杂草的抗药性研究进展与形成机理

杂草的抗药性研究进展与形成机理摘要：近10年来，全球杂草抗药性研究取得了重要进展。

由于过度依赖和长期使用相对有限的化学除草剂，导致了抗药性杂草的发生和发展，且杂草抗药性问题越来越突出。

抗药性杂草的形成既有其本身生物学方面的原因,也与外界因素,诸如除草剂种类、使用方式、种植制度以及农业生产条件等有密切关系。

抗药性杂草种群产生并迅猛发展对除草剂的使用和新化合物的研发提出了严峻挑战,因此建立一套抗药性杂草的检测技术极为必要。

关键词：杂草抗药性机理众所周知，杂草是严重威胁作物生产的一大类生物灾害。

为了克服杂草对作物的危害，在过去的50多年里，农田化学除草已成为全球现代农业生产的重要组成部分。

然而，由于过度依赖和长期使用相对有限的化学除草剂，导致了抗药性杂草的发生和发展，且杂草抗药性问题越来越突出。

近10年来，全球杂草抗药性研究取得了重要进展，随着研究的不断深入，生物测定、生理生化，尤其是分子生物学技术在杂草抗药性研究中得到广泛应用。

1杂草抗药性现状自20世纪50年代在加拿大和美国分别发现抗2,4-D的野胡萝卜（Daucus carota）和铺散鸭趾草（Commelinadiffusa）以来，全球已有188种（112种双子叶，76种单子叶）杂草的324个生物型在各类农田系统对19类化学除草剂产生了抗药性。

尤其是20世纪80年代中期后，全球抗药性杂草的发展在这些抗药性杂草中，抗乙酰乳酸合成酶（ALS）抑制剂类除草剂杂草的发生速度十分惊人。

磺酰脲类除草剂是20世纪80年代初期才商业化的高活性除草剂，1982年澳大利亚就发现了抗磺酰脲类除草剂的瑞士黑麦草（Lolium rigidum），其后抗ALS抑制剂除草剂杂草生物型数量迅速超过抗三氮苯类除草剂的杂草生物型。

抗三氮苯类除草剂的杂草生物型发生较早，20世纪80年代中后期以来一直呈上升趋势，目前在25个国家已有67种抗三氮苯类除草剂的杂草生物型。

自第一例抗乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）抑制剂类除草剂禾草灵（Diclofop）的瑞士黑麦草在澳大利亚出现后，智利、南非、西班牙、英国和美国也出现了多种抗乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）抑制剂类除草剂的杂草，至今在26个国家已有35种抗此类除草剂的杂草生物型。

1996年在澳大利亚出现的抗草甘膦瑞士黑麦草打破了杂草不会对有机磷类除草剂产生抗药性的神话，而且在马来西亚、美国、法国、南非、智利、巴西、阿根廷、哥伦比亚和西班牙等国相继发现牛筋草（Eleusineindica）、小蓬草（加拿大蓬）（Conyza canadensis）、瑞士黑麦草（Lolium rigidum）、多花黑麦草（Loliummultiflorum）、野塘蒿（Conyza bonariensis）、长叶车前（Plantago lanceolata）、豚草（Ambrosiaartemisiifolia）、三裂叶豚草（Ambrosiatrifida）、具瘤苋（Amaranthus rudis）、长芒苋（Amaranthuspalmeri）、假高粱（Sorghum halepense）、马唐属（Digitaria insularis）、猩猩草（Euphorbiaheterophylla）、芒稷（Echinochloa colona）和类黍尾稃草（Urochloa panicoides）等15种杂草对草甘膦产生了抗药性。

从除草剂种类和抗性发生频率看，不同除草剂种类的抗性风险不同。

合成激素类除草剂和三氮苯类除草剂在使用了10余年后就产生了抗药性杂草，长期广泛大量使用的有机磷类除草剂草甘膦在使用了近30年后才出现了几种对它具有抗药性的杂草生物型。

而乙酰乳酸合成酶（ALS）抑制剂类，在使用了短短3～5年后就出现了对其具有抗药性的杂草，而且，抗性杂草生物型数量持续急剧攀升，成为抗性最为严重的一类除草剂。

三氮苯类除草剂在生产上使用的年数少于激素类除草剂，然而，抗三氮苯类除草剂的杂草生物型数量却远多于抗激素类除草剂杂草生物型的数量。

可见，由于除草剂作用机制、靶标位点、应用面积、年数和程度不同，杂草以不同的速率对除草剂形成抗药性。

从抗药性杂草在全球59个国家的分布看，绝大多数抗性杂草生物型都分布在除草剂应用水平较高的发达国家。

如在美国分布的抗药性杂草生物型有123种，澳大利亚53种，加拿大44种，法国32种，西班牙31种，英国24种，以色列23种，巴西20种，德国、意大利各19种，比利时18种，捷克、日本和马来西亚各16种，南非和瑞典各14种，其它43个国家共有137种。

可见，抗药性杂草的发生与除草剂使用技术水平和应用强度密切相关。

然而，抗药性杂草并不是发达国家的“专利”，20世纪70年代发展中国家就已有抗药性杂草的记载。

自1980年在台湾省发现第一例抗联吡啶类除草剂百草枯的苏门白酒草（Conyza sumatrensis）以来，中国已报道了抗杀草丹、丁草胺的稗草（Echinochloa crusgalli）、抗氯磺隆的日本看麦娘（Alopecuru japonicus）、菵草（Bachmannia syzigachne）。

近年来中国农田化学除草面积迅猛扩大，目前已超过7300万hm2（次），其中水稻田化学除草面积占播种面积的75%、小麦田占播种面积的55%、玉米田占播种面积的444。

随着化学除草的快速发展，中国杂草抗药性问题已开始凸现。

一些水稻主产区农民使用苄嘧磺隆、吡嘧磺隆等除草剂时，单位面积用药量超过推荐剂量的30倍以上，才能收到较好的效果，部分稻区杂草对草达灭、苄嘧磺隆、吡嘧磺隆和二氯喹琳酸的抗药性明显增加；在连续6年使用氯磺隆的麦田菵草、猪殃殃（Galium aparine）、麦家公（Lithospermum arvense）、播娘蒿（Descurainia sophia）等麦田主要阔叶杂草对2,4-D、苯磺隆的抗药性也已出现；在长期使用阿特拉津的玉米田，马唐（Digitaria sanguinalis）的抗药性上升；豆田和油菜田的日本看麦娘对高效盖草能、精禾草克的敏感性也逐年降低；在长期使用百草枯的地块，通泉草（Mazus japonicus）表现出明显抗性现象。

2.杂草抗药性形成原因与作用机理抗药性杂草的形成既有其本身生物学方面的原因,也与外界因素,诸如除草剂种类、使用方式、种植制度以及农业生产条件等有密切关系。

2．1杂草抗药性形成的因素杂草种群内,个体的多实性、易变性、多型性及对环境的高度适应性和遗传多样性是产生抗药性的内在因素,而除草剂的长期和单一使用起了诱发抗性个体产生和筛选抗性的作用。

总结导致杂草形成抗药性的因素,大致有6个方面:①抗性基因型在接触除草剂之前就可能是变异的,②除草剂的单一靶标位臵和特殊的作用方式;③连续重复应用某单一除草剂;④使用除草活性强且具有长效期的除草剂;⑤抗除草剂活性基因过分活跃;⑥单一作物栽培模式。

2．2杂草抗性形成的途径一般来说,在田间情况下,杂草抗药性群体的形成有两种途径:一种是在除草剂的选择压力下,自然群体中一些耐药性的个体或具有抗药性的遗传变异类型被保留,并能繁殖而发展成一个较大的群体。

在田间表现形式上来看,是由于一类或一种除草剂的大面积和长期连续使用,使原来敏感的杂草对除草剂的敏感性下降,以致于用同一种药剂的常规剂量难以防除。

而在正常情况下,不用除草剂,由于杂草群体效应及竞争作用,抗性的个体数量极少,难以发展起来。

另一种可能是由于除草剂的诱导作用,使杂草体内基因发生突变或基因表达发生改变,结果提高了对除草剂解毒能力或使除草剂与作用位点的亲合力下降,而产生抗药性的突变体,然后在除草剂的选择压力下,抗药性个体逐步增加,而发展成为抗药性生物型群体。

2．3抗药性杂草的作用机理杂草抗药性的形成受多方面因素的影响,因此它的抗药性机理也是复杂化的、多样性的。

不同类型除草剂具有不同的作用机理,不同类型的杂草也具有不同的抗药性机理。

目前已研究和阐明的抗药性杂草形成的机理主要包括3个方面。

2．3．1作用部位的改变除草剂作用于杂草必须到达一定的生理部位,在那里发挥毒性,而且作用位点可能在一个以上。

但是,在除草剂的选择压力下,个别杂草的除草剂的作用位点发生了遗传修饰的改变,使除草剂的活性大大降低,出现了抗药性杂草生物型。

这种现象在大多数磺酰脲类、咪唑啉酮类、三氮苯类以及二硝基苯胺类除草剂的抗性研究中已得到证实。

现在较普遍的是,即磺酰脲类、咪唑琳酮类等的作用位点发生突变,而使这些除草剂的药效降低。

研究结果表明:胡萝卜、拟南芥、地肤、烟草、毛蔓陀罗等除草剂的抗性突变体都是由乙酰乳酸合酶改变引起的,该位点突变或修饰是对磺酰脲类等除草剂产生抗性的根本原因。

杂草对三氮苯类的抗性是由于杂草中叶绿体上类囊体膜上的除草剂的固着部位发生了突变,因此,抗药性杂草能抵抗多次(100次以上)常规有效剂量的除草剂。

在抗二硝基苯胺类的牛筋草中也发现因作用位点改变而产生抗性,其产生抗药性的原因是细胞内微管的组装不受此类药剂的阻碍,微管的形成和正常功能不再受影响。

2．3．2代谢作用的增强除草剂在植物体内的代谢,主要是关于除草剂在植物体内过渡性或最终性的结果,即关于除草剂降解或解毒作用的过程和产物等方面的问题。

多数获得抗药性的生物型都表现出对参与选择的除草剂代谢作用的增强,同时伴有解毒过程的发生水解作用、扼合作用和区隔化作用。

如苘麻(Abutilon theophrasti)对莠去津产生的抗性是通过谷胱甘肽的共扼作用而增强解毒。

鼠尾看麦娘对绿黄隆产生抗性是通过N-脱烃基作用和与细胞色素P450(Cytp450)有联系的环烷基氧化过程,使除草剂迅速降解。

2．3．3对除草剂的屏蔽作用或作用位点隔离作用很多研究结果表明分离作用在某些抗药生物型杂草中起重要作用。

这种分离是通过除草剂在杂草体内的贮存或在液泡的代谢来完成的,如在个别植物中,均三氮苯类随蒸腾流移动并贮存到溶腺体中去,以这种独特的隔离方法阻止了均三氮苯对杂草的毒害作用。

例如植物对百草枯的屏蔽作用,是因为百草枯与叶绿体中一种未知的细胞组分结合或者由于在液泡中的累积,使百草枯与叶绿体中的作用位点相隔离。

且研究表明,在抗药性生物型中,叶绿体的功能如CO2固定和叶绿素荧光猝灭可以迅速恢复。

这些说均说明除草剂在其作用位点的结合可能被阻止。

但是这一过程导致除草剂产生抗药性的研究还需深入。

3．杂草抗药性的生物测定当前,农作物的杂草治理仍然以使用除草剂为主,然而抗药性杂草种群产生并迅猛发展对除草剂的使用和新化合物的研发提出了严峻挑战,因此建立一套抗药性杂草的检测技术极为必要。

3.1整株水平测定整株植物测定法具体方法为:首先从怀疑有抗药性杂草生物型和从未使用过除草剂的田块采集杂草种子,按小区大田播种或温室盆栽,在播后芽前或苗后进行常规施药处理。