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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（Daucuscarota）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

（Loliumrigidum），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）（Conyzacanadensis）、瑞士黑麦草（Loliumrigidum）、多花黑麦草（Loliummultiflorum）、野塘蒿（Conyzabonariensis）、长叶车前（Plantagolanceolata）、豚草

（Ambrosiaartemisiifolia）、三裂叶豚草（Ambrosia

trifida）、具瘤苋（Amaranthusrudis）、长芒苋（Amaranthuspalmeri）、假高粱（Sorghumhalepense）、马唐属（Digitariainsularis）、猩猩草

（Euphorbiaheterophylla）、芒稷（Echinochloacolona）和类黍尾稃草（Urochloapanicoides）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（Conyzasumatrensis）以来，中国已报道了抗杀草丹、丁草胺的稗草（Echinochloacrusgalli）、抗氯磺隆的日本看麦娘（Alopecurujaponicus）、菵草（Bachmanniasyzigachne）。

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（Galiumaparine）、麦家公

（Lithospermumarvense）、播娘蒿（Descurainiasophia）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（Digitariasanguinalis）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（Mazusjaponicus）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（Abutilontheophrasti）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C02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。

药剂设臵不同浓度梯度,通过测定不同剂量下杂草的出苗率、死亡率、叶面积、鲜重、干重等指标,与对照比较,以确定抗药性水平。

盆栽试验能够提供杂草交互抗性或多抗性方面的信息,可以指导轮换用药,但是这种方法无法确定抗药性产生的原因和机理等问题,且费时长,但技术简单易行,大批量植株可同时进行,且重复性较好,因而是抗药性检测的常用方法。

3．2幼苗检测法

具体方法是:

在玻璃试管中放臵湿润的滤纸,把种子摆放在滤纸上,然后将试管放到盛有营养液（不含药剂）的培养皿中,通过滤纸吸取营养液,种子在滤纸上发芽,一段时间后把带根（长3〜5mm的种子转移到封闭的瓶中滤纸上，将不同浓度的药剂溶液加到瓶中,在一定条件下培养,通过测量芽长或胚芽鞘的长度测定杂草的抗药性水平。

3．3器官或组织水平测定根据杂草对除草剂产生的局部反应,抗药性杂草往往会在组织或器官的形态结构上表现出差异性,测定这种差异便可以鉴定抗药性。

培养皿种子检测法。

这种方法是把催芽的杂草种子放在加入药剂的琼脂平面或浸药的滤纸上培养,通过测定发芽率、主根长、鲜重或干重等指标鉴定抗药性。

此法相对快速、廉价、可靠,尤其是对大量杂草种群的常规抗药性检测非常重要。

3．4细胞或细胞器水平测定叶片叶绿素荧光测定法荧光反应被称为光合作用的探针。

当用光合作用抑制剂如取代脲类、三氮苯类或脲嘧啶类,处理植物叶片时,光合作用抑制剂阻断电子由QA到QB的传递，光系统II的还原端被中断,捕获的光能不能往下传递,叶绿素a处于激发态,以荧光的方式释放能量,通过测定叶绿素a发射荧光的强弱可以检测抗药性。

方法有Tucruet、Gasguea氏法和Ahrens法。

Tucruet、Gasguea氏法是在清晨采取植物幼叶,黑暗条件下浸于除草剂水溶液中,2h后取出,用短波光照射叶片背面,测定叶片发出的荧光强度;Ahrens法是从清晨采取的幼叶上切取叶圆片，光照的条件下悬浮于去离子水20〜60min,取出并

吸干上面的水,正面朝上放在黑布上,黑暗条件下测定其荧光强度,后将叶圆片面朝下,放入含有表面活性剂和除草剂的溶液中,照光后测定荧光强度。

此外,还可以通过测定叶绿素含量的变化检测抗药性。

3.5分子水平测定对于作用靶标已明确的除草剂,可通过测定靶标酶或与

靶标酶催化的反应存在密切关联的酶的活性差异或某些代谢物质量的差异判断杂草抗药性;对于已经获知编码基因的除草剂靶标酶，可使用DNA分析技术判断杂草的抗药性。

4．杂草抗药性的预防

针对农田杂草群落的多样性和杂草的耐药性与抗药性，采取综合性治理措施，即把使用除草剂与耕作栽培措施及其它有效的防治措施有机结合，发挥其最大的防治效果外，在大面积使用除草剂时，还要采取以下措施:

（1）不同种类型的除草剂混合使用科学合理地轮流使用不同种类型的除草剂，动用多种不同除草原理的除草，提高除草效果，减少除草剂的使用次数。

（2）使用对杂草作用点复杂及突变性除草剂优先选用对杂草作用点复杂的除草剂及突变性除草剂，通过多种作用点来杀灭杂草，提高除草剂的除草效果。

（3）轮换使用作用原理不同的除草剂科学合理的使用不同作用原理的不同除草剂和同一种除草剂品种的不同剂型，防止杂草产生耐药性与抗药性，提高除草效果。

（5）迟效性与速效性除草剂混合使用科学合理地混合及搭配使用速效性除草剂和迟效性除草剂，延长除草剂的有效除草作用期，减少除草剂的使用次数。

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