潘 浪, 劉 敏, 劉偉堂, 徐洪樂, 黃兆峰,李 俊, 張 錚, 齊 龍, 柏連陽

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，長沙 410128；2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，泰安 271018；3. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，鄭州 450002；4. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，北京 100193；5. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，南京 210095；6. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；7. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，長沙 410125)

我國是雜草危害最嚴(yán)重的國家之一,全國共有雜草1 430余種(變種),造成嚴(yán)重危害的130余種,每年由于雜草危害造成的作物產(chǎn)量損失達(dá)9.7%[1]。農(nóng)田雜草侵占農(nóng)田地上和地下部空間,與作物爭水、爭肥、爭光,影響作物的正常生長;有些雜草是多種病蟲害的重要中間寄主;有些雜草會(huì)惡化環(huán)境,破壞生態(tài);有些雜草含有毒成分,影響人畜健康和安全。農(nóng)田雜草大大降低了作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,增加了管理用工和生產(chǎn)成本,嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

雜草科學(xué)是研究雜草生物學(xué)特性、生長發(fā)育規(guī)律、分類與鑒定、分布與危害、群落結(jié)構(gòu)與演替、抗藥性機(jī)制、防治技術(shù)的綜合學(xué)科。雜草生物學(xué)和生態(tài)學(xué)研究是認(rèn)知雜草的重要基礎(chǔ),雜草致災(zāi)機(jī)制、雜草抗藥性機(jī)制研究是構(gòu)建雜草防控技術(shù)體系的理論依據(jù),而雜草綜合防控技術(shù)研究則是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要保障。近5年(2018年-2022年)來,在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持下,我國雜草科學(xué)研究取得了系列重要進(jìn)展。本文重點(diǎn)闡述了近年來我國雜草科學(xué)在雜草生物學(xué)和生態(tài)學(xué)、雜草抗藥性機(jī)理、除草劑安全劑作用機(jī)理、雜草綜合防控技術(shù)等領(lǐng)域取得的重點(diǎn)研究進(jìn)展和成果,并展望了今后雜草科學(xué)的發(fā)展方向。

1 學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 雜草生物學(xué)和生態(tài)學(xué)

1.1.1雜草基因組學(xué)

基因組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新為雜草科學(xué)研究帶來新機(jī)遇,有助于探索雜草適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制。Ye等[2]結(jié)合二代Illumina、三代PacBio以及HiC技術(shù)獲得了稗屬Echinochloa六倍體稗E.crus-galli(L.) P. Beauv.、四倍體水田稗E.oryzoides(Ard.) Flritsch.和二倍體E.haploclada(Stapf) Stapf的高質(zhì)量參考基因組?；蚣易宸治鲲@示包含NB-ARC結(jié)構(gòu)域等的疾病抗性相關(guān)基因在稗草多倍化過程中發(fā)生了明顯的丟失,這與小麥多倍化過程中的情況正好相反。說明自然選擇可能更偏向于降低雜草中抗性相關(guān)的投入,轉(zhuǎn)而最大化其生長和生殖性能。與小麥以及其他作物中檢測到的不對稱基因組演化模式相反,E.oryzoides和E.crus-galli亞基因組中沒有發(fā)現(xiàn)選擇壓的差異。另外,稗草與普通小麥一樣,在六倍化之后不同亞基因組上的轉(zhuǎn)錄表達(dá)存在明顯的動(dòng)態(tài)差異。該項(xiàng)研究對經(jīng)歷人工選擇(作物)和自然選擇(雜草)的多倍化基因組適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制進(jìn)行了比較,增加了對植物多倍化進(jìn)化機(jī)制的理解和認(rèn)識(shí)。Wu等[3]組裝了異源六倍體稗、異源六倍體光頭稗E.colona(Linnaeus) Link和異源四倍體水田稗這3種稗屬植物的基因組,并對16個(gè)國家的737份稗屬材料進(jìn)行重測序,將全球稻田稗屬植物分為E.crus-galli、E.oryzoides、E.walteri(Pursh) A. Heller和E.colona4個(gè)種,系統(tǒng)發(fā)育和群體結(jié)構(gòu)分析將E.crus-galli進(jìn)一步分為5個(gè)變種:var.crus-galli、var.crus-pavonis、var.praticola、var.oryzoides和var.esculenta,且不同變種之間基因交流頻繁?；诓糠植牧系某輨┛剐员硇?發(fā)現(xiàn)了ALS抑制劑類除草劑潛在抗性靶標(biāo)位點(diǎn)Gly-654-Cys和二氯喹啉酸潛在抗性靶標(biāo)位點(diǎn)Arg-86-Gln。稗草的基因組數(shù)據(jù)為研究除草劑靶標(biāo)抗性(target site resistance, TSR)相關(guān)變異和非靶標(biāo)抗性(non target site resistance, NTSR)基因提供了豐富資源,促進(jìn)了雜草對除草劑抗性演化、雜草進(jìn)化生物學(xué)、作物與雜草互作以及未來氣候變化下新型雜草防控策略的研究。Wang等[4]報(bào)道了四倍體雜草千金子Leptochloachinensis(L.) Nees的染色體級(jí)參考基因組和基因變異圖,發(fā)現(xiàn)千金子基因組由兩個(gè)1 090萬年前分化的二倍體祖細(xì)胞組成,兩個(gè)亞基因組不存在分離偏倚和基因表達(dá)優(yōu)勢,并通過轉(zhuǎn)錄組分析證明四倍體化是千金子抗除草劑基因的重要來源。對國內(nèi)采集的89份材料進(jìn)行群體基因組分析發(fā)現(xiàn),南部/西南部采集的千金子的核苷酸多樣性顯著高于長江中下游地區(qū)的千金子,表明千金子在中國的傳播路徑是南部和西南部省份到長江中下游,為千金子的有效防控提供了重要的基因組資源,并有助于了解千金子的抗藥性以及適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制。Sun等[5]測序構(gòu)建了第一個(gè)高質(zhì)量的雜草稻參考基因組(WR04-6),揭示了亞洲高緯度雜草稻與粳型栽培稻的遺傳趨異始于栽培稻馴化后的遺傳改良,其雜草化的實(shí)質(zhì)是基因組的半馴化(semi-domestication)。應(yīng)用株高模型發(fā)現(xiàn)了雜草稻與栽培稻具有依賴性競爭的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系,進(jìn)而首次應(yīng)用“演化博弈”的思想來解釋雜草稻的起源與演化?！半s草型等位基因”扮演著“自私基因”的角色,通過落粒與早熟等策略在與人類和栽培稻的角逐中維持著種群的動(dòng)態(tài)繁衍。研究結(jié)果加深了對作物馴化和去馴化進(jìn)化的遺傳機(jī)制認(rèn)識(shí),對理解雜草稻起源機(jī)制具有重要理論指導(dǎo)意義。

1.1.2雜草發(fā)育學(xué)

雜草發(fā)育研究對預(yù)測雜草群落演替、提高農(nóng)田資源利用率、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。Li等[6]從狗尾草Setariaviridis(L.) P. Beauv. 甲磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate, EMS)誘導(dǎo)突變體庫中鑒定出svstl1突變體,其在抽穗期表現(xiàn)葉片漂白表型,SvSTL1與svstl1突變體表型直接相關(guān)。SvSTL1在核糖核苷酸還原酶(RNR)的還原功能中起主要作用,并且對葉綠體發(fā)育至關(guān)重要。Wang等[7]比較了全國287個(gè)不同雜草稻種群之間、4個(gè)代表性雜草稻種群和其伴生的栽培稻種群之間的倒伏性差異,發(fā)現(xiàn)倒伏性與緯度負(fù)相關(guān),與發(fā)生地的降水量正相關(guān)。倒二節(jié)的木質(zhì)素含量、纖維素與木質(zhì)素含量比是影響莖稈強(qiáng)度并最終決定倒伏性的關(guān)鍵性狀。木質(zhì)素能提高抗倒伏能力,然而纖維素與木質(zhì)素含量比的降低會(huì)降低抗倒伏性,兩者的聯(lián)合作用最終影響雜草稻的倒伏分化。雜草稻和栽培稻的CHG超甲基化、CG低甲基化和CHG低甲基化錨定基因在碳水化合物及其衍生物結(jié)合的GO term和丙氨酸代謝途徑中顯著富集,木質(zhì)素合成通路相關(guān)基因OsPAL1、Os4CL3、OsSWN1和OsMYBX9的DNA甲基化水平影響了木質(zhì)素合成基因的表達(dá),進(jìn)而影響木質(zhì)素的合成,并最終影響雜草稻之間以及雜草稻與栽培稻之間莖稈強(qiáng)度和倒伏性的分化。

1.1.3雜草抗病性

Zhang等[8]從小麥D基因組祖先節(jié)節(jié)麥AegilopstauschiiCoss.中獲得了抗條銹病基因YrAS2388。與已知抗病基因不同的是,YrAS2388具有重復(fù)的3′非編碼區(qū)并產(chǎn)生5種或更多的轉(zhuǎn)錄本。這些轉(zhuǎn)錄本的表達(dá)受溫度及病原菌侵染的影響,而且其所編碼的蛋白質(zhì)之間存在互作。該基因通過調(diào)整不同轉(zhuǎn)錄本的富集水平和編碼蛋白的互作模式來應(yīng)對病原菌侵染,控制小麥的抗條銹病水平。該研究還揭示出抗條銹病基因YrAS2388只在節(jié)節(jié)麥和由節(jié)節(jié)麥創(chuàng)制的人工合成小麥中存在,而在普通小麥及其他麥族物種中未檢測到,因此該基因在今后的小麥育種中具有重要的利用價(jià)值。Geng等[9]對節(jié)節(jié)麥全基因組DNA甲基化程度進(jìn)行了評(píng)估,發(fā)現(xiàn)白粉菌侵染后,非對稱類型甲基化(CHH甲基化)的程度降低,其鄰近的重復(fù)序列相關(guān)基因主要編碼參與脅迫應(yīng)答的受體激酶、過氧化物酶和病程相關(guān)蛋白。通過病毒誘導(dǎo)基因沉默技術(shù)(VIGS)將主要負(fù)責(zé)CHH甲基化的甲基化重組酶2(DRM2)沉默,發(fā)現(xiàn)DRM2表達(dá)量下降增強(qiáng)了植物對白粉菌的抗病性。進(jìn)一步對其中一個(gè)富集基因PR2進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)植物可能通過降低該基因的CHH甲基化水平參與對白粉菌的防御反應(yīng)。該研究表明DNA甲基化的動(dòng)態(tài)變化與植物復(fù)雜的免疫反應(yīng)過程有關(guān),研究結(jié)果對提高小麥抗病性具有重要指導(dǎo)意義。

1.1.4雜草抗逆性

Wei等[10]發(fā)現(xiàn)鎘脅迫下節(jié)節(jié)麥根和莖中AetSRG1的表達(dá)存在差異,過表達(dá)AetSRG1導(dǎo)致小麥鎘積累減少,Cd2+通量降低,電解質(zhì)滲漏減少,活性氧含量增加。AetSRG1蛋白與苯丙氨酸解氨酶(PAL)相互作用,促進(jìn)內(nèi)源水楊酸的合成。該研究揭示了節(jié)節(jié)麥應(yīng)對鎘脅迫的分子機(jī)制,證實(shí)關(guān)鍵基因AetSRG1是研究低鎘小麥的潛在靶點(diǎn)。Xie等[11]評(píng)估了100個(gè)水稻品種和100個(gè)雜草稻種群的耐寒性,發(fā)現(xiàn)差異耐寒性與冷反應(yīng)通路基因CBF的相對表達(dá)水平以及該通路的調(diào)控因子OsICE1啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平密切相關(guān)。OsICE1啟動(dòng)子的所有甲基化胞嘧啶位點(diǎn)中,CHG和CHH甲基化水平與耐寒性顯著相關(guān)。該研究揭示了雜草稻在北方氣候條件下伴隨水稻種植而傳播的表觀遺傳機(jī)制,闡明了雜草稻和栽培稻對低溫的適應(yīng)機(jī)制,可為雜草稻的防治和培育優(yōu)質(zhì)耐寒水稻品種提供線索。Zhang等[12]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物可以通過花粉飄散到野生近緣種而發(fā)生正向基因漂移,揭示了轉(zhuǎn)基因抗除草劑雜交水稻不僅能夠通過上述的“正向漂移”而使其雜草稻后代具有抗性基因,而且雜草稻花粉向水稻的“反向漂移”會(huì)帶來轉(zhuǎn)基因抗除草劑雜交水稻后代迅速演化為抗除草劑雜草稻的風(fēng)險(xiǎn),為建立和完善雙向轉(zhuǎn)基因作物基因漂移的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)管理體系奠定了理論基礎(chǔ)。Han等[13]以501份雜草稻為材料,通過選擇分析、全基因組關(guān)聯(lián)分析、基因敲除、過表達(dá)分析和Ca2+、K+離子通量測定,鑒定了耐旱基因PAPH1,并證實(shí)PAPH1在應(yīng)對干旱脅迫中發(fā)揮重要作用。雜草稻中的PAPH1能夠賦予水稻強(qiáng)大的抗旱性,為改良栽培水稻品種的潛在遺傳資源提供一個(gè)參考。Yu等[14]探究了節(jié)節(jié)麥在高種群密度脅迫下的分蘗調(diào)控機(jī)制,發(fā)現(xiàn)節(jié)節(jié)麥發(fā)生密度較高時(shí),其光合速率降低,莖基部碳水化合物積累減少,植株內(nèi)生長素、赤霉素、脫落酸等內(nèi)源激素代謝失衡,從而影響其分蘗芽伸長。該研究豐富了禾本科雜草分蘗調(diào)控機(jī)制理論體系,為生產(chǎn)中抑制節(jié)節(jié)麥分蘗,降低其繁殖系數(shù)等防除措施的建立提供了理論依據(jù)。

1.1.5雜草遺傳多樣性

Wang等[15]分析了來自早、晚稻田的120種雜草稻的總基因組DNA序列,并與同生水稻品種和其他水稻材料進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)同域分布的早季和晚季雜草稻種群中存在大量遺傳分化,而遺傳分化在整個(gè)基因組中分布不均。同域分布的雜草稻種群間存在限制性的基因流,導(dǎo)致了不同的遺傳結(jié)構(gòu),為同一地區(qū)但不同季節(jié)的雜草稻種群之間的同域遺傳差異提供了有力證據(jù),并說明時(shí)間隔離在植物同域種群/物種之間產(chǎn)生遺傳差異方面起重要作用。

1.2 雜草抗藥性機(jī)理

1.2.1靶標(biāo)抗性機(jī)理

雜草靶標(biāo)抗性機(jī)理包括除草劑靶標(biāo)位點(diǎn)突變和靶標(biāo)酶過量表達(dá),導(dǎo)致雜草對除草劑的敏感性下降。近年國內(nèi)學(xué)者已鑒定出多個(gè)抗藥性相關(guān)的靶標(biāo)位點(diǎn)。Zhao等[16]從二倍體看麥娘AlopecurusaequalisSobol.中獲得了抗性突變Pro-197-Tyr或Trp-574-Leu的個(gè)體純合種群,發(fā)現(xiàn)這兩種突變都降低了ALS對ALS抑制劑類除草劑的敏感性。如果停止使用除草劑,Trp-574-Leu突變持續(xù)存在的可能性比Pro-197-Tyr突變高,初步解釋了優(yōu)勢靶標(biāo)抗性突變在田間快速進(jìn)化傳播的原因。Zhang等[17]在抗草銨膦的牛筋草Eleusineindica(L.) Gaertn.中鑒定到一個(gè)胞質(zhì)型EiGS1-1蛋白發(fā)生Ser-59-Gly突變,且該突變基因型與草銨膦抗性表型顯著相關(guān),該研究首次揭示了早期田間進(jìn)化的抗草銨膦雜草靶標(biāo)抗性機(jī)理,為后續(xù)更深層次研究草銨膦抗性機(jī)理奠定了良好的基礎(chǔ),該研究結(jié)果也有助于進(jìn)一步了解植物氮代謝途徑中關(guān)鍵酶GS1的分子進(jìn)化特征和功能,為草銨膦抗性作物遺傳改良提供重要參考。Cao等[18]發(fā)現(xiàn)了對噻吩磺隆、咪唑乙煙酸等ALS抑制劑具有高抗性的反枝莧AmaranthusretroflexusL.種群,發(fā)現(xiàn)抗性反枝莧的ALS存在Trp-574-Leu或Gly-654-Tyr突變,其中Gly-654-Tyr突變是首次被報(bào)道, 該突變可導(dǎo)致反枝莧對五大類ALS抑制劑產(chǎn)生抗藥性。Huang等[19]發(fā)現(xiàn)反枝莧對PPO抑制劑氟磺胺草醚表現(xiàn)出抗性,其靶標(biāo)抗性是由Arg-128-Gly突變導(dǎo)致;交互抗性測定結(jié)果顯示,該抗性反枝莧種群還對乳氟禾草靈和唑草酮產(chǎn)生了交互抗性。

1.2.2非靶標(biāo)抗性機(jī)理

非靶標(biāo)抗性一般由除草劑滲透的減少、雜草吸收傳導(dǎo)的改變、解毒代謝能力增強(qiáng)和過氧化物酶的保護(hù)作用等多種原因引起。目前研究較多的是解毒代謝介導(dǎo)的抗性,近年來已鑒定出多個(gè)代謝酶基因能夠賦予雜草對多種除草劑的抗性。Pan等[20]鑒定到稗草的醛酮還原酶基因EcAKR4-1,并證實(shí)EcAKR4-1的過量表達(dá)與稗草對草甘膦的抗性有關(guān)。異源表達(dá)稗草EcAKR4-1蛋白可將草甘膦代謝為低毒的氨甲基磷酸與無毒的乙醛酸,這也與稗草體內(nèi)的代謝物檢測結(jié)果一致。通過分子模擬法解析了草甘膦分子與稗草EcAKR4-1在蛋白結(jié)構(gòu)上的相互作用,并通過代謝組學(xué)技術(shù)揭示了草甘膦在植物體內(nèi)的代謝途徑,闡明了稗草EcAKR4-1基因通過輔酶因子NADP+催化氧化反應(yīng)以代謝草甘膦的分子機(jī)理。稗草EcAKR4-1基因是植物中首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的可代謝草甘膦并導(dǎo)致抗性產(chǎn)生的基因,該研究也首次闡明了植物代謝草甘膦的分子機(jī)理。Pan等[21]進(jìn)一步在稗草中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白EcABCC8可在質(zhì)膜上將進(jìn)入膜內(nèi)的草甘膦轉(zhuǎn)運(yùn)至膜外以產(chǎn)生抗性,揭示了植物抗草甘膦的全新機(jī)制,并且進(jìn)一步闡述了植物體內(nèi)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能,探討了ABCC8介導(dǎo)植物抗草甘膦的內(nèi)在生物學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)ABCC8主要定位于質(zhì)膜上,可以在細(xì)胞水平上將進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的草甘膦轉(zhuǎn)運(yùn)至質(zhì)膜外以降低毒性。Pan等[22]還發(fā)現(xiàn)過表達(dá)EcCYP81A68水稻對五氟磺草胺、氰氟草酯、噁唑酰草胺均表現(xiàn)抗性。CYP81A68啟動(dòng)子分析發(fā)現(xiàn)CYP81A68上調(diào)表達(dá)賦予稗草對稻田常用ALS和ACCase抑制劑類除草劑的代謝抗性。EcCYP81A68基因啟動(dòng)子CpG島預(yù)測發(fā)現(xiàn)抗敏種群的CpG島都包含轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域,并且抗性種群的甲基化水平顯著低于敏感種群,說明表觀遺傳可能在稗草抗藥性進(jìn)化中發(fā)揮作用。

Zhang等[23]分別在稗草和硬稃稗EchinochloaglabrescensMunroexHook.f.中鑒定出差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子bZIP TFs。用3種不同的除草劑處理后,bZIP88的表達(dá)顯著上調(diào),且bZIP88同源基因的表達(dá)與水稻的敏感性呈正相關(guān),闡明了bZIP88正向調(diào)控除草劑抗性的機(jī)制,為NTSR研究開辟了新的思路。Zhao等[24]借助轉(zhuǎn)錄組/蛋白組測序及生物信息學(xué)分析,結(jié)合分子生物學(xué)、色譜學(xué)和計(jì)算化學(xué)等多學(xué)科交叉的研究策略,在抗性看麥娘中鑒定到4個(gè)上調(diào)表達(dá)的P450基因,發(fā)現(xiàn)過表達(dá)CYP709C56轉(zhuǎn)基因擬南芥Arabidopsisthaliana(L.) Heynh對甲基二磺隆和啶磺草胺產(chǎn)生抗性,且甲基二磺隆與CYP709C56的結(jié)合涉及O-去甲基化。Zhang等[25]發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素P450抑制劑馬拉硫磷預(yù)處理明顯降低薺Capsellabursa-pastoris(L.) Medic.抗性(R)種群對苯磺隆的抗性,并且R種群的谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)活性顯著高于敏感(S)種群。通過RNA-Seq從R種群中鑒定出11個(gè)上調(diào)表達(dá)的基因,包括3個(gè)P450s、1個(gè)GST、2個(gè)GT、2個(gè)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、1個(gè)氧化酶和2個(gè)過氧化物酶基因,為解析薺菜對苯磺隆代謝抗性的分子機(jī)制提供了基礎(chǔ)。Zhang等[26]發(fā)現(xiàn)P450s和GSTs介導(dǎo)的解毒代謝是導(dǎo)致節(jié)節(jié)麥抗性的原因,采用RNA-Seq技術(shù)結(jié)合有參基因生物學(xué)信息分析,發(fā)掘了節(jié)節(jié)麥抗甲基二磺隆解毒代謝酶P450s、GSTs、GTs和ABC transporters相關(guān)家族基因21個(gè),相關(guān)研究結(jié)果為節(jié)節(jié)麥抗藥性監(jiān)測及耐除草劑作物育種提供了寶貴的資源。

1.2.3內(nèi)生菌介導(dǎo)的雜草抗藥性新機(jī)理

Liu等[27]發(fā)現(xiàn)棒頭草PolypogonfugaxNeesexSteud.抗性種群中精喹禾靈內(nèi)生降解菌數(shù)量和降解速率均高于敏感種群。從抗性種群中分離的KT4菌株降解速率最高,并將其鑒定為鞘氨醇單胞菌Sphingomonassp.。接種KT4內(nèi)生菌后增強(qiáng)了敏感棒頭草對精喹禾靈的抗性;精喹禾靈與殺菌劑聯(lián)合處理降低了抗性種群對精喹禾靈的抗性,證實(shí)降解內(nèi)生菌與棒頭草對精喹禾靈的抗性相關(guān)。該研究首次報(bào)道了內(nèi)生菌增強(qiáng)雜草對除草劑的抗藥性,為雜草抗藥性機(jī)制研究開辟了新思路。

1.3 除草劑安全劑作用機(jī)理

除草劑安全劑又稱為解毒劑或保護(hù)劑,是指用來保護(hù)作物免受除草劑的藥害,從而增加作物的安全性和改進(jìn)雜草防除效果的化合物。Hu等[28]發(fā)現(xiàn)解草啶能加速水稻體內(nèi)丙草胺的降解,降低丙草胺引起的水稻植株脂質(zhì)過氧化和氧化損傷,并證實(shí)CYP71Y83、CYP71K14、CYP734A2、CYP71D55、GSTU16和GSTF5可能是解草啶保護(hù)水稻的關(guān)鍵基因。Hu等[29]還發(fā)現(xiàn)解草啶只誘導(dǎo)水稻GSTs活性增加,對稗草GSTs無誘導(dǎo)作用,且解草啶在水稻中誘導(dǎo)的代謝解毒基因比例多于稗草。最后初步確定GSTF14、GSTU18、GSTU19、GSTU37等4個(gè)基因與解草啶在水稻和稗草中的選擇性作用機(jī)理相關(guān)。Zhao等[30]發(fā)現(xiàn)雙苯噁唑酸通過P450途徑緩解精噁唑禾草靈對水稻、煙嘧磺隆對玉米ZeamaysL.的藥害,還通過提高水稻、玉米葉片谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶活性及谷胱甘肽含量,同時(shí)降低水稻體內(nèi)丙二醛含量,降低精噁唑禾草靈對水稻的損傷。通過轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在水稻中發(fā)現(xiàn)69個(gè)能夠響應(yīng)雙苯噁唑酸誘導(dǎo)的編碼代謝酶基因,其中參與雙苯噁唑酸保護(hù)作用的關(guān)鍵基因包括CarE15、CYP86A1、GSTU6、GST4、UGT13248、UGT79和ABCC4。Zhang等[31]發(fā)現(xiàn)了外源赤霉素保護(hù)高粱Sorghumbicolor(L.) Moench免受精異丙甲草胺藥害的機(jī)理。當(dāng)精異丙甲草胺和GA3混合處理,高粱幼芽通過吸收GA3使植物體內(nèi)GA3的含量得到恢復(fù)并顯著上升,通過促進(jìn)編碼ABA合成酶的基因的表達(dá)來加速ABA的合成以平衡顯著升高的GA3的含量并恢復(fù)ABA/GA3的比值。這是關(guān)于天然產(chǎn)物安全劑對除草劑靶標(biāo)直接調(diào)控的首次報(bào)道,也是唯一一例關(guān)于天然產(chǎn)物安全劑誘導(dǎo)的信號(hào)途徑的報(bào)道。

1.4 雜草綜合防治技術(shù)

1.4.1雜草化學(xué)防治技術(shù)

以青島清原作物科學(xué)有限公司為代表的高新技術(shù)企業(yè),自主研發(fā)了三唑磺草酮、環(huán)吡氟草酮、雙唑草酮、苯唑氟草酮等全新專利除草化合物。王恒智等[32]發(fā)現(xiàn)新型化合物三唑磺草酮莖葉處理對不同葉齡水稻具有較高的安全性,防治水稻田常見雜草稗的最佳施藥時(shí)期為水稻 2 葉期以后,稗草 2～4 葉期。三唑磺草酮開創(chuàng)了HPPD抑制劑類除草劑安全用于直播稻田苗后莖葉噴霧處理防除雜草的先河,在稻田抗性雜草的治理中應(yīng)用前景廣闊。

游錄丹等[33]發(fā)現(xiàn)新型HPPD抑制劑類除草劑環(huán)吡氟草酮對小麥安全,對麥田闊葉雜草婆婆納VeronicapolitaFries表現(xiàn)出優(yōu)異的防效。連磊等[34]發(fā)現(xiàn)雙唑草酮對小麥田抗性闊葉雜草薺菜具有較高防效,可以有效解決我國小麥田闊葉雜草防除難度大的問題。新型HPPD抑制劑類除草劑雙唑草酮、環(huán)吡氟草酮的除草活性評(píng)價(jià)、使用技術(shù)研究和小麥田應(yīng)用可行性評(píng)價(jià),為麥田現(xiàn)有的化學(xué)防除體系提供了新動(dòng)力,特別是為麥田抗性雜草的可持續(xù)防控提供了新方案。

苯唑氟草酮是用于玉米田的新型HPPD抑制劑類除草劑。劉煜財(cái)?shù)萚35]評(píng)價(jià)了25%苯唑氟草酮·莠去津可分散油懸浮劑對玉米田惡性雜草的防效及安全性,發(fā)現(xiàn)其可有效防除玉米田禾本科雜草稗、野黍Eriochloavillosa(Thunb.) Kunth,闊葉雜草藜ChenopodiumalbumL.、苘麻AbutilontheophrastiMedicus、龍葵SolanumnigrumL.、水棘針AmethysteacaeruleaL.、鐵莧菜AcalyphaaustralisL.、反枝莧等。

1.4.2雜草物理防治技術(shù)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)Liu等[36]開展了水稻中耕除草技術(shù)及機(jī)具的科研攻關(guān),突破了基于北斗的種-管同轍作業(yè)、基于苗帶信息的作業(yè)機(jī)具自動(dòng)對行、行株間同步高效除草、除草部件多級(jí)獨(dú)立仿形等關(guān)鍵核心技術(shù),成功研制了“3ZSC-190W”型無人駕駛水稻中耕除草機(jī),該機(jī)入選2022中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村重大新裝備。2020年-2022年連續(xù)3年開展機(jī)械除草與化學(xué)除草田間對比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,中耕機(jī)械除草技術(shù)不僅可以有效防除雜草,減少除草劑的使用量;還能疏松土壤,增加水稻根系含氧量,提高有效分蘗,增加產(chǎn)量。

1.4.3雜草生物防治技術(shù)

Xiao等[37]從牛筋草病葉中分離出致病菌株SYNJC-2-2,鑒定為雙色平臍蠕孢Bipolarisbicolor,通過表皮細(xì)胞連接和裂縫侵入葉片組織,使牛筋草死亡。SYNJC-2-2對9科17種作物中的14種,尤其對茶樹安全,且對環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性,有潛力被開發(fā)為一種生物除草劑用于防控牛筋草、狗尾草、莠竹Microstegiumvimineum(Trin.) A. Camus和狼尾草Pennisetumalopecuroides(L.) Spreng.等。Wang等[38]首次明確了來自于紫莖澤蘭Ageratinaadenophora(Spreng.) R. M. King &H. Rob.致病菌的毒素TeA是一種全新的光系統(tǒng)Ⅱ抑制劑,其作用靶點(diǎn)是光系統(tǒng)Ⅱ的D1蛋白。以TeA為先導(dǎo)物進(jìn)行衍生物設(shè)計(jì),獲得了2個(gè)高除草活性的化合物仲戊基TeA和仲己基TeA,仲戊基TeA和仲己基TeA具有更高的除草活性,顯示出非常好的商業(yè)化前景。

1.4.4雜草生態(tài)防治技術(shù)

張崢等[39]系統(tǒng)調(diào)查了江蘇省稻鴨、稻蝦等6種綜合種養(yǎng)模式農(nóng)田的雜草群落和土壤種子庫,比較分析了雜草群落綜合草情優(yōu)勢度、物種多樣性、雜草群落和土壤種子庫的動(dòng)態(tài)趨勢。結(jié)果表明,綜合種養(yǎng)模式實(shí)施1～3年后,所有模式下雜草群落綜合草情優(yōu)勢度和土壤種子庫密度均明顯下降,雜草群落綜合草情優(yōu)勢度下降較多的為稻鴨和稻蝦種養(yǎng)模式,而土壤種子庫密度下降較多的分別為稻鴨和稻魚模式。實(shí)施4～5年后,各種養(yǎng)模式下雜草群落綜合草情優(yōu)勢度和土壤種子庫密度均上升。因此,長期實(shí)施單一綜合種養(yǎng)模式不利于農(nóng)田雜草長效防控,應(yīng)采取以耗竭土壤種子庫為重點(diǎn)的綜合技術(shù)措施。

Zhang等[40]基于長期研究揭示的雜草種子長期適應(yīng)在稻田生態(tài)系統(tǒng)的灌溉水流傳播規(guī)律,針對雜草發(fā)生的根源土壤種子庫,應(yīng)用攔網(wǎng)清潔灌溉水源(截流)和網(wǎng)撈漂浮雜草種子(網(wǎng)撈)兩種簡單的物理生態(tài)措施配合減次化學(xué)除草的“降草”“減藥”稻麥連作田精準(zhǔn)生態(tài)控草技術(shù),真正實(shí)現(xiàn)雜草防控的標(biāo)本兼治。為發(fā)展該生態(tài)控草技術(shù),團(tuán)隊(duì)開展了稻田生態(tài)系統(tǒng)雜草籽實(shí)漂浮、傳播動(dòng)態(tài)規(guī)律、適應(yīng)機(jī)制等的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,通過數(shù)學(xué)模型對雜草籽實(shí)在溝渠和在田塊的漂浮傳播動(dòng)態(tài)進(jìn)行了定量化。在長期小區(qū)試驗(yàn)基礎(chǔ)上,在大田示范應(yīng)用成功,為基于消減雜草群落的稻-麥連作田精準(zhǔn)生態(tài)控草技術(shù)在我國稻田生態(tài)系統(tǒng)雜草防控中大范圍推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。大田實(shí)施6年,雜草種子庫規(guī)模下降51%,稻-麥兩季的雜草發(fā)生量顯著下降53%。與常規(guī)5～6次除草方法控草相當(dāng)或更優(yōu),但減少2～3次化學(xué)除草(減少化學(xué)除草劑用量可達(dá)40%),還降低30%的除草成本,真正實(shí)現(xiàn)了利用物理生態(tài)技術(shù)“降草”而“減藥”的目的[41]。

2 研究展望

近年來,我國雜草科學(xué)學(xué)科發(fā)展迅速,取得了豐碩的科研成果。在雜草生物學(xué)研究領(lǐng)域,我國學(xué)者先后發(fā)布了稗草、雜草稻和千金子的基因組數(shù)據(jù),研究了對經(jīng)歷人工選擇(作物)和自然選擇(雜草)的多倍化基因組適應(yīng)性的進(jìn)化機(jī)制,發(fā)現(xiàn)雜草中多個(gè)抗逆性相關(guān)基因,在這些領(lǐng)域,我國雜草學(xué)科的研究已經(jīng)處于國際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。稍顯不足的是,雜草生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì)還較少,基因組測序和相關(guān)基因功能解析工作還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。我國學(xué)者在雜草抗藥性機(jī)制方面也取得了系列重要進(jìn)展,除了在靶標(biāo)抗藥性分子機(jī)制方面發(fā)現(xiàn)了多個(gè)全新突變位點(diǎn)外,在非靶標(biāo)抗藥性機(jī)理方面,分別在稗草、菵草、看麥娘等惡性雜草中鑒定出多個(gè)代謝相關(guān)基因,涉及醛酮還原酶、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白酶、P450等多個(gè)代謝酶家族,基本與國外學(xué)者研究同步。此外,在基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及代謝途徑調(diào)節(jié)研究領(lǐng)域,國內(nèi)學(xué)者更是率先明確了表觀遺傳可能在稗草抗藥性進(jìn)化中發(fā)揮主要作用。但是在雜草抗藥性遺傳進(jìn)化和抗藥性雜草生態(tài)適合度方面,國內(nèi)的報(bào)道比較少。總體來說,在雜草抗藥性機(jī)制方面,國內(nèi)學(xué)者這些年已取得長足進(jìn)步,也收獲了一系列創(chuàng)新性的研究成果。在雜草綜合防控技術(shù)領(lǐng)域,我國學(xué)者在雜草生物防治、機(jī)械防治、生態(tài)防治等方面均取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果,但是化學(xué)除草依然是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中雜草治理的主要手段,除草劑應(yīng)用及普及水平已接近發(fā)達(dá)國家。但由于對現(xiàn)有除草劑品種的過度依賴,我國抗藥性雜草發(fā)展迅猛。且我國整體用藥水平較低,除草劑有效利用率低下,科學(xué)安全使用除草劑的意識(shí)較差,從而導(dǎo)致除草劑藥害頻發(fā)。

總之,我國雜草科學(xué)研究的整體水平與發(fā)達(dá)國家相比差距已經(jīng)縮小,目前學(xué)科已有具備重大影響力的領(lǐng)軍人才和能夠引領(lǐng)整個(gè)雜草科學(xué)的專家,但是還缺乏有影響力的中青年雜草科學(xué)家;國家對雜草研究領(lǐng)域的立項(xiàng)重視不夠,研究隊(duì)伍還不夠強(qiáng)大,人才體系結(jié)構(gòu)亟待優(yōu)化提升;部分研究工作有特色且有創(chuàng)新性,但還有進(jìn)一步提升的空間。

化學(xué)除草是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必要措施和重要標(biāo)志,在農(nóng)田雜草防控中化學(xué)除草劑不可或缺?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對雜草科學(xué)的倚重必將不斷加強(qiáng),農(nóng)田雜草防控的重要性將日益增加。隨著我國農(nóng)業(yè)栽培方式的改變,農(nóng)田雜草群落的演替以及除草劑長期單一的使用,我國農(nóng)田雜草發(fā)生與危害,特別是農(nóng)田惡性雜草和抗藥性雜草問題日趨嚴(yán)重,危害面積呈不斷擴(kuò)大趨勢,以化學(xué)除草為主的農(nóng)田雜草治理技術(shù)體系正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展有助于深入闡明雜草生態(tài)適應(yīng)性、競爭性、抗藥性機(jī)制,這也使得雜草科學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究成為如今研究的熱點(diǎn)。特別是“雜草對除草劑抗性的分子機(jī)制”,在全球農(nóng)業(yè)研究前沿植保領(lǐng)域最熱門關(guān)注中位列第3,受到了全球植保領(lǐng)域科學(xué)家的重點(diǎn)關(guān)注。

為繼續(xù)縮小我國雜草科學(xué)研究與國際的差距,提高雜草學(xué)科的國際影響力和競爭力,解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中不斷出現(xiàn)的雜草科學(xué)問題,雜草科學(xué)須加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究,研發(fā)創(chuàng)新雜草綜合防控策略,特別是在非化學(xué)防控研究領(lǐng)域,構(gòu)建和推廣多樣性可持續(xù)控草技術(shù)體系,推動(dòng)雜草治理方式向多樣性措施并舉的方向轉(zhuǎn)變。因此,未來雜草科學(xué)發(fā)展,在基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面,為適應(yīng)國家可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展對雜草科學(xué)的要求,應(yīng)在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及相關(guān)科技領(lǐng)域設(shè)立雜草科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目,重點(diǎn)開展基于基因組及表觀遺傳組學(xué)的農(nóng)田惡性雜草演化與致災(zāi)機(jī)制、抗藥性雜草生態(tài)適應(yīng)性分子機(jī)制研究,在重要雜草基因組測序、相關(guān)基因功能解析、基因修飾(沉默)等方面下大氣力,研究草害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、生物和生態(tài)防治新技術(shù)基礎(chǔ)理論;在雜草綜合防控研究方面,針對我國日益復(fù)雜的雜草問題以及抗藥性雜草、惡性雜草迅猛發(fā)展的態(tài)勢,強(qiáng)化多樣性治理、多措施并舉理念,開展農(nóng)田雜草長期監(jiān)測,重點(diǎn)開展高效新型低風(fēng)險(xiǎn)除草劑/生物源除草劑創(chuàng)制與應(yīng)用研究,研發(fā)創(chuàng)新非化學(xué)防控方法、化學(xué)除草劑減量精準(zhǔn)防控技術(shù)、抗藥性雜草早期檢測與治理技術(shù)、智能機(jī)械除草技術(shù),構(gòu)建以生態(tài)控草為中心,農(nóng)業(yè)、機(jī)械、生物、化學(xué)等多措施協(xié)同的多樣性、可持續(xù)控草技術(shù)體系,為糧食安全和綠色可持續(xù)發(fā)展的國家重大戰(zhàn)略的貫徹落實(shí)保駕護(hù)航。