咪唑啉酮類除草劑及其抗性作物的發(fā)展現(xiàn)狀

宋 慧，李海峰，付 楠，魏萌涵，邢 璐，劉金榮

（安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南省谷子育種工程技術(shù)研究中心，河南 安陽 455000）

隨著我國農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的深入推進(jìn)，土地流轉(zhuǎn)速度的加快，作物生產(chǎn)急需向規(guī)模化、輕簡化方向發(fā)展[1，2]。常規(guī)除草劑受殺草譜及其作用機(jī)理的影響，很難防除作物田中的惡性雜草以及在分類學(xué)和生理學(xué)上與作物本身十分相似的雜草，如油菜田的野生芥菜和臭草，水稻田的稗草和赤米稻，小麥田的雀麥和山羊草等。通常惡性雜草暴發(fā)的田塊只能選擇人工除草，效率低下，難以適用于規(guī)模化生產(chǎn)，再加上如果苗期遇到連陰雨天氣，易發(fā)生草荒造成減產(chǎn)甚至絕收。同時，除草劑的殘留易對后茬作物造成藥害，嚴(yán)重阻礙了規(guī)模化生產(chǎn)中輪作制度的正常進(jìn)行。通過除草劑與抗除草劑作物的組合應(yīng)用，可以很好地解決這一難題。

國內(nèi)外科學(xué)家對抗除草劑作物育種進(jìn)行了大量研究，先后采用常規(guī)手段培育出抗拿撲凈、抗阿特拉津、抗氟樂靈作物新品種和新品系，但由于抗性低、產(chǎn)量損失大等原因，均未在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用。咪唑啉酮類除草劑是一類高活性、低毒、廣譜性除草劑，獨具兼殺單雙子葉雜草的優(yōu)勢，抗咪唑啉酮類除草劑作物的成功開發(fā)大大地擴(kuò)展了該類除草劑的殺草譜，二者組合能有效防除一些作物田中其他除草劑無效的雜草，極大地滿足了作物規(guī)模化、輕簡化發(fā)展的需求[3]。對我國目前咪唑啉酮類除草劑作物的發(fā)展現(xiàn)狀及抗咪唑啉酮類除草劑作物的選育進(jìn)行了梳理和分析，并對咪唑啉酮類除草劑及其抗性作物未來的研究方向提出了展望。

1 咪唑啉酮類除草劑的推廣和應(yīng)用

20世紀(jì)80年代初期，美國氰胺公司成功開發(fā)出了咪唑啉酮類除草劑。該類除草劑既可做土壤處理劑，又可莖葉噴施，具有除草效率高、使用劑量低、毒性小、使用方便等特點[4]，可用于大豆、苜蓿、花生等旱田作物防除眾多的1 a生和多年生禾本科雜草以及闊葉雜草和莎草科雜草。20世紀(jì)90年代，我國開始批量進(jìn)口咪唑乙煙酸，并在東北地區(qū)大面積推廣。近年來，國產(chǎn)咪唑乙煙酸研制成功，其價格低廉，且除草效果良好，因此消費量大增，已成為我國東北和內(nèi)蒙地區(qū)干旱半干旱區(qū)大豆田的主導(dǎo)除草劑產(chǎn)品。甲咪唑煙酸是花生田防除雜草的理想除草劑之一，尤其是對花生田1 a生禾本科雜草、莎草及闊葉雜草有較好防效[5]，對惡性雜草香附子防除效果也較好[6]。

咪唑啉酮類除草劑雖然是一類高效低毒性的除草劑，但在土壤中殘留易對后茬作物造成藥害。如甲咪唑煙酸在土壤中殘留會導(dǎo)致小麥干物質(zhì)積累減少，根冠比下降，光合速率降低[7]。種植抗咪唑啉酮類除草劑的作物可避免除草劑殘留藥害的發(fā)生，如含XA17基因的抗咪唑啉酮玉米不僅可以抵抗咪唑啉酮類除草劑的藥害，還可以防止磺酰脲除草劑的殘留藥害。因此，加強(qiáng)對咪唑啉酮類除草劑抗性作物的選育，對于該類除草劑的推廣應(yīng)用大有裨益。

2 抗咪唑啉酮類除草劑作物的選育

咪唑啉酮類除草劑作用機(jī)理是在作物體內(nèi)產(chǎn)生乙酰乳酸合成酶，阻止植株支鏈氨基酸和蛋白質(zhì)的合成，進(jìn)而干擾DNA合成以及細(xì)胞分裂與生長，導(dǎo)致植株死亡[8]。正是由于咪唑啉酮類除草劑作用位點單一，長期使用極易讓雜草產(chǎn)生抗藥性，因此，研究者將其作為誘變劑誘導(dǎo)作物產(chǎn)生抗性，為選育非轉(zhuǎn)基因抗除草劑品種提供了思路[9，10]。

Fran?ois Tardif和Hugh Beckie等從野生青狗尾草中發(fā)現(xiàn)一系列具有咪唑乙煙酸（Imazethapyr） 抗性的突變材料。這些野生青狗尾草材料引入中國后，通過抗咪唑乙煙酸狗尾草與谷子進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交，創(chuàng)制出抗咪唑乙煙酸的谷子育種材料，然后通過回交轉(zhuǎn)育到常規(guī)品種，經(jīng)多代自交回交，淘汰分離單株直至性狀穩(wěn)定，從而獲得抗咪唑乙煙酸且農(nóng)藝性狀優(yōu)良的新品系[11]。以抗咪唑乙煙酸谷子材料為母本、抗單子葉雜草除草劑的谷子材料為父本，通過雜交選育，獲得雙抗除草劑的優(yōu)質(zhì)新品系。河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所于2015年最先育成了抗咪唑乙煙酸谷子品種冀谷33和冀谷35，之后又育成了冀谷系列抗除草劑優(yōu)質(zhì)谷子新品種冀谷39等[12，13]。目前已有多家育種機(jī)構(gòu)成功選育出了抗咪唑乙煙酸谷子品種，如承谷14、承谷15、滄谷7、九谷26和遼谷62等，其中安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所選育出了10多個抗咪唑乙煙酸苗頭品系，有1份材料正在參加河南省區(qū)試試驗，綜合性狀表現(xiàn)良好。

目前，在油菜[14]、水稻[15]、小麥和向日葵[16]等作物上均已成功開發(fā)出了抗咪唑啉酮類除草劑新品種，另外在甜菜、萵苣、大豆等作物中也發(fā)現(xiàn)了抗咪唑啉酮類除草劑的突變體[17]，這些商品化的抗除草劑作物都是利用自然突變或化學(xué)誘變等常規(guī)育種技術(shù)選育而成的。

大多數(shù)歐盟成員國以及日本、韓國和新西蘭等反對轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物，尤其反對抗草甘膦作物的引進(jìn)，但對于抗咪唑啉酮類除草劑作物基本上持寬容態(tài)度[18]。歐共體禁止轉(zhuǎn)基因作物食品進(jìn)入，但對花粉誘變、離體選擇而成的抗除草劑作物的進(jìn)入沒有嚴(yán)格限制。抗咪唑啉酮類除草劑作物是通過細(xì)胞培養(yǎng)、花粉誘變、小孢子誘變、種子化學(xué)誘變等常規(guī)雜交方法，誘導(dǎo)靶標(biāo)抗性AHAS基因突變選育而成的，而非轉(zhuǎn)基因選育。其是非轉(zhuǎn)基因抗（耐）除草劑作物選育和推廣中最成功的案例，特別是耐咪唑啉酮水稻，在美國、加拿大和巴西等國家均已大面積種植[19，20]，2008年在美國阿肯色州的種植面積已占該區(qū)水稻種植總面積的1/3，在哥斯達(dá)黎加的種植面積占其水稻種植總面積的22%。由此可見，抗咪唑啉酮類除草劑作物的應(yīng)用前景十分廣闊。

3 抗咪唑啉酮基因標(biāo)記的開發(fā)和應(yīng)用

分子標(biāo)記輔助選擇（marker-assisted selection，MAS）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于品種純度鑒定和抗性資源選育過程，可縮短育種時間，節(jié)省成本。

Hattori等[21]和Swanson等[22]對油菜小孢子進(jìn)行化學(xué)誘變，獲得了2個抗咪唑啉酮類除草劑的突變體PM1和PM2，這2個突變體都是由于ALS基因點突變而成，其中，PM1的BnALS1基因第653位Ser發(fā)生突變，PM2的BnALS3基因第574位Trp發(fā)生突變。有研究報道，PM2的耐藥性水平明顯高于PM1，當(dāng)它們同時存在于同一植株上且為純合子時，其表現(xiàn)出對咪唑啉酮類除草劑最大的抗性[23]。除了化學(xué)誘變，自然突變也是獲得抗ALS類除草劑突變體的途徑，油菜株系M9的咪唑啉酮抗性是由除草劑誘發(fā)的自然突變獲得[24，25]，其獲得途徑與向日葵抗性突變體IMISUN-1、IMISUN-2和RW-B的獲得途徑相同[26]。胡茂龍等[14]從M9中克隆到抗性基因BnALS1R，發(fā)現(xiàn)有一處堿基突變，導(dǎo)致ASL1的第638位絲氨酸殘基被天冬酰胺酸替代，根據(jù)該處點突變，開發(fā)的AS-PCR標(biāo)記將促進(jìn)油菜抗除草劑分子標(biāo)記輔助選擇育種。

王芳權(quán)等[15]保留F2中ALS-A純合單株，連續(xù)自交，快速獲得了除草劑抗性穩(wěn)定的水稻材料。師志剛等[27]開發(fā)的抗咪唑乙煙酸基因的CAPs分子標(biāo)記有利于篩選抗性純合單株，能夠建立精準(zhǔn)鑒定抗、感、雜合咪唑乙煙酸谷子的方法，為分子標(biāo)記輔助育種培育抗咪唑乙煙酸谷子新品種奠定了基礎(chǔ)。陳濤等[28]利用四引物擴(kuò)增受阻突變體系PCR技術(shù)，設(shè)計出能區(qū)分3種不同基因型的分子標(biāo)記，通過一步簡單擴(kuò)增實現(xiàn)了對抗咪唑啉酮類除草劑水稻的快速、準(zhǔn)確鑒定。

4 展望

咪唑啉酮類除草劑具有高效廣譜的特點，應(yīng)用前景十分廣闊。但是其在土壤中殘留活性較長，長期使用會對作物造成藥害，制約后茬作物的種植。抗咪唑啉酮類除草劑作物的選育可有效解決咪唑啉酮類除草劑殘留的問題。未來對于咪唑啉酮類除草劑及其抗性作物的研究，還可以從以下幾個方面進(jìn)行：

（1）開展微生物降解土壤中殘留咪唑啉酮類除草劑的研究。微生物降解是土壤中殘留咪唑啉酮類除草劑的主要降解途徑，因此，加快構(gòu)建多功能高效降解菌群，篩選高活性的新菌種，對于解決其殘留藥害問題和改善土壤環(huán)境具有重要意義。

（2）開展抗咪唑啉酮類除草劑突變體的研究。所有商品化的抗咪唑啉酮類除草劑作物的選育方法雖然各有不同，但其抗性機(jī)制都是靶標(biāo)抗性AHAS基因突變。據(jù)此，可進(jìn)一步開發(fā)出更多的抗咪唑啉酮類除草劑作物。

（3） 開展抗咪唑啉酮類作物應(yīng)用管理規(guī)范的研究。隨著抗咪唑啉酮類作物的廣泛應(yīng)用，親緣雜草與抗咪唑啉酮類作物間交互授粉，可能引起抗性基因的流動。因此，如何合理、規(guī)范地應(yīng)用抗咪唑啉酮類作物，防止雜草產(chǎn)生抗藥性是未來研究的一個重要方向。