杂草对ACCase抑制剂的抗性

郭 峰， 张朝贤， 黄红娟， 魏守辉， 张 猛， 房 峰

(中国农业科学院植物保护研究所/中国农业科学院杂草害鼠生物学与治理重点开放实验室，北京 100193)

杂草对ACCase抑制剂的抗性

郭 峰， 张朝贤， 黄红娟， 魏守辉， 张 猛， 房 峰

(中国农业科学院植物保护研究所/中国农业科学院杂草害鼠生物学与治理重点开放实验室，北京 100193)

以乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)为作用靶标的除草剂是高效、选择性的禾本科杂草除草剂，其在全球范围内的广泛、重复使用，导致了抗药性杂草的发生和发展。到目前为止，已经在30个国家有37种抗此类除草剂的杂草生物型。抗药性杂草严重威胁杂草治理和农业生产，由此引发的生态问题及粮食安全问题引起了广泛的关注。文章概述了ACCase抑制剂抗药性杂草的发生现状，从杂草ACCase突变、代谢解毒等几个方面综述了杂草抗ACCase抑制剂的抗性机制，以期为ACCase抑制剂抗性研究提供参考。最后讨论了阻止或延缓抗药性发生的杂草管理措施。

ACCase抑制剂； 杂草； 抗药性； 抗性机制； 管理措施

生物体有同质型(homomeric)和异质型(heteromeric)两种类型的乙酰辅酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase,ACCase,EC 6.4.1.2)，全都包括生物素羧基载体蛋白(biotin carboxylase carrier protein,BCCP)、生物素羧化酶(biotin carboxylase,BC)、羧基转移酶(carboxyltransferase,CT)[1]三个功能域，是一种以生物素为辅基，以HCO3-为羧基供体的羧化酶。ACCase在ATP的参与下将乙酰辅酶A羧化为丙二酸单酰辅酶A，而植物质体中脂肪酸生物合成及细胞质中脂肪酸延长、花青素和类黄酮等次生代谢产物合成都需要大量的丙二酸单酰辅酶A[2]。这个反应既是脂肪酸合成反应中的第一步反应，也是关键的反应步骤，同时也是限速步骤[3]。

1958年发现ACCase可以作为除草剂的作用靶标[4]，目前针对该靶标的除草剂共有两大类，芳氧苯氧基丙酸酯类(APP)和环己烯酮类(CHD)[5]。1971年，德国Hoechst公司首先开发出芳氧苯氧基丙酸酯类除草剂，并于第二年申请了禾草灵的专利。此后，日本石原产业公司发现将其一边的苯环用吡啶取代后，吡啶取代物SL-501的除草活性为禾草灵的10倍[6]。从1975年开始，许多农药公司在原有模式结构的基础上，进行结构修饰和改造，相继开发出一系列活性更高、选择性更好的APP类除草剂，如吡氟禾草灵、精吡氟禾草灵、高效氟吡甲禾灵等。APP类除草剂存在立体异构，且这种异构体只有右旋体(R+)对ACCase有显著活性。日本于1973年开发出第一个CHD类除草剂——禾草灭，而真正开创CHD类除草剂的是1981年开发出的高活性品种——烯禾啶。到目前为止，CHD类商品化除草剂主要有烯禾啶、烯草酮、禾草灭、噻草酮等10多个品种。

APP和CHD类除草剂主要通过抑制乙酰辅酶A的羧化，进而阻断脂肪酸的合成，同时破坏膜的完整性，从而造成代谢物的渗漏和植物的快速死亡[7]。由于禾本科物种只存在同型ACCase，而非禾本科物种则同时含有同型和对ACCase抑制剂不敏感的异型两种ACCase，所以ACCase抑制剂对非禾本科物种具有高度的选择性，在全球范围内被广泛用来控制禾本科杂草[7]。除草剂的使用极大减轻了农民的负担，但是对除草剂的过度依赖和使用也导致了抗药性杂草种群的发生和发展，尤其是在ACCase抑制剂类这种作用靶标单一的除草剂更为严重，其全球抗药性杂草生物型数量仅次于乙酰乳酸合成酶抑制剂类除草剂，是全球杂草抗药性研究的热点。近年来，由于分子生物学手段的广泛应用，发现了与杂草对ACCase抑制剂敏感性改变至关重要的ACCase羧基转移酶区域的7个氨基酸位点，阐明了杂草基于ACCase位点突变的抗性基础，非靶标位点突变的抗性主要是代谢解毒酶活性的增强，虽然这类抗性机制普遍存在，但是目前对其还知之甚少。本文重点概述了ACCase抑制剂抗药性杂草的发生现状、杂草抗药性机制，并讨论了阻止或延缓抗药性发生的杂草管理措施，以期为我国的杂草抗药性研究提供参考。

1 杂草对ACCase抑制剂抗性的发生和发展

2 杂草对ACCase抑制剂抗性的作用机制

ACCase抑制剂类除草剂作为独有的控制禾本科杂草的除草剂一直在作物田里被大量的施用，很快便导致能够忍受ACCase抑制剂类除草剂田间剂量的禾本科杂草种群出现[7]。抗药性杂草的发生不但增加了除草成本，也增加了环境压力[11]，阐明杂草对除草剂的诱导抗性特征与机制，延缓杂草抗性产生和延长ACCase抑制剂类除草剂使用年限，并为抗药性杂草检测和治理提供理论依据，都具有重要的实践意义[12]。

2.1 作用靶标位点的突变

表1 部分国家2011年抗ACCase抑制剂类除草剂杂草生物型数量

2.2 代谢能力的增强

杂草种群的个体多实性、易变性及多型性是对除草剂产生抗性的内在因素[24]。除草剂在对杂草种群产生强大的筛选压力的同时，也促使杂草体内做出一系列代谢反应，通过阻止除草剂活性分子到达靶标位点、削弱除草剂的毒害作用或者两方面综合作用，使得杂草对ACCase抑制剂类除草剂敏感性降低。杂草对除草剂的代谢不但改变了除草剂分子的化学性质，也改变了他们的功能，且代谢速度越快，对这些除草剂的抗性也就越高[15]。除草剂在植物体内代谢一般分为3个过程：一是通过氧化、水解或轭合等作用使得除草剂母体分子水溶性提高，毒性降低；二是将除草剂或其代谢产物轭合到GSTs、糖基或氨基酸上，从而进一步削弱母体分子的毒性；三是通过进入液泡或结合到细胞壁中将第二阶段的代谢物进一步排除[25-26]。

表2 抗ACCase抑制剂杂草的ACCase基因突变位点及交互抗性

2.3 其他方面的抗性机制

2.3.1 对ACCase抑制剂类除草剂具有天然耐性的同型质体ACCase 一些禾本科杂草的同型ACCase显示出与胞质ACCase相类似的敏感性[15]，其对ACCase抑制剂类除草剂具有天然的耐性。Catanzaro等发现，与敏感的狼尾草相比，4个蓝羊茅栽培品种分别对吡氟禾草灵显示70～88倍的抗性，对烯禾啶显示216～422倍的抗性[34]。Herbert等通过ACCase测定，发现红羊茅和早熟禾对喹禾灵、吡氟禾草灵和烯禾啶都存在较高的抗性[35]。

2.3.2 ACCase的过度表达 Bradley等运用放射性同位素的方法研究了对烯禾啶、精喹禾灵和精吡氟禾草灵存在较低抗性及敏感的假高粱对这些除草剂的吸收、运输及代谢，发现抗性种群和敏感种群无明显区别。在ACCase酶活性测定中发现，抗性种群和敏感种群有着相似的I50，不施用除草剂的情况下，抗性种群的ACCase比活力是敏感种群的2～3倍，添加除草剂的情况下，抗性种群ACCase比活力仍然明显高于敏感种群。这些结果表明，假高粱对精喹禾灵和烯禾啶的抗性是由于ACCase的过度表达[9]。但是这种抗性机制不常见，仅仅在假高粱中有过报道[15]。

2.3.3 膜的去极化恢复 APP及CHD类除草剂能使原生质膜去极化，膜去极化导致细胞内pH值下降，Ca2+浓度上升，使细胞衰老死亡，而抗性生物型能通过复极化来降低伤害[36]。Hotum等发现抗AOPP除草剂的一些瑞士黑麦草和野燕麦生物型在去掉除草剂后可以恢复膜电位[37]，Prado等认为质膜的复极化是瑞士黑麦草、多花黑麦草、鼠尾看麦娘、野燕麦等禾本科杂草对AOPP及CHD类除草剂抗性的一种机制[38]。虽然在一些研究中证实AOPP类除草剂对抗性及敏感性生物型的质膜电动势(Em)影响不同，却并没有明显的证据证明与质膜相关的除草剂作用位点或抗性机制的存在[39]，这有可能是某种抗性机制引发的一个次要结果，而其本身并不是一种抗性机制[15]。

2.3.4 除草剂作用的屏蔽 Dinelli等对意大利两种抗禾草灵黑麦草的研究排除了其抗药性与作用位点突变、吸收减少或解毒增强有关，而认为其抗药性是由于杂草对除草剂的屏蔽作用或与作用位点的隔离作用使除草剂不能到达作用位点，从而不能发挥除草作用[39]。

3 抗ACCase抑制剂类除草剂杂草抗性的治理

除草剂对于粮食安全具有重要的意义，也是机械化、规模化作物种植模式不可缺少的除草措施。但是新产品开发费用的不断增加、新作用方式除草剂的缺乏及抗药性杂草的发展，对化学防除这种最有效的除草方法威胁不断增加[15]。在当前形势下，我们必须采取有效措施阻止或延缓杂草抗药性发生，延长除草剂使用年限，为农业增产及可持续发展提供保障。抗药性杂草的治理是一个复杂的、持续的过程，单一的某一种措施并不能有效解决抗性问题，需要运用包括合理使用除草剂、农业防除、生物防除等各种管理措施， 综合治理杂草并加强抗性的监测、抗性机制的研究，尤其是目前还不甚清楚的基于除草剂代谢的抗性机制、努力开发新的作用靶标的除草剂，来阻止和延缓抗性杂草的发生、发展。

3.1 抗性监测

施用除草剂后应检查除草效果，区分不能防除的杂草是由于药剂喷洒不均匀还是抗性所致，并拔除这些杂草。加强抗药性杂草的监测预警，建立快速、准确的抗药性测定方法，评估抗性发生的风险。

3.2 除草剂轮换使用

正确使用除草剂，避免连续使用同一种或同一类作用机制的除草剂。不同的生长季节，使用不同作用机制的除草剂。除草剂的混用也是延缓抗性发生的一种有效方法，但是具有相同杀草谱的除草剂最好分开使用。不要连续使用除草剂，以便使敏感杂草生物型在杂草群落组成中占据优势，从而淘汰生态适应性较差的抗性生物型。

3.3 生物防除

1902年美国引进天敌昆虫防除恶性杂草马樱丹,开创了杂草生物防除的先例，澳大利亚利用绣菌防除麦田杂草灯心草、粉苞苣成为国际上首例利用病原微生物防除杂草的成功例证[40]。生物防除对环境和作物安全、控制效果持久、防除成本低廉，是控制或延缓杂草抗药性的有效措施[41]。

3.4 农业管理措施

合理的作物轮换制度可以改变田间杂草群落的组成，切断一些恶性杂草与作物的联系，从而可以使用不同类别的除草剂，降低抗性产生风险。土壤的浅耕不但可以翻松土壤，还能将先前萌发的杂草幼苗翻入地下，减少杂草的数量。薄膜覆盖不但可以保水保肥，同时也可以抑制杂草的萌发。人工拔除能有效降低抗性生物型的数量。经常清洗农业机械设施，可以避免抗性杂草的传播。

4 结语

绝大多数的抗性杂草发生在除草剂应用水平较高的发达国家。与发达国家相比，我国杂草抗药性研究起步较晚，研究技术和仪器设备相对落后，正式报道的抗药性杂草种类不多。除草剂混剂应用占有较大比例，一定程度上延缓了杂草抗药性发展。同时我们不得不意识到，相对滞后的杂草抗药性研究也一定程度上掩盖了我国杂草抗药性程度的真相。因此，我们必须关注我国杂草抗药性的发展，尤其应关注多位点突变引起的杂草抗药性研究。必须针对我国杂草抗药性现状，借鉴国外先进的抗药性研究及监控技术，建立抗药性杂草预测预报、快速检测、抗性杂草的综合治理体系，在杂草治理中充分发挥农艺措施、生态调控等措施的作用，科学合理地应用除草剂，延缓杂草抗药性的发生，延长除草剂的使用寿命，以保障杂草的有效治理和农业可持续发展。

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ResistanceofWeedtoACCase-InhibitingHerbicides

GUO Feng,ZHANG Chao-xian,HUANG Hong-juan,WEI Shou-hui,ZHANG Meng,FANG Feng

(Institute of Plant Protection,Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Weed and Rodent Biology and Management,Beijing 100193,China)

Hebicides targeting acetyl-CoA carboxylase(ACCase) are effective and selective graminicides. Their widespread and repeated application in worldwide resulted in occurrence and evolution of resistant weed species. There have been 37 weed biotypes resistant to ACCase herbicides in 30 countries by now. The herbicide resistant weeds threatted to weed management and crop production,and the consequences leading to biological damage and food safety caused extensive concern in the world. This review summarized the current status of ACCase-inhibiting herbicide resistant weeds and the major mechanisms of resistance involed in the ACCase mutations,metabolic detoxification and so on. In order to provide useful information and references for researches of ACCase-inhibiting herbicide resistance. Potential management strategy for preventing and delaying the herbicide resistance evolution of weeds was discussed in the end.

ACCase-inhibiting herbicides; weeds; herbicide resistance; mechanism of resistance; management strategy

S-1

A

1003-935X(2011)03-0001-06

郭 峰，张朝贤，黄红娟，等. 杂草对ACCase抑制剂的抗性[J]. 杂草科学，2011，29(3)：1-6.

2011-05-12

国家转基因生物新品种培育重大专项(编号：2009ZX08012-025B)。

郭 峰(1985—),男,山西大同人,硕士研究生,主要从事杂草抗药性研究。E-mail:guofeng5866@126.com。

张朝贤,博士,研究员,主要从事杂草科学研究。Tel：(010)62815937; E-mail:cxzhang@wssc.org.cn。