中国杂草生物学研究的新进展

强 胜

(南京农业大学杂草研究室，江苏南京 210095)

杂草是杂草科学研究的目标对象，其生物学、生态学规律的研究将为杂草防治提供理论依据。回顾总结中国在杂草生物学研究方面取得的主要最新进展，不仅对制定杂草防除策略具有重要意义，也为未来开展相关领域的深入研究提供参考资料。文章根据2011—2017年间中国杂草科学工作者发表的主要论文、省部级以上成果奖励等，重点在杂草群落发生分布及其演替规律、杂草稻生物学、寄生杂草生物学以及化学和生物除草剂作用机制方面的研究进展，进行回顾和总结。

1 杂草生物学和生态学研究进展

阐明杂草发生危害规律将为杂草的科学防治提供理论依据。南京农业大学强胜团队采用七级目测法调查并结合多元数据统计分析，持续数十年系统地对长江中下游地区农田杂草群落组成及动态进行调查研究，揭示了该地区夏熟(麦、油)作物田中以拉拉藤属为优势的猪殃殃旱作地杂草植被类型和以看麦娘属为优势的看麦娘稻茬田杂草植被类型，包括看麦娘+牛繁缕+日本看麦娘+雀舌草稻茬田杂草群落、猪殃殃+野燕麦+波斯婆婆纳+大巢菜丘陵地区旱地杂草群落、猪殃殃+波斯婆婆纳+黏毛卷耳+大巢菜沿海滩涂旱地杂草群落、猪殃殃+麦仁珠+播娘蒿+麦家公温带旱地杂草群落，分布于秦岭淮河以北的苏北、皖北和豫南等地区。在夏秋季的水稻田中，有稗+节节菜+鸭舌草+矮慈姑早稻田杂草群落，稗+节节菜+鸭舌草+牛毛毡中稻、单季晚稻田杂草群落，节节菜+牛毛毡+鸭舌草+矮慈姑双季晚稻田杂草群落[6-8]。在秋熟旱作物田中，有马唐+鳢肠+铁苋菜+狗尾草秋熟旱作物田杂草群落。这些杂草群落由于连作轮作制度，构成了时间和空间的组合，从而提出了杂草群落复合体的概念，即在同一块田种植不同的作物就发生不同的杂草群落(显杂草群落)，其发生根源是土壤中存在2～3个潜在的杂草群落的种子库(潜杂草群落)。因此，针对杂草群落结构特点研发了以一次性复配化学除草剂为主的稻麦连作田杂草防除技术体系，特别是适应省工节本栽培方式的杂草防除技术。制订了针对农田类型和区域草情特点的杂草防除的灵活技术规程，特别是针对水直播稻的“一封、二杀”和针对旱直播稻的“一封、二杀、三补”配套技术体系，确保了省工节本情形下的高产稳产[6]。

进一步明确了化学除草技术广泛推广应用、省工节本的轻型耕作栽培模式普遍实施、单季稻取代双季稻、外来杂草入侵以及抗性杂草形成等，会导致农田杂草群落结构发生明显演替。夏熟杂草群落成分中的菵草、稻槎菜演变为主要杂草甚至优势种。外来杂草野老鹳草危害加重，而雀舌草、绵毛酸模叶蓼等主要杂草优势度降低。轻型栽培方式下的少水管理，稻田中千金子和水苋菜在杂草群落中的地位提升后演化为优势杂草或建群种，飘拂草增多，优势杂草牛毛毡和水莎草等减少[9]。种子库密度由低到高的顺序为传统手工插秧<机插秧<抛秧<水直播<旱直播<麦套稻，其中麦套稻和旱直播模式中有旱地杂草马唐、碎米莎草等的危害，其杂草种子库显著高于其他模式，而其他轻型栽培模式的种子库密度不足旱直播模式的1/3[10]。长江中下游地区典型稻作区随灌溉水流传播的杂草种子有14科21种，杂草种子随灌溉水流输入稻田[11]，这是长江中下游地区农田杂草传播扩散的重要途径。上述这些杂草生物学和生态学理论成为强胜等的江苏省科技进步二等奖(2011)的支撑内容。Li等连续9年调查稻鸭共作农田的杂草种子库及杂草发生动态结果表明，土壤种子库的杂草种子密度持续下降，杂草发生量也随之减轻，达90%以上[12]。此外，国内关于夏熟作物田主要杂草种子萌发的生物学研究也有进展，发现雀麦的种子可以在5～30 ℃、0～5 cm 深土壤层萌发[4]。棒头草的种子萌发温度为10～20 ℃，pH值及光照度几乎没有影响，0～4 cm深土壤层中种子可以萌发[5]。

2 杂草稻生物学

杂草稻(OryzasativaL. f.spontaneou)是一种在水稻田不断自生并危害水稻生产的具有杂草特性的稻属(Oryza)植株，全国杂草稻发生面积在 333.33万hm2以上，已经成为危害广泛的恶性杂草[13]。杂草稻与栽培水稻的形态、生理生化代谢、生长发育以及对除草剂的敏感性等十分相似，迄今还没有安全有效的化学防除技术，因此研究其起源及演化规律是探寻防除方法的突破口。最近浙江大学樊龙江团队对中国155个杂草稻种群和76个伴生栽培稻进行测序并分析发现，我国杂草稻均起源于栽培稻，而杂草稻去驯化并非是简单地将栽培基因型恢复为野生型，而是利用新的变异和分子机制适应环境[14]。在此之前，一系列的研究工作也从不同侧面为这一去驯化理论提供思路和佐证。利用SSR和InDel分子指纹检测技术研究了中国杂草稻基因多样性和基因结构，发现栽培稻的基因渗入对杂草稻种群的遗传分化、杂草稻适应性进化起着重要作用[15-19]。通过比较不同水稻栽培方式下杂草稻单核苷酸多态性(SNPs)的频率发现，人类活动对杂草稻适应性突变和突变的积累起到了至关重要的作用[20]。利用中性标记对东北杂草稻和水稻品种之间的进化关系进行了分析，发现当地品种的基因渗入，再加上选择性的保留杂草特性，从而进化形成了东北杂草稻[21]。利用经典遗传学杂交方法和分子标记方法检测全国358个杂草稻株系，发现了16份杂草稻含有不育细胞质基因，这不仅提供了一个直接的证据，证明栽培稻与杂草稻存在基因交流，而且考虑到含有雄性不育基因的花粉是不可能正向漂移到杂草稻上的，仅可能是杂草稻的花粉反向漂移到杂交稻所产生的后代[22]。对中国南部地区杂草稻全基因组测序发现，杂草稻起源于籼粳杂交[23]。稍早，美国科学家发表在Nature Genetics上的论文对美国杂草稻测序并分析发现，南亚的栽培稻祖先的去驯化(de-domestication)过程是美国杂草稻形成的主要原因[24]。

南京农业大学强胜团队在同质园中设计不同密度比例杂草稻与水稻单、混种，比较研究了杂草稻的竞争能力，结果表明杂草稻均表现出明显的竞争优势，能显著影响栽培稻的生长和产量[25]。进一步比较研究了杂草稻和栽培稻幼苗生长特性，发现杂草稻出苗早而快，生长速度快，苗期表现出强竞争优势，这主要归因于苗期较强的光合作用能力[26]。此外，还有通过研究杂草稻与栽培粳稻(O.sativajaponica)杂交，发现杂草稻与粳稻杂交后代表现出较高的杂种优势[27]。杂草稻的发生与危害主要取决于0～10 cm土壤层中的杂草稻种子库，利用土壤种子库或上季的种子发生量确立一个半经验数学模型可以预测杂草稻的发生与危害，为防除或避免杂草稻危害提供科学依据[28]。复旦大学卢宝荣团队研究了中国东部和北部杂草稻和栽培稻的种子发芽习性，阐述了杂草稻能改变其种子发芽以避免在不适宜的环境中生长的机制[29]。研究了不同生态型杂草稻的休眠基因，发现大部分种子休眠的QTL位点位置相同，表明不同生态型杂草稻在分化过程中大部分的休眠基因是保守的[30]。Zuo等系统评估了抗草铵膦转基因水稻向杂草稻和栽培稻的基因漂移，发现转基因水稻与受体水稻或杂草稻的花期重叠时间越长，后者的植株高度越低，其发生基因漂移的频率就越大[31-32]。系统评价具有除草剂抗性基因的杂交F1、F2、F3后代的生存适合度表明了基因漂移风险的规律[33]。

总的来说，目前国内对于杂草稻的研究处于国际先进水平。但是，我国杂草稻类型多样，来源复杂。此外，我国是水稻起源国，而杂草稻起源自栽培稻的去驯化，因此，深入开展对杂草稻类型、起源与演化的研究，将为其防除和水稻育种提供理论依据。

3 外来杂草入侵生物学

随着国际交往日益频繁，外来植物入侵已经成为杂草恶化的主要因素之一，外来入侵植物也称之为外来杂草，开展外来杂草入侵生物学研究是应对日益严重的外来杂草问题的理论基础。关于外来杂草的入侵机制大致可以分为预适应和入侵后快速适应性演化2个方面。快速适应性演化的研究中具有代表性的是中国科学院西双版纳植物园冯玉龙团队针对紫茎泽兰(EupatoriumadenophoraSpreng.)的相关研究，前期他们阐明了入侵紫茎泽兰种群由于氮(N)主要分配到叶片从而满足了光合作用构建的需要，增强了光合效率而在瘠薄的云南山区成功入侵，进一步深入研究发现紫茎泽兰入侵种群演化出更高的光饱和光合效率(higher light-saturated photosynthetic rates)和光能利用率(photosynthetic energy-use efficiency，PEUE)，使入侵种群生长更快[34]。但是，CO2浓度升高反而减弱了这种效应，使得与原产地种群甚至入侵地的原生种泽兰(E.japonicum)的生长速率相似[35]。Li等在其他外来杂草的研究有类似的发现，对7个不同纬度的豚草(Ambrosiaartemisiifolia)种群同质园试验表明，入侵中国的豚草种群已经在花期和生活史上发生了纬度适应性的分化[36]。但是，也有研究认为，适应性的变异是可塑性的表现，并没有发生适应性演化。加拿大一枝黄花(SolidagocanadensisL.)的盐胁迫和遮阴的耐受性是可塑性的表现，而不是发生了快速的适应性演化[37-38]。互花米草(SpartinaalternifloraLois.)的同质园试验表明，纬度依赖的植株高度、植株密度等营养和结实等生殖特征变异大多消失，这是形态可塑性[39]。

外来杂草的可塑性可能是获得入侵性的重要因素之一。复旦大学杨继团队针对空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)适应水生和陆生生境表现出的可塑性，开展转录组学研究揭示空心莲子草植株的差异表达基因达到7 805个，其中涉及到激素介导的信号通路，渗透调节，细胞壁重建和细胞程序性死亡等。环境敏感位点的转录调节与环境依赖控制的调控位点影响空心莲子草对环境的响应。进一步与刺花莲子草(Alternantherapungens)比较发现，适应陆生的刺花莲子草在水生条件下可塑性较差，这表明基因表达介导的可塑性不是由于激素水平不同引起的而是由于目标组织信号传导及受体类型和相对丰度差异导致的[40]。此外，利用RNA-Seq分析比较雄蕊正常发育或不育植株的B-class MADS-box 基因(ApAP3、ApTM6和ApPI)显示，在正常发育的雄蕊中这些基因的表达量下降[41]。而可塑性可能受表观遗传机制影响或调控，用甲基化敏感扩增多态(methylation-sensitive amplified polymorphisms，MSAP)检测方法分别检测生长在水生和旱生条件下的空心莲子草种群的胞嘧啶甲基化，结果发现，从水生到旱生，甲基化减少，反之则增加，根中的变化比叶更明显[42]。此外，还发现microRNAs介导空心莲子草受水环境影响的节间伸长的可塑性规律[43]。

基因甲基化的表观遗传是外来杂草快速适应性演化的一个机制。南京农业大学强胜团队发现，紫茎泽兰不断向北扩散蔓延是因为发生了种群的耐寒性分化，种群耐寒性与采样点的纬度呈显著正相关性，与极端最低温度和最冷月平均温度显著负相关。耐寒性较强的种群主要集中在采样点的北部，而冷敏感种群和中度耐寒种群主要集中在南部和中部[44]。通过CBF转录途径关键基因的克隆、基因表达量分析及转基因功能验证发现，CBF转录途径在调节紫茎泽兰的耐寒性过程中发挥关键作用。与冷敏感种群相比，耐寒性种群ICE1、CBF1、CBF3和COR基因显著上调，而负调节的CBF2基因显著下调。冷敏感种群超表达CBF1基因可以将紫茎泽兰的耐冷性提高到与耐冷性植株相近。用亚硫酸氢盐处理紫茎泽兰基因组DNA，比较39个种群入侵地与原产地种群CBF转录途径中的各关键原件的甲基化水平，发现虽然主要基因均有不同程度的甲基化，但仅有ICE1基因甲基化水平在不同种群间存在显著差异。且南部种群甲基化水平普遍较高，而越往北甲基化水平越低，甲基化程度与种群耐冷性、入侵时间呈显著正相关。编码区ICE1基因胞嘧啶甲基化数分别具有50、61～63、66～69个等表观遗传单体型，分别对应着耐冷性种群、中度耐冷性种群和冷敏感种群。因此，ICE1基因的去甲基化显著提高了ICE1及其CBF转录途径各基因的转录水平，导致植物种群耐冷性的增强，成功向北扩散入侵。该研究不仅是首个将单个具体基因的表观遗传变异与外来植物入侵后的迅速适应性演化联系起来的研究案例。而且还首次阐明了植物对低温响应的表型多态性是受CBF冷响应转录途径的ICE1基因甲基化水平的表观遗传变异所调节。因此，也给人以启示，单个关键基因的甲基化变异，可能调节整个逆境响应转录通路，决定植物对不同环境因子响应的表型多态性[45]。

4 寄生杂草生物学

寄生杂草对作物的危害是世界范围的问题，一旦发生，几乎难以得到有效控制。为了寻求有效的防治方法，菟丝子(Cuscutachinensis)和列当(Orobanchecoerulescens)寄生生物学机制成为研究的热点。中国科学院昆明植物所吴建强团队关于菟丝子在寄主间传递环境胁迫信号的研究发表在国际顶级期刊PNAS上。菟丝子可以在寄主间传递代谢物、蛋白及mRNA等物质，最近通过大规模转录组分析研究发现，通过菟丝子传递昆虫侵袭的环境胁迫信号，其介质就是茉莉酸，这种传递可以在不同物种甚至不同科物种间进行[46]。中国的大花菟丝子种群叶绿体全基因组比较分析表明编码的功能基因与欧洲的种群完全相同，且基因排列顺序也完全一致。不过，在它们之间存在251 个插入和210个缺失现象，很多插入缺失都是单碱基，但仍然存在4个长度超过 200 bp 的大突变，2个大的缺失发生在ycf2基因中，2个大的插入分别发生在trnF-psbE和matKtrnQ间隔区[47]。列当的寄生过程是在其种子萌发过程中通过感受、识别寄主的化学信号而实现的，西北农林大学的马永青团队系统研究非寄主如玉米(Zeamays)、小麦(Triticumaestivum)、大豆(Glycinemax)、棉花(Gossypiumhirsutum)、水稻(Oryzasativa)以及柳枝稷(Panicumvirgatum)等的根系分泌物质，发现可以诱导向日葵列当萌发，但不能够寄生这些非寄主植物[48-52]。此外，浙江大学周伟军团队用茉莉酸处理向日葵种子，可以诱导寄主植物向日葵的整株的系统抗性，其主要作用机制是引起活性氧水平提高以及酚类和木质素含量增加，激活了过敏反应基因hsr的上调[53]。

5 化学及生物除草剂作用机制

迄今，在全球30余大类约500个有机化学除草剂中已发现的作用靶标有24个，然而，许多除草剂是如何杀死植物的作用机制仍不十分清楚。同已知的商业除草剂相比，文献证据表明自然界中数量庞大、化学结构多样、生物活性丰富的天然产物拥有更多的独特的分子作用靶标，而且绝大多数的天然产物的作用靶点和机制仍然是未知的。随着现代生命科学的飞速发展，一些新的除草关键性作用靶点陆续被发现，其杀草机制逐渐被揭示。除草作用机制的阐明一方面有助于对杂草基础生理生化过程和分子机制的理解，另一方面为将来针对新靶点开发新除草剂提供理论依据。因此，除草活性物质、作用靶标以及除草相关基因的克隆、功能研究将是杂草科学甚至生物和化学领域研究的热点[54]。

南京农业大学强胜团队在国家“863”计划重点项目的支持下，在前期明确紫茎泽兰链格孢菌的致病毒素——细交链格孢菌酮酸(tenuazonic acid，TeA)为杀草谱广、活性高、作用速度快的新型光系统抑制剂，与靶标杂草D1蛋白的256位氨基酸结合后，会阻断光合电子传递链活性，引起过能量化，并导致叶绿体活性氧迅速爆发，引起叶绿体结构破坏，大量活性氧扩散到整个细胞中，进一步引起膜脂过氧化、细胞膜破裂、细胞器解体、细胞核浓缩和DNA断裂，导致细胞死亡和组织坏死，最终杀死杂草[55]。TeA的活性中心是吡咯环，活性受环上5位烷基侧链长度和疏水性的影响，据此修饰其结构，在获得中国发明专利4件的基础上，自2012年以来，获得美国发明专利2件，日本发明专利1件[55-57]。进一步深入开展了TeA的作用机制以及作物耐性机制等研究，最新的研究表明，叶绿体蛋白Executer介导的单线态氧信号参与了TeA致病的过程[58]。棉花、烟草等作物对TeA具有天然的耐药性，其可能的机制是TeA处理不能引起活性氧的大爆发，从而降低了对叶绿体等光合系统的伤害[59]。最新的相关研究成果已在Plant Cell Environment、Environmental and Experimental Botany等国际著名植物学期刊上发表[55]。

植物叶绿体是大多数除草剂的作用靶点所在，因此，抑制光合作用也是最常见的除草活性物质的作用机制。向梅梅等发现，空心莲子草生防菌假隔链格孢(Nimbyaalternantherae)毒素2-乙酰基-3，4-二羟基-5-甲氧苯基-乙酸(vulculic acid)为多靶点光合作用抑制剂，能够抑制光系统Ⅱ电子传递活性和叶绿体ATPase活性，主要作用靶点是光系统Ⅱ供体侧的捕光天线复合物和放氧复合体，但精确作用靶点须进一步研究[60]。湖南省农业科学院从椰子中分离出除草活性化合物羊脂酸，研究发现羊脂酸除草机制可能与光合作用有关，能够导致小飞蓬类囊体结构紊乱、叶绿体变形甚至破裂。他们用蛋白质组技术发现了羊脂酸处理与对照相比有112个差异蛋白，其中高表达46个、低表达66个，并用qRT-PCR验证了差异蛋白中光合作用蛋白相关的A0A103XJN2、A0A103XLU4等6个基因的表达量[61]。沈阳农业大学纪明山团队发现，鸭跖草茎点霉毒素具有光合作用抑制剂的特性，能够降低叶绿素含量、抑制希尔反应活力、破坏细胞膜完整性、导致呼吸作用异常，从而抑制幼苗的生长[62]。此外，南京农业大学杂草研究室在研究马唐致病型弯孢霉(Curvulariaeragrostidis)QZ-2000菌株时发现，在侵入马唐组织过程中该菌会产生α，β-dehydrocurvularin毒素，该毒素对马唐的希尔反应、非环式光合磷酸化和叶绿体ATPase活性均有较强的抑制作用。分子机制研究表明，该毒素能够抑制叶绿体和线粒体功能相关基因的表达，引起叶绿体和线粒体的结构紊乱和功能障碍以及蛋白质合成受阻，最终导致植物生长减缓或死亡[63]。华南农业大学Wu等发现，植物碱黄连素(berberine)能够降低鬼针草(Bidenspilosa)叶绿素含量、抑制根茎的生长，其可能通过改变植物细胞膜上脂肪酸的不饱和度，进而引起抗氧化酶活性的变化和细胞结构的畸变，最终导致细胞死亡[64]。

此外，南开大学Li等发现，磺酰脲类新除草剂单嘧磺隆和单嘧磺酯与传统的甲嘧磺隆尽管有着共同靶点——乙酰羟酸合成酶(acetohydroxyacid synthase，AHAS)，但它们与靶标酶互作的机制更为复杂。在单嘧磺隆和单嘧磺酯与AHAS互作过程中，AHAS的Trp574、Gly121、Val196等氨基酸残基起重要作用，其中Trp574通过与嘧啶环形成π键发挥关键作用[65]。华中农业大学Wei等以2，4-D 为模版合成了一系列N-硝基乙酰胺新化合物，通过酶活性和分子互作对接分析发现这类新化合物的最初作用靶点可能是AHAS[66]。

对比国际杂草生物学研究的水平，我国杂草生物学研究在杂草稻生物学、寄生杂草生物学机制、外来杂草快速适应性演化机制等领域的研究处于国际先进水平，但总体还处于赶超阶段，因此，建议在国家重点研发计划、国家自然科学基金及相关科技领域设立杂草科学重点研究项目，重点支持开展草害监测预警系统、基于基因及表观遗传组学的农田恶性杂草演化机制、农田杂草演替与成灾机制、生物和生态防治新技术理论基础、杂草抗药性检测技术及抗性机制等方面研究。同时，加强杂草科学国际间合作研究，尤其是同“一带一路”沿线国家的合作，为构建我国杂草可持续治理的新技术体系提供理论依据，提升我国杂草科学研究水平和为农业实际生产服务的技术支撑能力。