耐異丙隆和甲基二磺隆小麥種質資源篩選

鄧海玲， 楊 雪， 張巧鳳， 強 勝， 宋小玲

(1.南京農業大學生命科學學院雜草研究室，江蘇南京 210095； 2.江蘇省農業科學院種質資源與生物技術研究所，江蘇南京 210014)

小麥是江蘇省的主要糧食作物之一，在全國糧食生產中占有重要地位。但小麥生長過程中雜草發生危害頻繁，嚴重影響小麥品質和產量。盡管現有化學除草劑種類較多，但由于除草劑防除對象有限以及除草劑藥害等問題，小麥田雜草仍是制約小麥高產和穩產的主要因素。除草劑異丙隆和甲基二磺隆是目前小麥田常用的除草劑，但在實際生產中常有藥害或凍藥害發生，制約了它們施用的有效性。

異丙隆為取代脲類內吸收傳導型土壤處理兼莖葉處理除草劑，藥劑被植物吸收后，通過結合雜草細胞中類囊體膜內側的D1蛋白，阻礙光系統吸收短波紅光，進而影響雜草光合作用，受藥害的雜草葉片褪綠、發黃、枯死[1-2]。異丙隆是我國應用最廣、施藥量最大的麥田除草劑之一，對防除看麥娘(Alopecurusaequalis)、野燕麥(Avenafatua)、早熟禾(Poaannua)、菵草(Beckmanniasyzigachne)、耿氏硬草(Sclerochloakengiana)、牛繁縷(Malachiumaquaticum)、田紫草(Lithospermumarvense)等禾本科雜草和闊葉雜草有顯著效果，但是由于在施用異丙隆前后遇到低溫時會產生嚴重的低溫藥害，導致小麥的產量和品質遭受嚴重影響[3-4]。甲基二磺隆為磺酰脲類除草劑，主要通過植物的莖葉吸收后經韌皮部和木質部傳導，抑制敏感植物體內乙酰乳酸合酶(ALS)活性，導致支鏈氨基酸的合成受阻，使細胞分裂受到抑制，最終導致敏感植物死亡[5]。該藥劑對冬小麥、春小麥田一年生禾本科雜草看麥娘、菵草、野燕麥等和部分闊葉雜草繁縷(Stellariamedia)、豬殃殃(Galiumspurium)等有較好的防效，是目前防治小麥田節節麥(Aegilopstauschii)、雀麥(Bromusjaponicus)、菵草等惡性雜草的最好藥劑。不同小麥品種對甲基二磺隆的耐藥性差異較大，敏感性品種噴施甲基二磺隆后會出現較為嚴重的矮化蹲苗現象[6]。筆者所在實驗室前期研究表明，對異丙隆和甲基二磺隆耐藥性較強的小麥品種低溫藥害程度弱。種植耐除草劑的小麥品種是當前解決麥田草害和凍藥害的可行途徑。因此，本研究以江蘇省主要種植的 85 個小麥品種(系)為對象，測定它們對異丙隆和甲基二磺隆的耐藥性，得出的結果可為避免這2種除草劑的凍藥害提供實際指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試藥劑 30 g/L甲基二磺隆可分散油懸浮劑(安徽藍田農業開發有限公司)；50%異丙隆可濕性粉劑(江蘇省快達農化股份有限公司)。

1.1.2 供試小麥品種 供試的品種(系)共85個，其中通過審定的品種65個和未審定品系20個(表1)，均是江蘇省主要種植品種(系)，由江蘇省農業科學院種質資源與生物技術研究所、江蘇沿江地區農業科學研究所和江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 確定批量篩選劑量及數據統計方法

1.2.1.1 試驗設計 試驗于2021年9月25日在南京農業大學牌樓科研教學基地進行，選取紅皮小麥寧麥資518、寧麥18和白皮小麥徐麥33、瑞華麥568為代表品種，在高12 cm、直徑9 cm的塑料杯中裝入土壤(營養土 ∶油菜地土=1 ∶1)并澆透水過夜，9月26日在塑料杯中均勻撒入小麥種子，播種量為10粒/杯，并在種子表面覆土1 cm。每天澆水保持土壤濕潤，待小麥長到3～4葉1心期(10月19日)時分別施用50%異丙隆可濕性粉劑和30 g/L甲基二磺隆可分散油懸浮劑，其中50%異丙隆可濕性粉劑施用劑量為0、1 500、3 000、6 000、12 000、24 000、48 000 g/hm2，兌水 1 000 L/hm2；30 g/L甲基二磺隆可分散油懸浮劑施用劑量為0、450、1 350、2 700、4 050、5 400、7 200 mL/hm2，兌水600 L/hm2。每種除草劑設6個處理和1個清水對照，4次重復。

表1 供試小麥名稱、審定編號及種植麥區Table 1 Variety or line names，approval numbers and planting areas of wheats

為確保噴施除草劑的均勻程度，首先用墨水代替除草劑在2 m2大小的范圍內進行噴施藥劑練習，反復噴施至藥液均勻分布。施藥前，把供試小麥隨機均勻放置在2 m2的空地上，用1.5 L手持式噴霧器(型號SX-574，中國市下控股有限公司產品，噴頭型號為sv-1傘式噴頭)均勻噴霧，噴霧壓力約為0.2 MPa。噴施不同的除草劑時，分別使用獨立的噴霧器，以防互相干擾。

1.2.1.2 指標測定 于施藥后3、5、7、9、11、14 d 連續觀察并記錄各處理小麥的藥害現象及死亡速度，根據5級藥害分級法(表2)評定小麥藥害級別，計算各處理藥害綜合指數。并于施藥后14 d測量各處理小麥的株高、地上部鮮重和干重。計算藥害綜合指數、地上部鮮重抑制率和地上部干重抑制率。

藥害綜合指數=∑[(各個處理各藥害級別株數×級別)/(各個處理總株數×最高級別)]×100%；

地上部鮮重抑制率=(對照地上部鮮重-處理地上部鮮重)/對照地上部鮮重×100%；

地上部干重抑制率=(對照地上部干重-處理地上部干重)/對照地上部干重×100%。

表2 除草劑對小麥的藥害癥狀分級標準Table 2 Scoring criteria of herbicide phytotoxicity level on wheat

1.2.1.3 數據處理 用Origin 8.0分析軟件進行劑量和耐藥率、地上部鮮重、地上部干重的Logistic回歸分析，得出回歸方程，計算ED50和ED90值。分析各小麥的藥害綜合指數、地上部鮮重抑制率和地上部干重抑制率與除草劑劑量關系，確定這3個指標是否可以作為評價小麥對除草劑耐藥性差異的指標；并分析小麥對不同劑量除草劑的耐藥性差異，確定批量篩選劑量。

1.2.2 批量篩選耐除草劑小麥及數據統計方法 種植方法和施藥方法同“1.2.1”節，施藥劑量為“1.2.1”節中確定的批量篩選劑量。試驗在南京農業大學牌樓科研教學基地進行，種植時間為2021年10月28日，施藥時間為2021年11月25日。施藥后觀察藥害癥狀并且于異丙隆施藥后 18 d、甲基二磺隆施藥后35 d測定地上部鮮重、地上部干重，調查方法同“1.2.1”節。計算耐藥率以及相對地上部鮮重和相對地上部干重。

耐藥率=1-藥害綜合指數；

相對地上部鮮重=處理組地上部鮮重/空白對照地上部鮮重×100%；

相對地上部干重=處理組地上部干重/空白對照地上部干重×100%。

小麥的耐藥率、相對地上部鮮重和相對地上部干重的值越大，則該小麥對所用除草劑的耐藥性越強。按照表3中列出的標準，把耐藥率、相對地上部鮮重和相對地上部干重分別劃分為5個耐藥級別，之后計算耐藥級別之和，把耐藥級別之和作為評價小麥對異丙隆和甲基二磺隆耐藥性的標準，并對85個小麥品種(系)耐藥性排序。耐藥性劃分為5個等級，具體見表4。

表3 小麥耐藥率、相對地上部鮮重和相對地上部干重的耐藥級別劃分標準Table 3 Criteria for classifying resistance degrees of wheats in terms of resistance rate，relative above-ground fresh weight and relative above-ground dry weight

表4 小麥耐藥性劃分標準Table 4 Criteria for classifying wheat resistance

2 結果與分析

2.1 確定批量篩選劑量

寧麥資518、寧麥18、徐麥33和瑞華麥568共4個代表品種在施藥后1～14 d的藥害癥狀調查結果顯示，隨著甲基二磺隆和異丙隆劑量的增加，小麥的藥害癥狀和藥害級別呈逐漸增加的趨勢。藥后14 d，異丙隆各處理小麥均出現藥害癥狀，在最低劑量和低劑量處理(1 500 、3 000 mL/hm2)下，寧麥18和瑞華麥568較嚴重，藥害等級為1～2級；寧麥資518和徐麥33生長停滯，新生葉枯黃，葉尖發黃變皺，藥害等級為1級。中劑量和中高劑量處理(6 000、12 000 mL/hm2)下，寧麥資518和徐麥33葉尖嚴重枯黃，根莖變黃，藥害等級為3級；寧麥18和瑞華麥568植株整體黃化 40%～60%，老葉枯黃嚴重卷曲，根莖畸形開始腐爛，藥害等級3～4級。高劑量和最高劑量處理(24 000、48 000 mL/hm2)下，能明顯觀察到4個小麥品種之間的藥害差異，其中瑞華麥568藥害最為嚴重，葉片81%～100%枯黃死亡，根莖腐爛，植株斷根、完全倒伏，整株91%～100%枯黃死亡，藥害癥狀達到5級；其次為寧麥18，植株整體黃化80%～90%，根莖畸形腐爛，部分倒伏，藥害等級為4～5級；寧麥資518植株整體黃化60%～80%，根莖枯黃，部分倒伏，藥害等級為4～5級；徐麥33藥害癥狀最輕，植株整體黃化40%～60%，老葉枯黃皺縮卷曲，藥害等級為3～4級。就藥害癥狀來看，在高劑量和最高劑量處理(24 000、48 000 mL/hm2)下，能明顯區分4個小麥品種對異丙隆的敏感性差異，選擇中間劑量 36 000 mL/hm2作為比較不同小麥品種(系)對異丙隆敏感性差異的合適劑量。

藥后14 d，甲基二磺隆各處理間藥害癥狀有明顯差異，最低劑量和低劑量處理(450、1 350 mL/hm2)下，4個品種小麥均表現為生長緩慢，葉尖黃化干枯卷曲，新生葉片基本枯黃 死亡，藥害級別為1級。中劑量和中高劑量處理(2 700、4 050 mL/hm2)下，4個小麥品種藥害癥狀開始出現差異，瑞華麥568藥害最輕，生長緩慢，葉尖枯黃卷曲，藥害等級為1～2級；寧麥資518、寧麥18和徐麥33藥害癥狀相近，植株生長基本停止，心葉開始黃化死亡，根莖干枯開始腐爛，藥害等級為3級。高劑量和最高劑量處理(5 400、7 200 mL/hm2)下，4個小麥品種藥害癥狀出現明顯差異，瑞華麥568生長逐漸停止，葉尖干枯卷曲，葉片中部開始白化，新生葉片干枯死亡，藥害等級為2～3級；寧麥資518和徐麥33植株葉片黃化70%～80%，部分植株根莖部腐爛，斷根倒伏，藥害級別為4～5級；寧麥18藥害最為嚴重，植株葉片完全枯黃死亡，整體出現斷根倒伏，整株81%～100%枯黃死亡，藥害級別為5級。就藥害癥狀來看，在高劑量和最高劑量處理(5 400、7 200 mL/hm2)下，能明顯區別4個品種小麥對異丙隆的敏感性差異，故選擇中間劑量6 300 mL/hm2作為比較不同小麥品種(系)對甲基二磺隆敏感性差異的合適劑量。

在藥害癥狀達到5級時，測量各小麥地上部鮮重和干重。結果表明，異丙隆和甲基二磺隆對小麥藥害綜合指數、地上部鮮重和干重的抑制作用明顯，且隨劑量的增加，抑制作用呈增加趨勢，藥劑劑量和這3個指標之間的回歸分析均有較好的相關性(表5、表6)，說明這3個指標均可以作為批量測定小麥對除草劑耐藥性差異的指標。

表5 50%異丙隆可濕性粉劑處理4個小麥品種的Logistics曲線方程及ED50和ED90值Table 5 The Logistic curve equation and ED50 and ED90 values of four wheat varieties treated with isoproturon 50% WP

表6 30 g/L甲基二磺隆可分散油懸浮劑處理4個小麥品種的Logistics曲線方程及ED50和ED90值Table 6 The Logistic curve equation and ED50 and ED90 values of four wheat varieties treated with mesosulfuron-methyl 30 g/L OD

2.2 85個小麥品種(系)對異丙隆耐藥性差異比較

從異丙隆施藥后18 d各小麥癥狀可明顯看出，不同小麥品種(系)對異丙隆的耐藥性存在明顯差異，同一小麥品種(系)的不同指標對異丙隆的耐藥性差異基本一致。對85個小麥品種(系)的耐藥率、相對地上部鮮重和相對地上部干重耐藥級別進行綜合排序，結果見表7。

85個小麥品種(系)中，瑞華麥218、44、明麥133、淮麥44、瑞華麥516、江麥816和淮麥30共7個小麥品種(系)對異丙隆高度耐藥，3個指標耐藥級別之和為12～15；淮麥18、55、瑞華520等8個小麥品種(系)中度耐藥，3個指標耐藥級別之和為10～11；29、揚麥23、江麥919等14個小麥品種(系)低度敏感，3個指標耐藥級別之和為8～9；江麥166、豐德存麥12號、寧麥資126等35個小麥品種(系)中度敏感，3個指標耐藥級別之和為 6～7；漯麥18、揚麥25、鎮麥13等21個小麥品種(系)對異丙隆高度敏感，3個指標耐藥級別之和為3～5。

表7 85個小麥品種(系)對異丙隆的耐藥性比較Table 7 Comparison on the isoproturon resistance of 85 wheat varieties(lines)

表7(續)

表7(續)

2.3 85個小麥品種(系)對甲基二磺隆耐藥性差異比較

從甲基二磺隆施藥后35 d各小麥癥狀可明顯看出，不同小麥品種(系)對甲基二磺隆的耐藥性存在明顯差異，同一小麥品種(系)的不同指標對甲基二磺隆的耐藥性差異基本一致。對85個小麥品種(系)的耐藥率、相對地上部鮮重和相對地上部干重耐藥級別進行綜合排序，結果見表8。

85個小麥品種(系)中，30、寧麥資14213、百農矮抗58等11個小麥品種(系)對甲基二磺隆高度耐藥，3個指標耐藥級別之和為12～14；江麥898、農麥88、50等8個小麥品種(系)中度耐藥，3個指標耐藥級別之和為11；淮麥23、寧麥23、江麥23等16小麥品種(系)低度敏感，3個指標耐藥級別之和為10；周麥33、淮麥40、徐麥35等27個小麥品種(系)中度敏感，3個指標耐藥級別之和為 8～9；揚麥30、淮麥44、瑞華麥520等23種小麥對甲基二磺隆高度敏感，3個指標耐藥級別之和為3～7。

表8 85個小麥品種(系)對甲基二磺隆的耐藥性比較Table 8 Comparison on the mesosulfuron-methyl resistance of 85 wheat varieties(lines)

表8(續)

表8(續)

3 討論與結論

以異丙隆12倍推薦劑量(36 000 mL/hm2)對85個江蘇省主要種植小麥品種(系)進行耐藥性篩選，發現瑞華麥218、瑞華麥516、明麥133、淮麥44、淮麥30、江麥816和44共7個小麥品種對異丙隆具有高度耐藥性。這些耐藥性品種值得在生產中推廣應用，其中瑞華麥218、瑞華麥516、江麥816、淮麥44、、44適合在淮北種植，明麥133、淮麥30適合在淮南種植，這些小麥品種均具有高產、穩產、多抗等優良性狀[7-11]，再加上對異丙隆的耐藥性強，種植這些小麥品種(系)將對麥田雜草防除和提高小麥產量有重要作用。在這些小麥品種(系)中只有明麥133是紅皮小麥，其他6種均為白皮，這預示小麥種皮色與耐藥性有一定的關聯，有待于進一步研究分析。另外，這些耐藥性強的小麥有的是由不同親本雜交獲得的，其親本耐藥性較強是否導致雜交小麥耐性強也有待于進一步研究。

以甲基二磺隆14倍推薦劑量(6 300 mL/hm2)進行整株生測法篩選發現，百農矮抗58、寧麥資14213、瑞華麥568、明麥133、豐德存麥12號、寧麥28、瑞華麥596、寧麥資126、徐麥33、30、瑞華麥218共11個小麥品種(系)對甲基二磺隆具有高度耐藥性。這些耐藥性品種值得在生產中推廣應用，其中百農矮抗58、明麥133、豐德存麥12號、寧麥28、瑞華麥596、寧麥資126、寧麥資14213和徐麥33適合在淮南種植，瑞華麥568、30和瑞華麥218適合在淮北種植，這些小麥品種(系)均具有高產、穩產、多抗等優良性狀，如百農矮抗58具有高產穩產、適應性廣等特性，在黃淮南部麥區種植面積超266.67萬hm2，是全國小麥的主導品種[12]。這些小麥具有優良性狀且對甲基二磺隆耐藥性強，種植這些小麥品種(系)將對麥田雜草防除和提高小麥產量有重要作用。

不同小麥品種(系)對異丙隆和甲基二磺隆的耐藥性差異，可能與吸收傳導、靶標酶活性以及除草劑噴施后在小麥體內的降解有關[13-14]。除草劑被植物吸收進入植物體內并傳導到作用部位是其發揮作用的第1步。不同植物的葉片尺寸及厚度、角質層厚度、氣孔數量及結構、表皮細胞及附屬物結構以及內部解剖結構等存在差異，可能導致其對除草劑吸收量的不同，從而引起除草劑的耐藥性差異[15]。耐藥性植物可通過產生對除草劑分子不敏感的靶標酶或過量表達靶標酶等對除草劑產生耐藥性[16]。乙酰乳酸合成酶(ALS)是磺酰脲類除草劑作用的唯一靶標，有研究表明，磺酰脲類除草劑苯磺隆和雙氟磺草胺處理小麥后，不同小麥品種對其表現出不同的耐藥性，且耐藥性強的小麥品種ALS酶活性恢復快[17-18]。不同小麥品種對雙氟磺草胺的耐藥性差異可能與谷胱甘肽S 轉移酶(GSTs)活性差異有關，耐藥性較強的小麥品種GSTs活性變化幅度大，且反應時間短[19-20]。快速降解除草劑為無毒成分是植物耐除草劑的原因之一。植株體內可產生使除草劑降解的酶或酶系統，將除草劑或其他有毒代謝物降解為無毒產物。除草劑代謝是一個多步驟的過程，需要谷胱甘肽(GSH)、細胞色素 P450(P450s)、谷胱甘肽-S-轉移酶(GSTs)、糖基轉移酶(UGTs)和三磷酸腺苷結合盒轉運體(ABC轉運體)等的共同參與[21-22]。GSTs是谷胱甘肽結合反應的關鍵酶，用于催化親核性的谷胱甘肽與親電子的有毒異源物或氧化產物結合，從而促進這些有毒物質的代謝、區域化隔離或清除[23]；P450s是生物體內甾醇類激素合成、內源及外源物質代謝以及許多基礎代謝催化過程中的一個重要的單加氧酶系，作物對除草劑產生的生物化學抗性是因為CYP450酶系被誘導，加速除草劑的代謝，從而轉化為無毒產物[24]。耐除草劑作物能通過增加體內GSTs和CYP450s等代謝酶的活性，將除草劑快速轉化為無毒代謝產物。因此有待于深入研究不同小麥品種(系)的耐藥性機制。