草甘膦和抗草甘膦作物的崛起与展望

何秀玲 编译

(上海市农药研究所，上海 200032)

1996年抗草甘膦(GR)作物问世后，种植者对草甘膦的迫切需求使其成为了几种主要作物的首选除草剂。杂草正在对最常用选择性除草剂进化抗性，使得杂草治理对于规模越来越大的农场和没有专业人士确定必要除草剂配方的小农场来说，所耗时间太长。在 GR作物中使用草甘膦是一项创新。种植者本可以使用草甘膦来增加杂草治理措施的多样性，但他们反其道而行之。草甘膦药效高，可以单用，在第一个15年许多种植者单用草甘膦获得了极大的成功。

在 GR作物中使用草甘膦简单、经济、有效且环境友好。种植者很快将 GR作物种植到任何可用的地方，使其成为农业历史上采用最快的技术。目前有6种主要的GR作物：大豆、玉米、棉花、油菜、苜蓿和甜菜。2015年1.8亿hm2转基因作物的一半以上为GR作物，世界草甘膦用量的一半以上，即约86亿kg的56%用于GR作物。

草甘膦和GR作物改变了北美和南美大部分农业市场的杂草治理措施，但这个革命性的影响结束了。在已经接受GR作物的地区，将依然完全接受，其与草甘膦的使用甚至会扩展至新的作物和区域。

1 抗草甘膦作物的崛起

转基因抗除草剂作物革命一直以来基于极少数基因(图1)。大多数作用归因于一个基因，即编码了抗草甘膦 5-烯醇丙酮酸-3-磷酸合成酶(EPSPS，EC2.5.1.19)的cp4epsps。GR作物为企业提供了一种知识保护技术和盈利新途径。GR作物的成功为种子行业带来了巨额投资。可惜的是，企业往往只是将资金从农药研发预算转用于转基因种子的开发。

在 GR作物被引入时，关键的草甘膦专利即将到期，仿制生产商销售的草甘膦价格较为低廉。一项在GR作物上使用草甘膦的专利给予了新的知识产权保护。然而，草甘膦的价格持续下跌，人们对价高的选择性除草剂使用减少了。在美国，各大企业大幅度降低了选择性除草剂的价格。6年后，2002年美国10%的大豆田使用的除草剂数量从11种减少为1种，即是草甘膦。

将新转基因作物商业化的过程非常缓慢且成本极高，但获得监管部门的批准和专利保护后，孟山都公司可以向种植者收取技术费，并要求他们签署一项史无前例的合同，放弃他们的一些权利，包括不能重新种植种子。该合同是一项冒险的营销创新，种植者强烈抱怨但仍签署了该合同。这个合同极大地减少了种植者自留种子，这对保持技术的价值至关重要。

最初的 GR作物专利现已过期，草甘膦和 GR作物的价值由于GR杂草的出现而正在下降。草甘膦正在变得低廉，GR性状在主要作物的种质中得到充分确立。现在保持这种性状有效性的成本相对较低。GR种子十分普遍且非专利草甘膦价格低廉，以至于一些玉米、大豆和棉花种植者可能会认为他们购买的种子都是GR，在每一次施药时像添加助剂一样添加草甘膦。

2 抗性杂草难题

草甘膦最初非常有效，许多种植者完全依赖它。关键问题在于这个仅依赖草甘膦、广泛应用的体系是否可持续。在引入 GR作物之前，草甘膦已被广泛使用，而且几乎没有疑似抗性案例，所以它明显不像其他一些除草剂种类那样容易出现抗性杂草。另外，GR作物的开发难度很大，所以有些人认为杂草不会自然产生抗性。然而，草甘膦大面积广泛使用以及随之而来的其他除草剂使用的减少产生了巨大的选择压力最终进化出现GR杂草。

回顾过去，种植者应将具新颖作用机制草甘膦与现有的选择性除草剂相结合，以实现杂草治理措施的多元化。三嗪类和脲类除草剂等光系统II(PSII)抑制剂、S-异丙甲草胺等脂质合成抑制剂和八氢番茄红素去饱和酶(PDS)抑制剂以及原卟啉原氧化酶(PPO)仍然非常有效，对重要GR杂草具有较长持效期。但种植者转而在GR作物中大量使用草甘膦。

滥用草甘膦打开了GR杂草的潘多拉魔盒。到目前为止，杂草已经进化出9种抗草甘膦作用机制，而且还有更多可能。遗憾的是，大多数 GR杂草对其他除草剂也具有抗性。目前，据报道已有 18种GR杂草对其他除草剂具有抗性。这些多抗性杂草威胁着当前的作物生产，使不少种植者的杂草治理几乎失控。GR杂草迫使种植者大量使用自从引进GR作物以来很少使用的部分有效的除草剂。因为 GR杂草的出现使种植 GR作物少用除草剂的优势丧失了，如美国大豆种植者现在使用除草剂比种植 GR作物前多28%或0.30 kg/hm2。

最难防除的 GR杂草包括长芒苋(Amaranthus palmeri S. Wats.)、糙果苋[A. tuberculatus (Moquin-Tandon) J. D. Sauer]、豚草(Ambrosia artemisiifolia L.)、三裂叶豚草(A. trifida L.)、小飞蓬[Conyza canadensis(L.)]、硬直黑麦草(Lolium rigidum Gaud.)和石茅(Sorghum halepense (L.) Pers)。它们的蔓延达到了临界点，最终迫使种植者改变了杂草治理措施。迄今为止，多数种植者对 GR杂草的第一反应是化学防除——再用草甘膦，使用较高剂量，然后使用草甘膦与其他除草剂混剂。这种方法有效性不长。需要新的除草剂技术来维持化学除草剂体系，特别是由于某些已进化的非靶标位点抗性机制可对未使用的新除草剂产生交互抗性。

化学合成除草剂对杂草治理具有革命性影响，但在过去30年中没有发现新的作用机制，除草剂技术需要更新换代。现今，一种新除草剂的商业化需耗时11年，耗资2.86亿美元。根据目前的估计，科学家必须筛选 20万种以上化学物质才能找到一种新产品，几乎可以肯定的是，这种新产品不具有新的作用机制。令人沮丧的是，致力于研发除草剂的化学公司的数量由1970年的约45家继续减少，如果公开宣布的超级并购成功，很快将会少于6家。

很难发现另一种和草甘膦一样优异的除草剂，百年难遇。草甘膦与选择性除草剂组合使用增加表明种植者的治理措施正在发生积极的变化，但重新使用这些除草剂老品种并不是一个很大的进步。

3 新一代抗草甘膦作物

“第一代”GR作物专利已到期，没有人知道当性状变得普遍时，会发生什么。“新一代”GR作物克服了第一代 GR作物的一些固有缺陷，并赋予了新的知识产权保护。新 GR大豆作物宣称具有产量优势，新 GR棉花作物具有更好的作物安全性和更广阔的应用范围，而新 GR油菜提高了作物安全性且无需编码降解草甘膦的酶的gox基因。

农作物单抗草甘膦的时代即将结束。正在开发草甘膦和其他除草剂性状相结合的“第三代”GR作物(表1)。主要对策是抗草甘膦、草铵膦和另一种除草剂类型的三重除草剂抗性作物。这些性状组合将赋予新除草剂组合防除具多重抗性机制的杂草——本质上是修复GR作物体系。据报道，有知名行业人士最近宣称，至2050年，三重除草剂抗性作物对策将会消除杂草抗药性。期望有具新颖作用机制的新型广谱除草剂早日公开。

遗憾的是，对三重除草剂抗性对策具有重要效用的已知除草剂选项渠道枯竭了，目前的选项已存在抗性杂草问题，它们不会总是符合具“有效”和“不同”作用方式的交叉杂草谱。种植者治理抗性杂草真正需要是新的杂草治理技术，要么是新的选择性除草剂，要么是具有相应抗性性状的新非选择性除草剂。

表1 重要商业和公开宣布的转基因多抗性作物

尽管经过了几十年的安全使用，但因为监管过程日益缓慢和昂贵，新转基因抗除草剂作物的渠道可能即将关闭。目前为GR作物增加抗性机制的渐进改善方法并不能为高风险的投资带来很高的回报。最近对主要公司进行的一项调查发现，将一种新的转基因作物性状商业化需要花费1.36亿美元，超过13年时间。这13年占用了大部分专利期，比某些专家认为的新除草剂的使用寿命长2倍。这些问题正迫使一些公司寻求更安全的投资。

下一个抗除草剂作物技术将能抗人工合成生长素类除草剂——2,4-滴和麦草畏。抗生长素类的大豆和棉花将使这些老品种除草剂和挥发性盐含量较低的新制剂得到新的应用，这些制剂的偏离靶标漂移减少了。漂移运动问题及其对非靶标生物的影响具有重要意义，当陶氏化学在某专利申请中宣称 2,4-滴和草甘膦具有增效作用时，严重影响了新 2,4-滴和草甘膦制剂的登记。新的盐和制剂成分要得到政府的批准，可能大大增加现有商业产品的成本，因此需要更好的药效来证明额外费用的合理性。

图1 当前商业化转基因除草剂性状引入的首个15年：作物、除草剂和抗性基因

抗生长素类作物之后将是抗4-羟苯基丙酮酸双加氧酶(HPPD)抑制类除草剂作物。具有一定持效性的HPPD抑制剂类除草剂可防除重要杂草，但在引入市场前，抗HPPD的长芒苋和糙果苋的蔓延将限制这项技术的价值。目前正在开发的2个性状将为某些HPPD除草剂提供新的用途。与生长素类除草剂一样，玉米通常对HPPD除草剂具有一定的天然耐受性，因此该技术在大豆和棉花田的用途最大。

孟山都和住友化学公司正在合作开发抗PPO抑制剂类除草剂的作物。住友化学公司拥有新一代的PPO化学产品，该产品具有更广的防除谱，应用灵活，将在下个十年初实现商业化，有待于监管部门的批准。这个概念并不新鲜，先正达十多年前也做过类似的努力，甚至获得了一个商品名称。

用转基因和非转基因方法获得的抗乙酰辅酶 A羧化酶(ACCase)和乙酰乳酸合成酶(ALS)抑制类除草剂作物也将上市。尽管杂草抗药性普遍，但这些作用机制仍然具有一定的效用。其他的抗性机制可能基于转基因细胞色素 P450和谷胱甘肽-S-转移酶的代谢降解，从而对多种除草剂产生了抗药性。但杂草已经进化出类似的非靶点抗性机制，可能会限制它们的效用。

4 草甘膦和草甘膦作物的前景

“抗草甘膦作物(Roundup Ready)革命”已经结束，但草甘膦和草甘膦性状的应用将继续作为广大农民的主要杂草治理体系，甚至扩展到一些新的作物和地区。没有GR作物的地区还可以借鉴美国的经验，保持杂草治理措施的多样化，以更好地维护GR作物体系的有效性。草甘膦及其性状与其他除草剂及其性状相结合应用可为种植者防除 GR杂草提供短期方法。

目前，多抗除草剂作物是一个可支持现有 GR作物体系渐进改善的强大经营模式。管理计划有助于维护这些技术的有效性，但种植者通常对推荐方案的采纳速度较慢，目前的商业实践使种植者和农业企业难以为了不确定的长期收益而推迟短期利润。如最近推出的抗麦草畏大豆表明，即使有众所周知的风险，生产企业也提供全面的培训，但许多种植者还是不会遵循强制性标签的说明。

尽管已被许多政府监管机构广泛认可，但草甘膦和GR作物仍然是有关潜在健康影响的日常新闻报道目标。2015年，国际癌症研究机构(IARC)发表了一篇专论，总结说草甘膦“可能对人类致癌”，健康问题重新引起了人们的注意。美国环保署及其他机构已经得出结论，草甘膦可能不是致癌物质，但在大众媒体和科学刊物上，它的安全问题仍在继续发酵。此外，人们常常对含有原牛脂胺乙氧基化物“Roundup表面活性剂”的草甘膦制剂的安全性提出担忧。已知这类表面活性剂对水生生物和眼睛有毒性，通常有强制性应用限制和要求，操作者必须穿着个人防护装备(PPE)。公众对草甘膦和GR作物安全性的高度关注还将持续，导致部分地区禁用草甘膦，欧洲大部分地区继续禁止种植 GR作物。预计这些限制不会减少全球GR作物中草甘膦的使用总量。

即使草甘膦性状被纳入了多抗除草剂作物，草甘膦仍将继续作为杂草治理的中坚力量。尽管存在缺陷，但草甘膦对大多数杂草依然有效，到2021年其销售额预计增长至100亿美元。GR杂草的蔓延为业界重新开展除草剂研发工作带来了更大的动力。发现新的除草剂类别和相应性状的回报可能非常高，但也会有风险，因为非靶标位点抗性交互抗性机制可能使一个新除草剂使用寿命缩短，对耗资巨大、长达10年的开发周期而言太短。另外，无论如何有效的除草剂都不会成为完全解决方案，杂草会进化抗药性。

在过去30年中，未能成功发现一种作用机制受到很大关注。一些大型农药公司的并购应有助于确保一些除草剂研发项目的继续进行，因为保留的大型公司应该能够更容易地根据销售比例为可行的工作提供研究经费。未能成功发现并不意味着化学除草剂行业的衰落。具有讽刺意味的是，由于缺乏新除草剂，种植者越来越多地使用老品种、几乎被人遗忘的除草剂来防除 HR杂草，导致所谓作物保护的复苏。

协同研发广谱除草剂和相应的 HR作物或具有很高的价值，有助于振兴除草剂性状的经营模式。但这种方法有极高的风险，因为将一种人工合成化学品和一种生物技术性状同时商业化所耗时间可能超过12年，成本超过5亿美元。以目前某些杂草的抗性进化速度来看，单个新除草剂是不够的，很快就会失去效用。如果这是真的，那么就可以解释为什么各公司将资源从转基因 HR作物转移至基因编辑和RNAi等监管较少的技术上。新除草剂与转基因作物搭配使用的杂草治理解决方案开发过程可能过于缓慢，且成本太高。

除草剂和种子业的传统方法无法长期支撑农药和转基因跑步机(transgenic treadmills，即是出现了抗药性极强的“超级杂草”，必须使用更具毒性的除草剂来消灭，如此反复。)。然而，尽管存在GR杂草，草甘膦的使用将继续增长，因其仍具杂草治理价值，通常远超其他除草剂。正如某业内人士所说，“所有杂草都需要很长的时间才能进化出抗药性，而除草剂完全失效也需要很长的时间。”这种思维方式会形成短期的经营策略和不良的产品管理措施，但也不是完全错误。基于所有可用杂草治理策略的应用现状，大多数种植者采用化学和非化学策略在多数情况下都有一定效果，期望有足够的时间等待研究人员研发创新。在此期间，在30多年的时间里，没有发现一种新的化学除草剂作用机制以及灾难性蔓延的抗性杂草迫使种植者花费大量时间和金钱来治理杂草，这是作物保护和种子行业最困难的时期，也是发展最佳时期。

阿根廷发布敌敌畏和敌百虫禁用令

阿根廷国家卫生和食品质量局(SENASA)近期禁止了含敌敌畏的杀虫剂和杀螨剂的进口、销售和使用。该禁令与国际农药残留标准保持一致，将于今年11月初生效。禁用范围还扩展到敌百虫，因这类产品通过植物体内的新陈代谢和土壤中的生物降解，可转化成敌敌畏。目前，含敌百虫的产品尚未在阿根廷国家植保登记(National Registration of Plant Therapy)处登记，并未在阿根廷农业中使用。敌敌畏主要用于谷物储存时的虫害防治。SENASA认为最大残留量高于从阿根廷进口产品的主要国家的要求，不利于阿根廷产品在市场上的竞争。此外，敌敌畏在作物上消散需要约120 d的时间才能达到规定的残留限制，而阿根廷谷物出口到其他国家只耗费35 d的时间。此前，健康部已禁止喷雾和自由销售家用敌敌畏制剂的使用。然而，此类产品仍允许用于公共健康领域，其对猎蝽的防治十分有效。