雜草對草甘膦抗性機制及治理對策

周欣欣，黃兆峰，魏守輝，黃紅娟，張朝賢

(1.農業部農藥檢定所，北京 100125；2.中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193)

1 引言

草甘膦是由美國孟山都公司開發的廣譜滅生性、內吸傳導型除草劑，主要用來防除一年生及多年生惡性雜草。自1974年商品化以來，一直是最主要的除草劑品種(張朝賢等，2011)。草甘膦的作用機制是抑制植物體內5-烯醇式丙酮酸-3-磷酸合成酶(5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase，EPSPS)的活性，阻礙芳香族氨基酸的生物合成，導致莽草酸大量積累，進而擾亂正常的氮代謝致使植物死亡。草甘膦具有低毒、低殘留等優點，簡便高效的除草方式給人類帶來了巨大經濟效益。但是，由于草甘膦的長期大量使用，也使得抗草甘膦雜草不斷產生與發展。截止到2018年3月，全球共發現41種抗草甘膦雜草(表1)(Heap，2018)。抗草甘膦雜草的出現與發展嚴重威脅到草甘膦的使用和農業生產。生產上，農民通常加大草甘膦的使用劑量來防除抗性雜草，不僅增加了成本，影響農藥減量使用，還造成了環境污染。因此，雜草對草甘膦的抗藥性機制研究及其防除已經成為全球關注的重要問題。

表1 抗草甘膦雜草分布

續表

2 抗草甘膦雜草研究進展

草甘膦具有獨特的作用方式及代謝機制，使人們一度認為在田間不可能出現抗草甘膦雜草。然而，1996年在澳大利亞發現的瑞士黑麥草(Loliumrigidum)對草甘膦表現出了高水平的抗藥性，標志著抗草甘膦雜草的出現(Pratleyetal.，1999)。在馬來西亞，草甘膦連續10年使用后，牛筋草(Eleusineindica)對草甘膦的抗性達8～12倍。2000年在美國抗草甘膦轉基因大豆田中發現，小蓬草(Conyzacanadensis)對草甘膦的抗性提高了8～13倍(Vangessel，2001)。2005年，Culpepper等對美國喬治亞州傳統的棉花、花生和大豆田懷疑對草甘膦具有抗性的長芒莧(Amaranthuspalmeri)進行了抗性鑒定，結果顯示其抗性生物型的I50 值是敏感生物型I50值的12倍(Culpcpper et a1.，2006)。同年，在美國還發現了抗草甘膦的具瘤莧(Amaranthusrudis)和三裂葉豚草 (Ambrosiatrifida)，在巴西和阿根廷分別發現了抗草甘膦的猩猩草(Euphorbiaheterophyll)和假高梁(Sorghumhalepense)(Heap，2018)。2007年在澳大利亞發現了抗草甘膦的光頭稗(Echinochloacolona)。耐草甘膦轉基因作物種植面積的逐年提高加速了草甘膦的需求。此外，少耕免耕農業系統的需求增長，大大拓寬了草甘膦的施用范圍。草甘膦的大面積推廣使用將加速抗草甘膦雜草的發生和發展。

在我國，2005年抗草甘膦的小蓬草在浙江被發現和報道(Conyzacanadensis)(Songetal.，2005)，2012年抗草甘膦牛筋草在我國南方作物田中被發現(楊彩宏等，2012)。最近，在湖南省部分施用草甘膦的棉田也發現抗性牛筋草種群(劉慧雄等，2015)。這表明草甘膦在我國果園等農作物種植區的長期應用已經使抗性問題逐漸產生。未來隨著草甘膦應用范圍的擴大，抗草甘膦雜草產生的幾率將進一步升高。

3 雜草對草甘膦的抗藥性機制

大多數除草劑通過抑制植株生長發育中的關鍵酶而能殺死雜草，雜草體內這些受除草劑抑制的酶被定義為除草劑的靶標酶。雜草對除草劑的抗藥性通常情況可分為靶標抗藥性和非靶標抗藥性。靶標抗藥性是指靶標酶基因發生突變或多拷貝，使除草劑不能有效抑制靶標酶(Leeetal.，2015；Hanetal.，2016；Duhouxetal.，2017)。非靶標抗藥性主要是雜草通過代謝酶(如細胞色素酶P450、谷胱甘肽-S-轉移酶和葡萄糖醛酸轉移酶)代謝解毒作用使除草劑失活(Yu & Powles，2014；Iwakamietal.，2014)。就雜草對草甘膦的抗藥性機制而言，主要包括以下幾點：

3.1 靶標抗藥性機制

3.1.1 靶標基因發生改變 草甘膦的靶標EPSPS基因關鍵的核苷酸被取代，導致表達的氨基酸類型改變，從而引起EPSPS酶活性發生變化，致使草甘膦與靶標酶結合能力降低，最終導致草甘膦的藥效降低。到目前為止，已報道的抗草甘膦雜草EPSPS突變主要位于106位，如：馬來西亞的牛筋草、智利的多花黑麥草在EPSPS 106位氨基酸由脯氨酸變為絲氨酸或蘇氨酸(Baersonetal.，2002；Fideletal.，2012)。部分抗草甘膦雜草也伴隨其他位點的突變，如在澳大利亞發現的抗草甘膦瑞士黑麥草EPSPS同時存在2個突變位點，一是106位脯氨酸突變為蘇氨酸，二是301位脯氨酸突變為絲氨酸(Simarmataetal.，2008)。對草甘膦具有高抗性的牛筋草種群EPSPS同時存在102位和106位(T102I+P106S)2個氨基酸突變(Yuetal.，2015；陳景超等，2016)。

3.1.2 靶標酶的過量表達 雜草EPSPS基因表達量升高，植株體內產生過量的EPSPS酶能緩解草甘膦對其限制，從而對草甘膦產生抗藥性。Yuan等研究發現，抗草甘膦的狗甘草經草甘膦處理后，EPSPS在轉錄水平上迅速增加，過量的EPSPS解除了草甘膦對其限制并提供足夠的酶活性來滿足代謝的需要，從而增加了對草甘膦的抗藥性(Yuan et al.，2002)。但是有些抗草甘膦雜草是由于EPSPS基因在染色體上成倍復增導致的。Gaines等對抗草甘膦長芒莧(Amaranthuspalmeri)進行了抗性機理的研究，發現由于EPSPS基因在多個染色體上成倍擴增，在轉錄時增加了EPSPS的表達，從而導致長芒莧對草甘膦的抗藥性(Gainesetal.，2010)。這一新的抗性機制在《PNAS》雜志刊登后，研究者在意大利黑麥草(Loliumperennessp. multiflorum)、地膚(Kochiascoparia)也發現了這些雜草對草甘膦抗藥性是由于EPSPS基因大量復增所導致(Salasetal.，2012； Wiersmaetal.，2015)。

3.2 非靶標抗藥性機制

3.2.1 草甘膦的輸導與分布 在對小蓬草的草甘膦抗性機制研究中發現，減少草甘膦向分生組織輸導是其抗草甘膦的主要原因(Fengetal.，2004)。隨后在黑麥草中也發現了同樣的抗性機制(Wakelinetal.，2004)。Culpepper等用高濃度的草甘膦對抗草甘膦長芒莧莖葉噴霧處理后發現，葉腋處的生長點可以繼續生長(Culpcpperetal.，2006)。Fidel在研究抗草甘膦多花黑麥草(LoliummultiflorumLam.)時發現，抗藥性生物型不僅在EPSPS106位發生突變，并且抗性生物型比敏感型在植株根和葉片積累的草甘膦更少(Fideletal.，2012)。

3.2.2 草甘膦的隔離 部分抗草甘膦雜草可以通過將吸收到的草甘膦迅速在液泡中封存，從而明顯降低草甘膦的毒副作用。Ge等通過31P核磁共振在小飛蓬上觀察到了草甘膦的快速封存化，這說明雜草可以通過將除草劑隔離的辦法來實現一種在生物化學層面的抗性(Geetal.，2010)。

4 抗草甘膦雜草的治理

資料顯示，草甘膦抗性雜草發生，主要是重復而單一地使用草甘膦，尤其是那些以種植抗草甘膦轉基因作物為主的地區。因此，有針對性地進行除草技術的改進，是有效防除雜草，降低雜草抗性的必經之路。

4.1 除草劑混用 不同作用方式的除草劑輪換或混合使用是防除抗藥性雜草的有效方法之一。對于草甘膦防除效果不佳或產生抗性的雜草如苣荬菜、田旋花、小飛蓬等，可以與苯氧羧酸類除草劑2，4-D丁酯等混用來提高防除效果。也可以與其他類型的滅生性除草劑如草銨膦等輪換使用這樣既可以提高防除效果。草甘膦也可以與一些土壤處理活性較高的除草劑混用，如酰胺類，磺酰脲類等，這樣既能延長除草持效期又能降低重復施藥成本。

另外，草甘膦與莖葉處理除草劑的混用。如在生產上將草甘膦與苯氧羧酸類除草劑2，4-滴丁酯、2甲4氯等混用，既可提高防效，又可解決難防雜草問題。其次是與土壤處理除草劑的配合使用。由于草甘膦只有在雜草出土后進行莖葉處理，不能防除未出土雜草，因此，在噴施草甘膦的同時，將一些土壤處理除草劑(如酰胺類、磺酰胺類、咪唑啉酮類、三嗪類等)進行封殺，既能延長除草劑的持效期，減少施藥量，延緩抗性的產生。

4.2 提高施藥技術 現在生產上仍然存在一些不科學的施藥行為如：錯施、誤施、漏施、濫施等。如何能夠真正做到因草施藥，見草施藥；如何落實因草情而確定施藥劑量，考慮生態和經濟闞值而不盲目追求高防效是目前生產上亟待解決的重要課題。開發推廣高性能噴霧器械，提高噴霧質量等提高施藥相關技術對草甘膦的施用年限具有重要意義。

4.3 加強管理，發揮優勢 由于草甘膦在土壤中活性低，見效慢，人們很容易忽視其污染問題而加大施用劑量，尤其是在水田邊、鐵路、果園等非耕地施用，結果造成水體的嚴重污染。歐洲一些國家已經檢測發現，草甘膦對地表水、地下水和雨水都造成一定程度的污染。如何加強草甘膦的管理和正確指導科學地使用，充分發揮其優勢，避免抗性雜草的發展和環境污染，以延長其使用年限，確保草甘膦能更好的為農業發展服務，這是當前的一個重要任務。

4.4 利用新技術-RNA干擾 RNA干擾(RNA interference，RNAi)是指由雙鏈RNA分子引起的序列特異性靶標基因mRNA降解，從而導致內源或外源靶基因沉默的機制。2013年2月在澳大利亞舉行的“全球除草劑抗性挑戰”國際會議上，孟山都公司利用RNA干擾技術進行了草甘膦雜草治理的探索和研究，結果表明，通過導入特異的雙鏈RNA，可以使抗性長芒莧失去對草甘膦的抗性。但該技術只能解決靶標酶改變的抗性機制雜草，且在田間是否可應用，暫無相關研究。

5 小結

盡管目前研究者將雜草抗草甘膦機制分為靶標抗性和非靶標抗性，但不少研究者堅持認為EPSPS活性增高是產生抗性的主要原因。同時EPSPS其他位點的突變以及這些突變位點與抗性的關系有待于進一步挖掘和驗證。相信隨著研究的深入，人們將揭示出更加深入合理的抗性機制。

草甘膦在我國已使用40余年，長期使用草甘膦，抗藥性雜草產生與發展的風險在迅速增加。抗草甘膦的小飛蓬和牛筋草已在我國浙江和廣東發現(Songetal.，2005)。為防止抗草甘膦雜草的產生與發展，在抗藥性雜草的治理中，應重視除草劑使用的多樣性，倡導不同作用方式除草劑的輪用和交替使用，以延緩抗藥性雜草的發生；引入綠色發展理念——重視耕作方式和作物品種的多樣性，充分發揮農藝措施、生態調控等手段對雜草的控制作用；同時應加強對抗藥性雜草的監測，建立高效、系統的抗性雜草治理策略。