創(chuàng)新將足以滿足世界約 90億人口對糧食的需求，雜草防治將永遠不會成為挑戰(zhàn)性問題。雜草將繼續(xù)進化和存在，我們應該以此為挑戰(zhàn)來開發(fā)持續(xù)的雜草管理方案。

最近的觀點為著眼雜草管理的未來，很好地總結當前雜草科學的優(yōu)勢、差距和需求。也有文章提倡改進研究問題的框架來揭示雜草生態(tài)和進化的基本原則，增加使用綜合雜草管理方法，更好地把基礎知識和應用雜草科學結合在一起，和/或抓住新的研究機遇。筆者贊同這些分析和建議，但在此提供不同視角：在較長遠的未來如何進行雜草防治。

本文將集中說明在以后幾十年中可能持續(xù)變化的雜草管理技術。雖然筆者沒有直接介紹雜草生物學，但預期促進新的雜草管理方法的開發(fā)的科學和信息加工技術的進步也會促進了解植物生長和發(fā)育、對脅迫的反應和與環(huán)境的相互作用的知識。確實，雜草生物學和生態(tài)學對雜草持續(xù)管理不可或缺，因為雜草種群對新選擇壓力不斷適應和進化。

1 在2050年使用的除草劑

1.1 傳統(tǒng)化學除草劑

從20世紀50年代早期到20世紀80年代早期，每2.5-3年就有1個新除草劑作用機制被發(fā)現(xiàn)，其產品被上市。然而，自20世紀80年代以后，就再沒有引入新的除草劑作用機制。雖然1個大公司已宣布他們正在開發(fā)1個新作用機制的廣譜除草劑，但自20世紀70年代中期起，對除草劑產生抗性的雜草數(shù)量呈線型增加，對新作用機制除草劑有很大需求。即使老作用機制的新除草劑也受歡迎(假設已進化抗性的雜草對其沒有交互抗性)，但引入的數(shù)量仍在下降。自20世紀80年代以來新作用機制的缺乏出人意料，應該要發(fā)現(xiàn)少許新作用機制。抗性除草劑的增加，再加上新作用機制除草劑的缺乏，幾乎所有現(xiàn)在的除草劑在2050年前不能用。

新作用機制的缺乏和除草劑發(fā)現(xiàn)速度的緩慢可能是由于農藥工業(yè)大公司的合并、抗草甘膦作物引入后非草甘膦除草劑市場的持續(xù)下降、對新產品更嚴格的管理要求(新產品的上市成本更高)和發(fā)現(xiàn)方法的收益不斷下降等因素所致。利用組合化學以較低成本生產大量的化合物進行高通量評估還沒有打破瓶頸技術?？傊哂欣献饔脵C制的新除草劑和抗老的除草劑(例如2,4-滴和麥草畏)的轉基因作物只是對一些現(xiàn)有雜草問題的短期解決方案，因為這些除草劑已存在抗性問題。

圖1 文章中討論的趨勢

利用負交互抗性，雜草對已產生抗性的除草劑類別的除草劑敏感增加，有潛力延長一些老除草劑品種的使用壽命。負交互抗性的一個例子為黑藻(Hydrilla verticillata)的八氫番茄紅素去飽和酶(PDS)基因(Arg-304 變?yōu)門hr)突變后，黑藻對氟草敏的抗性為58倍，但對吡氟草酰胺的敏感性增加5倍。另一例子為與光合系統(tǒng)II抑制劑等其他作用機制除草劑的負交互抗性。因此有負交互抗性的除草劑可以與有抗性的除草劑混用或代替之。此策略還沒有被應用，但在未來有助于延長老除草劑使用壽命。

1.2 新除草劑靶標和生物農藥

化學防治的未來依賴于新作用機制除草劑的發(fā)現(xiàn)，但這就存在一個問題，即是否存在新穎的好的除草劑靶標位點。首先，并不是代謝途徑中的每一個酶都是好的除草劑靶標。例如，即使分別為莽草酸和支鏈氨基酸途徑的5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合酶和乙酰乳酸合酶是優(yōu)異的除草劑靶標，這些途徑的其他酶的好的抑制劑除草活性太弱難以商業(yè)化。如果一個途徑的特有酶只有大部分被抑制才能使植物死亡的話，或者如果其為高豐度蛋白，或如果其產生途徑多于一個，此酶可能就不是好的除草劑靶標。因此，只有小部分潛在除草劑靶標切實可行。

目前應用的除草劑作用于 25個或更多的靶標位點，對天然植物毒素的研究表明還有數(shù)個其他新穎的潛在的除草劑靶標位點存在。但是，其中大多數(shù)情況為天然除草劑太貴，毒性太高，或缺少適宜的物化特性(例如吸收和遷移)而不是好的除草劑。但這些化合物是發(fā)現(xiàn)新靶標位點的途徑，這些靶標點可用于活體篩選成本低和/或有更好理化性質的活性化合物。

一個有發(fā)展前景的方向為發(fā)現(xiàn)和開發(fā)基于微生物副產物或植物提取物等天然產品的新穎除草劑。只對全球小部分微生物和植物進行了除草活性的篩選。具有新穎作用機制的除草活性化合物已被發(fā)現(xiàn)，一些化合物已是非常成功的商業(yè)化除草劑[例如基于膦絲菌素的草銨膦，日本研究人員從綠色產色鏈霉菌(Streptomyces viridochromogenes)和吸水鏈霉菌(Streptomyces hygroscopicus)發(fā)現(xiàn)的雙丙氨膦的分解產物]。Marrone Bio Innovations已對約15 000個微生物(細菌、真菌和放射菌)的水提取物和350個植物的提取物進行了篩選，發(fā)現(xiàn)數(shù)個具有新穎作用機制的新穎除草活性化合物。此公司正在開發(fā)一些微生物菌株和一個植物提取物，它們有希望成為經濟有效的商業(yè)除草劑，但從成功率來講，開發(fā)經濟有效和廣譜生物除草劑比開發(fā)生物殺菌劑、生物殺蟲劑和生物殺線蟲劑更有技術挑戰(zhàn)性。在20世紀80年代和 90年代許多公司進行了天然產品篩選開發(fā)研究，但抗草甘膦作物的出現(xiàn)導致這些研究的停止。今天的分子技術和其他工具能夠通過基因組學和代謝組學進行定向的有目的篩選。

1.3 RNA干擾除草劑和基因工程

1個潛在的新技術為使用RNA通過RNA干擾(RNAi)過程來沉默主要雜草基因，增加雜草對除草劑的敏感性或導致雜草死亡。RNA噴霧應用后有很大潛力管理雜草，因為RNA序列可被設計為選擇性作用于特定雜草品種或一組相關雜草品種。大概，目前除草劑靶標可能被抑制，但是與傳統(tǒng)除草劑不會有交互抗性，因為 RNAi有不同的機制作用。潛在的新靶標也可能被確定。

阻礙RNAi除草劑商業(yè)化的因素：把RNA制劑化為噴霧產品被靶標植物有效吸收的技術問題；另一挑戰(zhàn)為大規(guī)模經濟生產RNA的方法的開發(fā)，雖然成本正在大幅下降。此外，還不清楚雜草將會以什么速度對RNAi除草劑發(fā)展抗性。從監(jiān)管的方面看，還不清楚登記此技術除草劑需要多長時間，消費者群體的反對聲音也不能確定。不幸的是，還沒有有關應用噴霧 RNAi進行雜草管理的同行專家審查的研究文章，筆者只有一個大公司的會議報告表明正在投入大量工作開發(fā)此技術。

另一個開發(fā)除草劑的新穎方法為基因工程。例如多年前亞硝酸鹽已被推薦為除草劑，但其對作物的毒性大。通過基因工程，使亞硝酸鹽在作物體內代謝為硝酸鹽，這既給作物施用了磷酸鹽肥，也殺滅了雜草，而且也解決了藥害問題。此外亞磷酸鹽既對一些植物病原菌有毒，又誘導植物對病原菌產生防御作用。雜草抗性增加使可用除草劑數(shù)量持續(xù)減少會使這些創(chuàng)新方法更有吸引力。

壓制害物種群的革命性方法為使用“基因驅動”(gene-drive)技術。雖然不同產品作用機制不同，但此概念涉及的遺傳元素以高于孟德爾遺傳規(guī)律預測的50%概率傳遞給后代。人們了解此現(xiàn)象已多年，CRISPR/Cas9[成簇規(guī)律間隔短回文重復序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)]基因編輯系統(tǒng)的出現(xiàn)提供了產生基因驅動的簡單、有力的工具。CRISPR/Cas9能在個體的2個等位基因中有效插入定點突變，使雜合基因轉化為純合基因，把特定基因傳遞給幾乎所有后代。此技術具有很大的前景，因為含有一個基因驅動的生物的釋放可能(只在幾代內)導致已知基因被人類設計的基因取代。也許最簡單和最有說服力的例子是釋放具有基因驅動特性的基因的蚊子，此種蚊子不能夠傳播瘧原蟲(Plasmodium parasite)，以此來阻斷瘧疾病的傳播。相似地理念可被用于壓制雜草種群，例如，使抗除草劑長芒莧(Palmer amaranth)對草甘膦敏感或甚至直接降低入侵品種的競爭優(yōu)勢。

基因驅動技術帶來了與倫理和不期望結果相關的許多問題，但其有潛力作為管理生態(tài)系統(tǒng)的新工具。此技術還處在發(fā)展初級階段，對風險降低策略的研究和開發(fā)可能會導致公眾的接受。在任何情況下，它都是未來幾十年基本改變雜草管理的突破典范。

2 精準農業(yè)和機器人技術

2.1 精準需求

在2050年前，特色作物田中雜草管理將會發(fā)生顯著變化。除了除草劑發(fā)現(xiàn)難和抗性發(fā)展趨勢，蔬菜、花卉和草藥等高價值特色作物田中的雜草管理面臨著一些特定問題，如由于利潤少，除草劑登記者不愿意進行除草劑特色作物用途登記申請，特色作物用除草劑短缺，以及農場勞動力短缺和其他導致人工除草費用增加的因素。除草劑開發(fā)成本不可能下降，農藥生產者更不愿意接受除草劑對特色作物造成傷害的潛在責任，或農場勞動費用也不會下降，這些趨勢可能一直持續(xù)到未來。市場上傳統(tǒng)除草劑減少的另一因素為對有機食品需求的不斷增加。目前的條件最有利于發(fā)展機器人技術、機器視覺、作物/雜草監(jiān)測(即雜草防治自動化)和太陽能(效率、負載重量、電池壽命)，這些可能會成為以后32年中雜草管理的技術革命前沿。

一個例子為勞動力和除草劑的短缺導致自動化生菜疏苗器(automated lettuce thinner)和智能中耕除草機的開發(fā)。在亞利桑那州和加利福尼亞州大多數(shù)生菜直播于1 m或2 m寬的高位栽培床，每床種植多行，行間距為4～7 cm。一般，勞動者用鋤頭既除草又疏苗，使生菜植物間的距離為22～30 cm，費用約為 444美元/hm2。然而，疏苗需要及時進行，當勞動力少或沒有時，就需要替代方法。因此，小的工程公司已涉足來填補勞動力短缺所帶來空白。自動化生菜疏苗器和智能化中耕機以攝影機為機器視覺進行定點監(jiān)測，還含有耕耘刀或電磁閥管控的噴霧嘴。機器視覺攝影機把信息傳入處理器，處理器通過計算程序測出作物行(模式識別)和一行中作物間距。Mosqueda等人(2017)評估了5個商業(yè)化田間的生菜疏苗器的效果。它們發(fā)現(xiàn)自動和人工疏苗都能保持生菜植物間距為 26 cm，但自動化疏苗的標準偏差為3.8 cm，而人工疏苗為4.5 cm。人工疏苗和除草效率為29.3 h/hm2，相比機器疏苗加人工除草所用時間減少36%。

2.2 人、機器和作物共生

要開發(fā)商業(yè)化綜合雜草防治策略，機電一體化(電和機械工程結合)、機器學習和自動化機器等技術方案將具有重要作用。技術性雜草防除不再陌生，20世界 60年代加利福尼亞大學戴維斯分校對智能機器商業(yè)化用于農場作物栽培，以及英國對機器自動化對甜菜疏苗進行了早期開發(fā)研究。在過去的60年，工程師們一直致力于研究基于這些早期視覺的新的和改良的技術。例如，在20世紀90年代，加利福尼亞大學戴維斯分校的研究成功地設計、開發(fā)出了智能、精準的脈沖噴射噴霧技術(pulsed-jet spray technology)，此技術為移動平臺上的機器人系統(tǒng)能夠在田間雜草的單個葉(1 cm)片上施用微量除草劑。

研究表明先進的智能機技術能夠在成行作物田中雜草密度低時自動防除雜草，然而，商業(yè)化用于所有作物、雜草品種和生長條件仍有待研究。目前阻礙完全自動化雜草防除機器應用的最重要技術瓶頸為缺乏在田間條件下能夠以95%的比率檢測和區(qū)分很相似的作物和雜草的傳感器。已開發(fā)了先進的鑒定品種的軟件演算法，用于確定只有單個葉片圖像的植物品種。然而，Hearn表明即使應用先進的葉形狀識別算法，用自動機器視覺方法也只能識別151種品種的72%。以葉或植物形狀為特征進行識別的傳統(tǒng)機器視覺感受存在問題，因為雜草和作物葉片的混雜會遮擋視覺。在早期生長階段雜草密度低，從植物的大小和種植方式易于區(qū)別作物和雜草，故取得了一些商業(yè)化成功；在雜草發(fā)生中等或較重時，而植物大小不是檢測雜草的可靠方式時，需要新的方法來鑒定雜草。近期，2個最有發(fā)展前景的自動雜草防除系統(tǒng)的感應技術為高光譜成像和用于種植的作物繪圖感受器(crop-mapping sensor)的系統(tǒng)方法。

在雜草密度高的情況下監(jiān)測雜草的高光譜成像法比基于形狀的監(jiān)測法更有效，因為此方法能測定整個植物或葉形狀圖像的每個點的發(fā)射譜。通過對每個點的譜特征識別來確定植物種類。此方法除了對部分被遮擋的葉也有效外，Zheng和Slaughter發(fā)現(xiàn)此技術能夠很好地區(qū)分相似度高的植物種類[例如番茄和龍葵(Solanum nigrum)]，具有辨別相似葉形狀品種的能力。Hyperweeding方法由基因型決定，但環(huán)境相互作用對每個品種光譜反射率的影響也會對其造成影響。為了能夠商業(yè)應用，設備生產者需要開發(fā)先進的機器學習方法，能夠刻畫較廣生長環(huán)境中重要作物和雜草品種的光譜發(fā)射率。Zhang等人對2個階段專家系統(tǒng)的機器學習方法進行了研究，此機器學習方法首先應用“環(huán)境專家”，即以以前的權威知識數(shù)據(jù)確定與當前季節(jié)最匹配的以前生長季節(jié)的環(huán)境；然后，第二步應用“品種專家”，即以以前最相似生長環(huán)境數(shù)據(jù)對未知植物品種進行分類，來準確地區(qū)分作物和雜草；他們的研究表明這種機器學習方法能很好地與一定環(huán)境條件下植物基因型對應。

系統(tǒng)方法是另一有發(fā)展前景的技術，可短期內商業(yè)化用于開發(fā)智能機器進行自動化雜草防除。在此系統(tǒng)方法概念中，種植時繪制作物-植物位置用于后來作物的保護，例如雜草防除。除草機器人根據(jù)生長季節(jié)后期的實時作物-植物圖，一旦雜草出現(xiàn)，根據(jù)位置就能夠區(qū)別作物和雜草。研究者已表明利用精確到厘米的實時動態(tài)GPS在種植期間對作物位置進行實時作圖的可行性。PérezRuiz等人開發(fā)了自動的GPS除草系統(tǒng)，并經研究表明利用GPS作物-植物實時位置圖和一對小型機器人鋤頭自動殺滅作物行間生長的雜草的可行性。此技術的1個優(yōu)點為不需要受環(huán)境相互作用影響的作物或雜草基因型知識，能用于大范圍的作物品種和生長條件。另一優(yōu)點為精確到厘米的 GPS系統(tǒng)已在農業(yè)中商業(yè)化使用，隨著此類型技術的發(fā)展、精準度的提高與被采納，其費用可能下降。

2.3 機器人除草時代的開啟

機電一體化和自動化技術可能更有效，可商業(yè)用于未來雜草防除策略，已用于工業(yè)化國家的特色作物。一般，西蘭花、甘藍、田間種植的花、中草藥、生菜、洋蔥和番茄等蔬菜作物田進行手工防除行間雜草。工業(yè)已對行間中耕機自動化需求做出了反應。例如丹麥的 Robovator行間中耕機為每行作物裝備了2個平刃齒，在土表下1～2 cm處割除雜草。此平刃齒安裝在行間區(qū)域，當其接近作物時，計算機系統(tǒng)會調控平刃齒來安全穿過作物，然后再使其處于除草的位置。Robovator系統(tǒng)通過識別作物行和作物和雜草大小差異來辨別作物和雜草。對于Robovator，每行都有一個攝像機，攝像機的圖像被加工用以確定作物的位置，然后，計算機把信號傳導到除草執(zhí)行器(actuator)使其在適當?shù)奈恢么蜷_和關閉。對于西蘭花和生菜，與標準中耕機相比Robovator除草時間分別減少39%和27%。從斯坦福大學衍生出來的機器人公司Blue River Technology(http://www.bluerivert.com)正在開發(fā)另一現(xiàn)有方法。它們已經商業(yè)化了LettuceBot，此機器能精確地對生菜疏苗，現(xiàn)在正在把在棉花田精準應用除草劑防除雜草的名為“See &Spray”的技術引入市場。他們的方法為廣泛收集植物圖像，使機器能夠辨別作物和雜草。他們指出“不依賴空間和顏色來識別雜草”來檢測植物間的差異。此方法的優(yōu)點為潛在地降低除草劑的用量，特別是雜草密度低時，除草劑的精準噴霧和撒施間存在的差異顯著。

自動除草技術是替代性雜草防除工具，與在過去60年中占主導地位的傳統(tǒng)除草劑相比，更有發(fā)展前景，這至少對特色作物對來說是如此。目前全球有不到10個公司有能力發(fā)現(xiàn)、開發(fā)和登記除草劑。相比，有許多公司具有機器人的知識和技術，能夠開發(fā)自動化雜草防除設備，開發(fā)機器人除草機比開發(fā)除草劑的費用要低。因此，自動化生菜疏苗器依賴于自動化控制噴嘴來精準應用除草劑、酸或肥料。自動化行間中耕機依賴于改進的鋤頭刃。然而，有許多雜草防除技術要開發(fā)為自動化，如激光器、序貫燃燒或噴霧摩擦等。自動化雜草防除功效是傳統(tǒng)雜草防治技術和機器人之和。自動化技術、雜草檢測和驅動(actuation)和雜草防除設備結合在一起時，就創(chuàng)造了1個不同的有效工具。

3 雜草管理的生物學

3.1 提高作物的競爭能力

通過育種提高作物與雜草的競爭能力一直是雜草科學的目標。早期研究主要是確定在生長于高強度的雜草壓力下產量最高的栽培品種。Burnside研究了10個大豆品種對較長生長季節(jié)雜草壓力的競爭能力。其中3個品種：“Harosoy 63”、“Amsory”和“Corsoy”被確定為最有競爭力。然而，沒有分析這些品種產量高的原因。另一研究比較了3個高產、抗倒伏水稻品種與100～200種子穗/m的稗草(Echinochloa crus-galli)的競爭能力。結果表明晚熟品種更有競爭力，但沒有發(fā)現(xiàn)其競爭機制。小麥品種與野燕麥的競爭力歸于在早期苗發(fā)育過程中每單位面積的干物質的快速積累。Korres和Froud-Williams認為與品種相比，作物密度是增加作物與雜草競爭力的更好指標。最后，Watson等人通過對29個大麥品種與雜草競爭能力的研究總結到“相關系數(shù)不足以用以進行可靠的共同選擇育種項目”?？傊褜せ谛螒B(tài)性狀的對雜草的競爭力提高的作物不會獲得植物育種家需要的能確實增加作物與雜草競爭能力的知識。

1個替代策略為研究種間和種內的分子、生理和形態(tài)機制。要如此，就必須了解作物如何通過植物間的交流檢測相鄰的植物，以及如何通過作物的分子、生理和形態(tài)的改變把此信息轉化為行動。Rajcan和Swanton建議早期通過光質量的變化(特別是紅/遠紅光率)來檢測鄰近雜草，是了解早期植物競爭機制的新穎方法。對此假設早期作物-雜草競爭不受資源有限的驅動，但受到鄰近雜草苗引起的光質量變化的影響，已對此進行進一步的試驗。結果表明在缺少光、水和營養(yǎng)等直接競爭的情況下，鄰近雜草苗能夠引起大豆和玉米組織中 H2O2(脅迫指標)的累積。檢測到鄰近雜草苗的結果為作物的分子和生理發(fā)生變化，這可能是作物產量減少的機制。

種子處理不僅能保護作物，而且可能為“基因觸發(fā)器”，使作物禁得起非生物和生物變化所致生理脅迫。研究已表明用新煙堿殺蟲劑進行種子處理，能增加作物對雜草的競爭力。發(fā)現(xiàn)用噻蟲嗪處理種子能促進玉米種子發(fā)芽和根的生長，激活自由基清除酶，降低在鄰近雜草苗出現(xiàn)的情況下玉米苗中的H2O2積累。當大豆苗周圍存在雜草時，噻蟲嗪也阻止大豆小結節(jié)的減少。用少量化學物處理種子和觸發(fā)基因使作物對雜草的脅迫耐受性增加，是操縱作物-雜草相互作用的全新領域。

3.2 生物防治雜草

2050年的雜草防除策略也一定包括雜草的生物防除和生物除草劑。生物防除被定義為使用天敵或天敵復合體(生物防治劑)來壓制雜草。生物除草劑可能是植食性節(jié)肢動物(昆蟲和螨)、植物病原菌(真菌、細菌、病毒和線蟲)、魚[例如草魚(Ctenopharyngodon idella)]、鳥[例如雁屬(Anserini sp.)和其他動物(例如羊)]。進口和使用全球不同地方的非本地制劑防治(即壓制或管理)外來入侵雜草被稱為“傳統(tǒng)的生物防治”。使用一個地區(qū)固有的生物，增加其種群密度至高于正常水平進行雜草壓制被稱為“增強型生物防治策略”。

關于“生物除草劑”，首先，可大量生產的侵染雜草的土生土長的病原菌，已以高于天然種群密度的量用于壓制敏感雜草。換句話說，其為增強型策略，也就是人們所知的淹沒式生物防治。第二，根據(jù)美國環(huán)保局的專有名詞，有3種類型生物除草劑：⑴ 生物化學除草劑(微生物代謝物、植物衍生化合物和天然存在的化學物質)；⑵ 含有活的或死的微生物體除草劑、植物病原菌或非病原微生物和其代謝物混合物或無代謝物；⑶ 表達除草活性物質的基因修飾植物(融入植物的保護劑)。預料以上所有類型的生物除草方法會在2050年發(fā)揮作用，因為它們的發(fā)現(xiàn)和使用費用相對低，長期受益和持續(xù)性，有效，環(huán)境友好?；蛐揎棶a生抗雜草化合物(化感物質)的作物是這些生物防治技術中最不發(fā)達的。

應用節(jié)肢動物和病原菌的傳統(tǒng)生物防治在非作物田中雜草防除有悠久和輝煌的應用歷史，在全球不同地方使外來入侵雜草處于管理水平具有重要作用，常常取得很好的結果，可大大節(jié)約防治成本，減輕對環(huán)境的破壞。傳統(tǒng)生物防治法成功防治雜草的一部分例子有：用節(jié)肢動物防治空心蓮子草(Alternanthera philoxeroides)，用節(jié)肢動物防治貫葉連翹(Hypericum perforatum)，用節(jié)肢動物和次生病原菌防治澤假藿香薊(Ageratina riparia)和仙人掌屬(Opuntia spp.)，用一個病原菌防治傘樹(Acacia saligna)，用節(jié)肢動物防治干屈菜(Lythrum salicaria)，用節(jié)肢動物和次生病原菌防治鳳眼藍(Eichhornia crassipes)。

研究表明傳統(tǒng)生物防治法可用于天然區(qū)域、森林、牧場、一定水體和荒地等原生態(tài)地點管理侵入雜草，但不適宜用于農業(yè)用地雜草防治，因為會受到管理措施和種植周期的干擾。但是，展望2050年，用傳統(tǒng)生物防治雜草會有投資價值。雖然在某些情況下特定生物防治劑研究和上市需要 10年或更多時間，但成功投資的回報一般持續(xù)很長時間，且回報不斷增加。為了獲得持續(xù)的未來利益，需要以政府層面的政策來引導傳統(tǒng)生物防治劑發(fā)現(xiàn)、研究和引入。例如，應該有協(xié)調的全球框架來收集和分享生物防治劑，在上市前進行科學的風險評估、效果測定和成本-效益分析。

將可大量生產的微生物用作壓制雜草的生物除草劑是有前景的雜草防治法，在加拿大、中國、日本、荷蘭、南非和美國有數(shù)個制劑已被登記或批準使用，有 Lockdown?(以前登記為 Collego?)，含有膠孢炭疽菌合萌?；?Colletotrichum gloeosporioides f. sp.Aeschynomene)，防治吉尼亞田皂角(Aeschynomene virginica)；Chontrol?(以前用為 BioChon?)，含有的Chondrostereum purpureum防治雜草型闊葉樹和灌木；Hakatak?，含有Colletotrichum gloeosporioides f.sp. Hakeae防治葉哈克木(Hakea sericea)；Stumpout?含有Cylindrobasidium laeve防治黑荊樹(Acacia mearnsii)和Acacia pycnantha；SolviNix?，含有煙草輕綠花葉病毒，防治Solanum viarum。這些市場化生物除草劑和那些已登記但目前市場上沒有的生物除草劑在一定程度上服務于特定顧客，與化學除草劑相比，其應用非常少。這對于農業(yè)和環(huán)境中雜草的防除情況都是如此，原因有多種，如生物藥劑、氣候、雜草間不可控相互作用導致的活體生物除草劑性能不一致，產品儲存條件和半衰期等原藥方面，制劑和有時需要特定應用技術。此外，使用者對此陌生技術的接受度和與化學除草劑的競爭也是主要因素。這些產品的使用譜窄也決定了它們?yōu)樾∩钞a品。當然，隨著雜草對化學除草劑抗性的不斷增加，對抗除草劑的長芒莧(A. palmeri)有效的生物除草劑可能仍是有價值的產品。

為了在接下來的幾十年中微生物除草劑有更廣的接受度和實用性，未來微生物除草劑必須能控制多個而不是單個雜草品種。它們的防效應該基于一定穩(wěn)定的基因功能或在田間環(huán)境的溫度和濕度條件下較穩(wěn)定地獨立地起作用的代謝物。此外，在以后幾十年中，了解病原菌如何殺死植物細胞、組織或整個植物也應該是研究目標。為了達到此目標，必須進行傳統(tǒng)的搜尋-和-篩選來發(fā)現(xiàn)適宜的匹配的雜草-病原菌作為研究模型。例如，寄主-病原菌系統(tǒng)中病原菌的致病力能夠通過基因-基因的相互作用控制，這樣的系統(tǒng)可用于研究導致植物死亡的系統(tǒng)壞死如何被觸發(fā)和大發(fā)生。用組學法發(fā)現(xiàn)導致除草效果的雜草和病原菌基因和基因產品是可能的。在獲得植物-病原菌相互作用的更多知識時，使用基于RNAi、小干擾RNA和CRISPR/Cas9的分子方法在發(fā)現(xiàn)防治雜草的新產品和方法中具有重要作用。這些防治雜草的分子基因方法更易于被應用，如果它們被認為是生物控制，且按此類進行管理的話。

4 信息技術的延伸

4.1 通信和計算機

計算機和信息技術的發(fā)展將有利于雜草防治技術的發(fā)展，它們也會影響信息如何轉化和被用于制定雜草防治策略。信息量以指數(shù)級速度增長，難以精確預測在2050年信息如何轉化。目前，大學和工業(yè)專業(yè)人士使用所有的通訊資源把研究發(fā)現(xiàn)傳遞給客戶。這包括紙質出版物和時事通訊、電通訊、辦公室/田間拜訪，和email、Facebook、Twitter、Instagram、LinkedIn、Pinterest、blogs、NetMeeting等電子資源和許多其他方式。網站搜索引擎已很普遍且強大，通過它幾乎可獲取到所有信息，雖然信息的精確性可能讓人質疑。未來有足夠多的方式來傳遞信息，并且能更有效地應用這些信息。

當前正處在紙質文字轉變?yōu)殡娮觽髅降碾A段。估計在 21世紀早期全球有 80%以上的成年人能夠閱讀和書寫。然而，人們正進入電子傳媒時代，在這個階段，讀或寫的能力可能不再必要或常見。電子傳媒社會以記錄的聲音[通過收音機、圖(如 jpeg)的CDs、有聲讀物、廣播和音樂]和移動影像(電視、電影、MPG、流媒體、電子游戲和虛擬現(xiàn)實)取代了書面語。電子媒體社會雖然可能仍有文化人、會讀和寫的人，但他們選擇不讀和寫。此類別幾乎所有人具有傳媒、多媒體、視覺素養(yǎng)和轉化素養(yǎng)(transliterate)。當理解所寫文字的能力衰退，電子媒體產生。在1982－2007年，全美國人口有將近20%閱讀能力下降，18－24歲年輕人下降30%，目前4 000萬美國人的閱讀能力為最低識字水平。人們花費較少時間閱讀，但產生的純信息量繼續(xù)以指數(shù)級速度增長。公眾對電子聲音和圖像的喜愛永無止境。

4.2 未來信息傳遞的趨勢

至少有4個趨勢可能影響未來有關雜草管理的信息傳遞：可穿戴技術、情境化學習、大數(shù)據(jù)和擴充學習。可穿戴技術使種植者在田間時就能夠獲取最相關的信息資源。此技術目前以多種形式存在，如“感知(awareables)”(感知到人和其環(huán)境的穿戴技術)?？纱┐骷夹g包括智能手表、活動追蹤系統(tǒng)、智能首飾、頭戴式光學顯示器和耳塞?？纱┐骷夹g有3個要件：接觸、鏈接和情境(context)。接觸為與身體的物理接觸，使設備能夠檢測到穿戴者在干什么。需要連接到其他設備，產生智能形式。目前可穿戴技術僅局限于現(xiàn)在的智能電話，未來它們會成為與“云”鏈接的獨立設備。情境意味著可穿戴技術具有智能，了解使用者工作的環(huán)境，并形成數(shù)據(jù)傳輸出去。

情境化學習(contextualized learning)是指信息以個人能夠體驗的方式提供。農業(yè)中情景化學習的例子為當從你的種子經銷商買一包種子，從附近商店買6個包裝在一起的番茄，或從你的經銷商買1個農藥時，在交易中使用信譽卡，產品的供應者就會把個性化信息下載到買者電子設備上，例如種植時間、通過設備的電子追蹤特性測定的人所在位置的農藥應用建議。土壤類型、環(huán)境要求、肥力、濕度、成熟等信息根據(jù)人的位置發(fā)生改變。

“大數(shù)據(jù)”是指數(shù)據(jù)集很大或復雜，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)加工應用難以勝任。農業(yè)的數(shù)據(jù)集正在迅速地增長，部分原因為它們在被便宜的和多個信息傳感移動設備，天線(遙感)，軟件日志、照相機，麥克風，RFID閱讀器和無線傳感器網絡不斷收集。其中大多數(shù)已經被用于農業(yè)，預期它們的使用會增加。大數(shù)據(jù)分析的精確性可能會導致制定更自信的決策，更好的決策可能會導致更大的運營效率，成本降低和風險降低。大數(shù)據(jù)存在分析、捕獲、數(shù)據(jù)監(jiān)護(data curation)、搜尋、分享、儲存、傳遞、可視化、質疑和信息隱私等挑戰(zhàn)。

擴充學習為需求化學習技術，學習者以此來適應環(huán)境。學習者能更好地理解根據(jù)需求提供的信息。例如，不是以記住為主，學習者對當前內容進行適應性學習體驗。擴充文本可通過文本顯示、圖像、或錄像或發(fā)送音頻根據(jù)學習者自然環(huán)境來量身定制。擴充學習主要通過數(shù)字化形式進行。在桌面電腦環(huán)境中，學習者通過屏幕彈出窗口、工具欄接受補充的、情境資訊。在現(xiàn)實移動系統(tǒng)中，注釋可能呈現(xiàn)在學習者自個的平視顯示器上，或通過頭戴式耳機進行視聽學習。例如，谷歌眼鏡(Google Glasses)的app能夠提供視頻教程和人機交互方式。此技術可被用于提供有關雜草生理學和管理實踐的及時教育，例如，雜草的搜尋可通過把雜草的確定和相關潛在產量損失、管理選擇和警報除草劑抗性種群的相關信息結合在一起而進行。

盡管在未來可以新穎的方式來廣范圍獲取信息，但一些傳統(tǒng)教學場地可能繼續(xù)發(fā)揮作用，包括國家、地區(qū)和州種植者會議，田間和表演飛行，和進行實習培訓的學校和工作間。紙質或電子形式的州雜草防治指導可能繼續(xù)幫助種植者考慮采納有效的雜草防治措施。這些教育形式在過去大幾十年中一直持續(xù)著，即使參加的人數(shù)下降了。小組會議以討論、詳細解釋、話題的即興發(fā)散和提問和回答進行現(xiàn)場互動，這表明這些教育資源繼續(xù)發(fā)揮作用，如果這些以一些電子形式進行會受到限制和過程冗長。一些人在其小型卡車、拖拉機或辦公室中可能總是喜歡硬盤拷貝的州雜草指導或有關出版物的補充電子資源。

在雜草防治和除草劑使用中人類一貫的行為難以改變，這是學術和工業(yè)界已在考慮的重要問題。可從許多資源獲取有效雜草防治策略和除草劑使用的精準信息。這些信息已被很好地傳遞到主流農業(yè)中，不接受這些新的雜草防除策略和方法不是由于缺乏相關知識和信息所致。普遍的、長時間不接受持續(xù)的雜草防治措施已促進了抗除草劑雜草的進化。所有紙質刊物文章、衍生出版物、平面媒體和教育場所使用無數(shù)策略來改變人類的行為。盡管付出努力和進行教育來改變種植者的態(tài)度和行為，但他們接納這些新的雜草防治策略的速度緩慢。與其預言2050年雜草管理信息如何傳遞，還不如通過社會學家和社會經濟學家使準確的信息被更好地采用和使用。

5 下一代雜草科學家的培養(yǎng)

雜草科學為可預見未來雜草科學學生的基本知識。除草劑將繼續(xù)被使用，雖然以更有限的方式，因此對除草劑化學、生理學和技術的培訓必須繼續(xù)。到2050年雜草生物和生態(tài)的重要性不斷增加，因為對雜草發(fā)育和競爭性相互作用的了解會提供管理雜草種群的新選擇。由此，必須認識到雜草科學學生將需要更多樣化的培訓以適應于新的雇傭機會。如果雜草管理要跟得上雜草進化的步伐，就需要進行研究和培訓(表1)。

表1 對雜草科學研究和培訓的需求

根據(jù)雇傭的雜草科學畢業(yè)生，預測農業(yè)化學工業(yè)中的機會將可能進一步減少，因為大的化學公司的數(shù)量繼續(xù)減少和除草劑銷售轉入專注于銷售而不注重研究的一般分銷商。更可能的是在2050年雜草科學家將為小的技術公司工作，從事不需要大基礎設施的工程化、信息技術/大數(shù)據(jù)或生物技術的工作。農業(yè)實施工程和生產公司有充足的機會發(fā)展，這些公司整合使用機器人和雜草/作物傳感器技術和雜草防治器(actuator)。這些公司將需要懂得雜草生物學、生態(tài)學和雜草管理，但同時熟悉雜草感受技術和雜草/作物檢測和區(qū)分的科學家。雜草科學學生也將受益于學習基本的植物生理學和植物病理學，以及分子生理學、基因組學、生物信息學和生物技術，這些將是為植物競爭、植物病原菌相互作用或基因沉默發(fā)展新見解的沃土。結合應用不同的和不斷增長的雜草生理學和生態(tài)學以及影響它們的因素的知識對開發(fā)綜合雜草和抗性管理策略將是必要的。從以上可知，將需要學生具有技術悟性。這對不斷從試驗得到的大數(shù)據(jù)的操縱和解釋重要。學生將也需要做好準備與在實踐中采用技術的種植者溝通。種植者可獲得的數(shù)據(jù)量將增長，對雜草專家來說將會有許多機會使用這些數(shù)據(jù)來理解和管理雜草種群。

6 結 論

求，目前的雜草防治方法就是艱巨的任務。在沒有新除草劑作用機制或協(xié)調策略來管理和阻止除草劑抗性雜草的話，前景黯然。但計算機、機器人和生命科學的發(fā)展趨勢表明提高雜草防治的多個途徑存在，可結合現(xiàn)有方法開發(fā)出更持續(xù)的雜草管理系統(tǒng)(圖1)。然而，時間緊迫，新技術可能需要數(shù)年來開發(fā)和實施，因此需要有緊迫感。本文中已確定了研究和教育的優(yōu)先領域，希望將取得進展。希望在新穎和可持續(xù)方法的研究方面有更多投資，包括工業(yè)和商業(yè)以及州和聯(lián)邦出資人等多樣化資源投資。大學和政府實驗室應該設立致力于雜草管理新穎方法開發(fā)的新項目。法規(guī)的改進和激勵雜草防治創(chuàng)新之路的順暢也對促進以后幾十年中研究成果的實施有價值。最后今天的學生是在其專業(yè)職業(yè)生涯中應對此挑戰(zhàn)的人，他們必須被培訓和鼓勵去創(chuàng)造性思維來發(fā)現(xiàn)和實施轉換性雜草管理策略。