2050年杂草管理：对未来杂草科学的展望

张翼翾 编译

(上海市农药研究所，上海 200032)

2050年被政府、行业和媒体视为1个重大时间点。预期在那时世界人口将达到90亿峰值，全球需要竭尽全力提供充足的能量、淡水和食物(图1A)。目前作物生产水平不足以养活预期数量的人口，要满足此需求是对人类的重大挑战。而气候的变化、水资源的流失和可耕地面积的减少将加重此负担。杂草管理对农业生产、景观管理和环境非常重要，对是否能满足未来粮食生产需求具有重要的作用。

本文是根据 2016年在波多黎各首都圣胡安举行的WSSA会议撰写而成。此专题讨论会的目的为讨论杂草防治长远的未来以及构建杂草持续管理系统所需的知识。会议要求发言人从当前和正在出现的技术来料想如果在 2050年农业能够生产出满足世界人口所需的粮食，那么杂草管理必须是怎样一种情况？杂草是一个持续存在的问题，而抗除草剂生物型杂草数量的不断增加进一步说明杂草防治技术必须持续发展，赶超在杂草进化和适应前面。幸运的是，技术发展和生命科学新突破速度迅速，有潜力开发新的更好的杂草管理方法。

从现在到2050年的32年是较长的一段时间，期间许多事情可能发生，一些可预料到，许多却想不到。这既是机遇也是挑战。乐观的观点为作物遗传学的创新将足以满足世界约 90亿人口对粮食的需求，杂草防治将永远不会成为挑战性问题。杂草将继续进化和存在，我们应该以此为挑战来开发持续的杂草管理方案。

最近的观点为着眼杂草管理的未来，很好地总结当前杂草科学的优势、差距和需求。也有文章提倡改进研究问题的框架来揭示杂草生态和进化的基本原则，增加使用综合杂草管理方法，更好地把基础知识和应用杂草科学结合在一起，和/或抓住新的研究机遇。笔者赞同这些分析和建议，但在此提供不同视角：在较长远的未来如何进行杂草防治。

本文将集中说明在以后几十年中可能持续变化的杂草管理技术。虽然笔者没有直接介绍杂草生物学，但预期促进新的杂草管理方法的开发的科学和信息加工技术的进步也会促进了解植物生长和发育、对胁迫的反应和与环境的相互作用的知识。确实，杂草生物学和生态学对杂草持续管理不可或缺，因为杂草种群对新选择压力不断适应和进化。

1 在2050年使用的除草剂

1.1 传统化学除草剂

从20世纪50年代早期到20世纪80年代早期，每2.5-3年就有1个新除草剂作用机制被发现，其产品被上市。然而，自20世纪80年代以后，就再没有引入新的除草剂作用机制。虽然1个大公司已宣布他们正在开发1个新作用机制的广谱除草剂，但自20世纪70年代中期起，对除草剂产生抗性的杂草数量呈线型增加，对新作用机制除草剂有很大需求。即使老作用机制的新除草剂也受欢迎(假设已进化抗性的杂草对其没有交互抗性)，但引入的数量仍在下降。自20世纪80年代以来新作用机制的缺乏出人意料，应该要发现少许新作用机制。抗性除草剂的增加，再加上新作用机制除草剂的缺乏，几乎所有现在的除草剂在2050年前不能用。

新作用机制的缺乏和除草剂发现速度的缓慢可能是由于农药工业大公司的合并、抗草甘膦作物引入后非草甘膦除草剂市场的持续下降、对新产品更严格的管理要求(新产品的上市成本更高)和发现方法的收益不断下降等因素所致。利用组合化学以较低成本生产大量的化合物进行高通量评估还没有打破瓶颈技术。总之，具有老作用机制的新除草剂和抗老的除草剂(例如2,4-滴和麦草畏)的转基因作物只是对一些现有杂草问题的短期解决方案，因为这些除草剂已存在抗性问题。

图1 文章中讨论的趋势

利用负交互抗性，杂草对已产生抗性的除草剂类别的除草剂敏感增加，有潜力延长一些老除草剂品种的使用寿命。负交互抗性的一个例子为黑藻(Hydrilla verticillata)的八氢番茄红素去饱和酶(PDS)基因(Arg-304 变为Thr)突变后，黑藻对氟草敏的抗性为58倍，但对吡氟草酰胺的敏感性增加5倍。另一例子为与光合系统II抑制剂等其他作用机制除草剂的负交互抗性。因此有负交互抗性的除草剂可以与有抗性的除草剂混用或代替之。此策略还没有被应用，但在未来有助于延长老除草剂使用寿命。

1.2 新除草剂靶标和生物农药

化学防治的未来依赖于新作用机制除草剂的发现，但这就存在一个问题，即是否存在新颖的好的除草剂靶标位点。首先，并不是代谢途径中的每一个酶都是好的除草剂靶标。例如，即使分别为莽草酸和支链氨基酸途径的5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合酶和乙酰乳酸合酶是优异的除草剂靶标，这些途径的其他酶的好的抑制剂除草活性太弱难以商业化。如果一个途径的特有酶只有大部分被抑制才能使植物死亡的话，或者如果其为高丰度蛋白，或如果其产生途径多于一个，此酶可能就不是好的除草剂靶标。因此，只有小部分潜在除草剂靶标切实可行。

目前应用的除草剂作用于 25个或更多的靶标位点，对天然植物毒素的研究表明还有数个其他新颖的潜在的除草剂靶标位点存在。但是，其中大多数情况为天然除草剂太贵，毒性太高，或缺少适宜的物化特性(例如吸收和迁移)而不是好的除草剂。但这些化合物是发现新靶标位点的途径，这些靶标点可用于活体筛选成本低和/或有更好理化性质的活性化合物。

一个有发展前景的方向为发现和开发基于微生物副产物或植物提取物等天然产品的新颖除草剂。只对全球小部分微生物和植物进行了除草活性的筛选。具有新颖作用机制的除草活性化合物已被发现，一些化合物已是非常成功的商业化除草剂[例如基于膦丝菌素的草铵膦，日本研究人员从绿色产色链霉菌(Streptomyces viridochromogenes)和吸水链霉菌(Streptomyces hygroscopicus)发现的双丙氨膦的分解产物]。Marrone Bio Innovations已对约15 000个微生物(细菌、真菌和放射菌)的水提取物和350个植物的提取物进行了筛选，发现数个具有新颖作用机制的新颖除草活性化合物。此公司正在开发一些微生物菌株和一个植物提取物，它们有希望成为经济有效的商业除草剂，但从成功率来讲，开发经济有效和广谱生物除草剂比开发生物杀菌剂、生物杀虫剂和生物杀线虫剂更有技术挑战性。在20世纪80年代和 90年代许多公司进行了天然产品筛选开发研究，但抗草甘膦作物的出现导致这些研究的停止。今天的分子技术和其他工具能够通过基因组学和代谢组学进行定向的有目的筛选。

1.3 RNA干扰除草剂和基因工程

1个潜在的新技术为使用RNA通过RNA干扰(RNAi)过程来沉默主要杂草基因，增加杂草对除草剂的敏感性或导致杂草死亡。RNA喷雾应用后有很大潜力管理杂草，因为RNA序列可被设计为选择性作用于特定杂草品种或一组相关杂草品种。大概，目前除草剂靶标可能被抑制，但是与传统除草剂不会有交互抗性，因为 RNAi有不同的机制作用。潜在的新靶标也可能被确定。

阻碍RNAi除草剂商业化的因素：把RNA制剂化为喷雾产品被靶标植物有效吸收的技术问题；另一挑战为大规模经济生产RNA的方法的开发，虽然成本正在大幅下降。此外，还不清楚杂草将会以什么速度对RNAi除草剂发展抗性。从监管的方面看，还不清楚登记此技术除草剂需要多长时间，消费者群体的反对声音也不能确定。不幸的是，还没有有关应用喷雾 RNAi进行杂草管理的同行专家审查的研究文章，笔者只有一个大公司的会议报告表明正在投入大量工作开发此技术。

另一个开发除草剂的新颖方法为基因工程。例如多年前亚硝酸盐已被推荐为除草剂，但其对作物的毒性大。通过基因工程，使亚硝酸盐在作物体内代谢为硝酸盐，这既给作物施用了磷酸盐肥，也杀灭了杂草，而且也解决了药害问题。此外亚磷酸盐既对一些植物病原菌有毒，又诱导植物对病原菌产生防御作用。杂草抗性增加使可用除草剂数量持续减少会使这些创新方法更有吸引力。

压制害物种群的革命性方法为使用“基因驱动”(gene-drive)技术。虽然不同产品作用机制不同，但此概念涉及的遗传元素以高于孟德尔遗传规律预测的50%概率传递给后代。人们了解此现象已多年，CRISPR/Cas9[成簇规律间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)]基因编辑系统的出现提供了产生基因驱动的简单、有力的工具。CRISPR/Cas9能在个体的2个等位基因中有效插入定点突变，使杂合基因转化为纯合基因，把特定基因传递给几乎所有后代。此技术具有很大的前景，因为含有一个基因驱动的生物的释放可能(只在几代内)导致已知基因被人类设计的基因取代。也许最简单和最有说服力的例子是释放具有基因驱动特性的基因的蚊子，此种蚊子不能够传播疟原虫(Plasmodium parasite)，以此来阻断疟疾病的传播。相似地理念可被用于压制杂草种群，例如，使抗除草剂长芒苋(Palmer amaranth)对草甘膦敏感或甚至直接降低入侵品种的竞争优势。

基因驱动技术带来了与伦理和不期望结果相关的许多问题，但其有潜力作为管理生态系统的新工具。此技术还处在发展初级阶段，对风险降低策略的研究和开发可能会导致公众的接受。在任何情况下，它都是未来几十年基本改变杂草管理的突破典范。

2 精准农业和机器人技术

2.1 精准需求

在2050年前，特色作物田中杂草管理将会发生显著变化。除了除草剂发现难和抗性发展趋势，蔬菜、花卉和草药等高价值特色作物田中的杂草管理面临着一些特定问题，如由于利润少，除草剂登记者不愿意进行除草剂特色作物用途登记申请，特色作物用除草剂短缺，以及农场劳动力短缺和其他导致人工除草费用增加的因素。除草剂开发成本不可能下降，农药生产者更不愿意接受除草剂对特色作物造成伤害的潜在责任，或农场劳动费用也不会下降，这些趋势可能一直持续到未来。市场上传统除草剂减少的另一因素为对有机食品需求的不断增加。目前的条件最有利于发展机器人技术、机器视觉、作物/杂草监测(即杂草防治自动化)和太阳能(效率、负载重量、电池寿命)，这些可能会成为以后32年中杂草管理的技术革命前沿。

一个例子为劳动力和除草剂的短缺导致自动化生菜疏苗器(automated lettuce thinner)和智能中耕除草机的开发。在亚利桑那州和加利福尼亚州大多数生菜直播于1 m或2 m宽的高位栽培床，每床种植多行，行间距为4～7 cm。一般，劳动者用锄头既除草又疏苗，使生菜植物间的距离为22～30 cm，费用约为 444美元/hm2。然而，疏苗需要及时进行，当劳动力少或没有时，就需要替代方法。因此，小的工程公司已涉足来填补劳动力短缺所带来空白。自动化生菜疏苗器和智能化中耕机以摄影机为机器视觉进行定点监测，还含有耕耘刀或电磁阀管控的喷雾嘴。机器视觉摄影机把信息传入处理器，处理器通过计算程序测出作物行(模式识别)和一行中作物间距。Mosqueda等人(2017)评估了5个商业化田间的生菜疏苗器的效果。它们发现自动和人工疏苗都能保持生菜植物间距为 26 cm，但自动化疏苗的标准偏差为3.8 cm，而人工疏苗为4.5 cm。人工疏苗和除草效率为29.3 h/hm2，相比机器疏苗加人工除草所用时间减少36%。

2.2 人、机器和作物共生

要开发商业化综合杂草防治策略，机电一体化(电和机械工程结合)、机器学习和自动化机器等技术方案将具有重要作用。技术性杂草防除不再陌生，20世界 60年代加利福尼亚大学戴维斯分校对智能机器商业化用于农场作物栽培，以及英国对机器自动化对甜菜疏苗进行了早期开发研究。在过去的60年，工程师们一直致力于研究基于这些早期视觉的新的和改良的技术。例如，在20世纪90年代，加利福尼亚大学戴维斯分校的研究成功地设计、开发出了智能、精准的脉冲喷射喷雾技术(pulsed-jet spray technology)，此技术为移动平台上的机器人系统能够在田间杂草的单个叶(1 cm)片上施用微量除草剂。

研究表明先进的智能机技术能够在成行作物田中杂草密度低时自动防除杂草，然而，商业化用于所有作物、杂草品种和生长条件仍有待研究。目前阻碍完全自动化杂草防除机器应用的最重要技术瓶颈为缺乏在田间条件下能够以95%的比率检测和区分很相似的作物和杂草的传感器。已开发了先进的鉴定品种的软件演算法，用于确定只有单个叶片图像的植物品种。然而，Hearn表明即使应用先进的叶形状识别算法，用自动机器视觉方法也只能识别151种品种的72%。以叶或植物形状为特征进行识别的传统机器视觉感受存在问题，因为杂草和作物叶片的混杂会遮挡视觉。在早期生长阶段杂草密度低，从植物的大小和种植方式易于区别作物和杂草，故取得了一些商业化成功；在杂草发生中等或较重时，而植物大小不是检测杂草的可靠方式时，需要新的方法来鉴定杂草。近期，2个最有发展前景的自动杂草防除系统的感应技术为高光谱成像和用于种植的作物绘图感受器(crop-mapping sensor)的系统方法。

在杂草密度高的情况下监测杂草的高光谱成像法比基于形状的监测法更有效，因为此方法能测定整个植物或叶形状图像的每个点的发射谱。通过对每个点的谱特征识别来确定植物种类。此方法除了对部分被遮挡的叶也有效外，Zheng和Slaughter发现此技术能够很好地区分相似度高的植物种类[例如番茄和龙葵(Solanum nigrum)]，具有辨别相似叶形状品种的能力。Hyperweeding方法由基因型决定，但环境相互作用对每个品种光谱反射率的影响也会对其造成影响。为了能够商业应用，设备生产者需要开发先进的机器学习方法，能够刻画较广生长环境中重要作物和杂草品种的光谱发射率。Zhang等人对2个阶段专家系统的机器学习方法进行了研究，此机器学习方法首先应用“环境专家”，即以以前的权威知识数据确定与当前季节最匹配的以前生长季节的环境；然后，第二步应用“品种专家”，即以以前最相似生长环境数据对未知植物品种进行分类，来准确地区分作物和杂草；他们的研究表明这种机器学习方法能很好地与一定环境条件下植物基因型对应。

系统方法是另一有发展前景的技术，可短期内商业化用于开发智能机器进行自动化杂草防除。在此系统方法概念中，种植时绘制作物-植物位置用于后来作物的保护，例如杂草防除。除草机器人根据生长季节后期的实时作物-植物图，一旦杂草出现，根据位置就能够区别作物和杂草。研究者已表明利用精确到厘米的实时动态GPS在种植期间对作物位置进行实时作图的可行性。PérezRuiz等人开发了自动的GPS除草系统，并经研究表明利用GPS作物-植物实时位置图和一对小型机器人锄头自动杀灭作物行间生长的杂草的可行性。此技术的1个优点为不需要受环境相互作用影响的作物或杂草基因型知识，能用于大范围的作物品种和生长条件。另一优点为精确到厘米的 GPS系统已在农业中商业化使用，随着此类型技术的发展、精准度的提高与被采纳，其费用可能下降。

2.3 机器人除草时代的开启

机电一体化和自动化技术可能更有效，可商业用于未来杂草防除策略，已用于工业化国家的特色作物。一般，西兰花、甘蓝、田间种植的花、中草药、生菜、洋葱和番茄等蔬菜作物田进行手工防除行间杂草。工业已对行间中耕机自动化需求做出了反应。例如丹麦的 Robovator行间中耕机为每行作物装备了2个平刃齿，在土表下1～2 cm处割除杂草。此平刃齿安装在行间区域，当其接近作物时，计算机系统会调控平刃齿来安全穿过作物，然后再使其处于除草的位置。Robovator系统通过识别作物行和作物和杂草大小差异来辨别作物和杂草。对于Robovator，每行都有一个摄像机，摄像机的图像被加工用以确定作物的位置，然后，计算机把信号传导到除草执行器(actuator)使其在适当的位置打开和关闭。对于西兰花和生菜，与标准中耕机相比Robovator除草时间分别减少39%和27%。从斯坦福大学衍生出来的机器人公司Blue River Technology(http://www.bluerivert.com)正在开发另一现有方法。它们已经商业化了LettuceBot，此机器能精确地对生菜疏苗，现在正在把在棉花田精准应用除草剂防除杂草的名为“See &Spray”的技术引入市场。他们的方法为广泛收集植物图像，使机器能够辨别作物和杂草。他们指出“不依赖空间和颜色来识别杂草”来检测植物间的差异。此方法的优点为潜在地降低除草剂的用量，特别是杂草密度低时，除草剂的精准喷雾和撒施间存在的差异显著。

自动除草技术是替代性杂草防除工具，与在过去60年中占主导地位的传统除草剂相比，更有发展前景，这至少对特色作物对来说是如此。目前全球有不到10个公司有能力发现、开发和登记除草剂。相比，有许多公司具有机器人的知识和技术，能够开发自动化杂草防除设备，开发机器人除草机比开发除草剂的费用要低。因此，自动化生菜疏苗器依赖于自动化控制喷嘴来精准应用除草剂、酸或肥料。自动化行间中耕机依赖于改进的锄头刃。然而，有许多杂草防除技术要开发为自动化，如激光器、序贯燃烧或喷雾摩擦等。自动化杂草防除功效是传统杂草防治技术和机器人之和。自动化技术、杂草检测和驱动(actuation)和杂草防除设备结合在一起时，就创造了1个不同的有效工具。

3 杂草管理的生物学

3.1 提高作物的竞争能力

通过育种提高作物与杂草的竞争能力一直是杂草科学的目标。早期研究主要是确定在生长于高强度的杂草压力下产量最高的栽培品种。Burnside研究了10个大豆品种对较长生长季节杂草压力的竞争能力。其中3个品种：“Harosoy 63”、“Amsory”和“Corsoy”被确定为最有竞争力。然而，没有分析这些品种产量高的原因。另一研究比较了3个高产、抗倒伏水稻品种与100～200种子穗/m的稗草(Echinochloa crus-galli)的竞争能力。结果表明晚熟品种更有竞争力，但没有发现其竞争机制。小麦品种与野燕麦的竞争力归于在早期苗发育过程中每单位面积的干物质的快速积累。Korres和Froud-Williams认为与品种相比，作物密度是增加作物与杂草竞争力的更好指标。最后，Watson等人通过对29个大麦品种与杂草竞争能力的研究总结到“相关系数不足以用以进行可靠的共同选择育种项目”。总之，搜寻基于形态性状的对杂草的竞争力提高的作物不会获得植物育种家需要的能确实增加作物与杂草竞争能力的知识。

1个替代策略为研究种间和种内的分子、生理和形态机制。要如此，就必须了解作物如何通过植物间的交流检测相邻的植物，以及如何通过作物的分子、生理和形态的改变把此信息转化为行动。Rajcan和Swanton建议早期通过光质量的变化(特别是红/远红光率)来检测邻近杂草，是了解早期植物竞争机制的新颖方法。对此假设早期作物-杂草竞争不受资源有限的驱动，但受到邻近杂草苗引起的光质量变化的影响，已对此进行进一步的试验。结果表明在缺少光、水和营养等直接竞争的情况下，邻近杂草苗能够引起大豆和玉米组织中 H2O2(胁迫指标)的累积。检测到邻近杂草苗的结果为作物的分子和生理发生变化，这可能是作物产量减少的机制。

种子处理不仅能保护作物，而且可能为“基因触发器”，使作物禁得起非生物和生物变化所致生理胁迫。研究已表明用新烟碱杀虫剂进行种子处理，能增加作物对杂草的竞争力。发现用噻虫嗪处理种子能促进玉米种子发芽和根的生长，激活自由基清除酶，降低在邻近杂草苗出现的情况下玉米苗中的H2O2积累。当大豆苗周围存在杂草时，噻虫嗪也阻止大豆小结节的减少。用少量化学物处理种子和触发基因使作物对杂草的胁迫耐受性增加，是操纵作物-杂草相互作用的全新领域。

3.2 生物防治杂草

2050年的杂草防除策略也一定包括杂草的生物防除和生物除草剂。生物防除被定义为使用天敌或天敌复合体(生物防治剂)来压制杂草。生物除草剂可能是植食性节肢动物(昆虫和螨)、植物病原菌(真菌、细菌、病毒和线虫)、鱼[例如草鱼(Ctenopharyngodon idella)]、鸟[例如雁属(Anserini sp.)和其他动物(例如羊)]。进口和使用全球不同地方的非本地制剂防治(即压制或管理)外来入侵杂草被称为“传统的生物防治”。使用一个地区固有的生物，增加其种群密度至高于正常水平进行杂草压制被称为“增强型生物防治策略”。

关于“生物除草剂”，首先，可大量生产的侵染杂草的土生土长的病原菌，已以高于天然种群密度的量用于压制敏感杂草。换句话说，其为增强型策略，也就是人们所知的淹没式生物防治。第二，根据美国环保局的专有名词，有3种类型生物除草剂：⑴ 生物化学除草剂(微生物代谢物、植物衍生化合物和天然存在的化学物质)；⑵ 含有活的或死的微生物体除草剂、植物病原菌或非病原微生物和其代谢物混合物或无代谢物；⑶ 表达除草活性物质的基因修饰植物(融入植物的保护剂)。预料以上所有类型的生物除草方法会在2050年发挥作用，因为它们的发现和使用费用相对低，长期受益和持续性，有效，环境友好。基因修饰产生抗杂草化合物(化感物质)的作物是这些生物防治技术中最不发达的。

应用节肢动物和病原菌的传统生物防治在非作物田中杂草防除有悠久和辉煌的应用历史，在全球不同地方使外来入侵杂草处于管理水平具有重要作用，常常取得很好的结果，可大大节约防治成本，减轻对环境的破坏。传统生物防治法成功防治杂草的一部分例子有：用节肢动物防治空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)，用节肢动物防治贯叶连翘(Hypericum perforatum)，用节肢动物和次生病原菌防治泽假藿香蓟(Ageratina riparia)和仙人掌属(Opuntia spp.)，用一个病原菌防治伞树(Acacia saligna)，用节肢动物防治干屈菜(Lythrum salicaria)，用节肢动物和次生病原菌防治凤眼蓝(Eichhornia crassipes)。

研究表明传统生物防治法可用于天然区域、森林、牧场、一定水体和荒地等原生态地点管理侵入杂草，但不适宜用于农业用地杂草防治，因为会受到管理措施和种植周期的干扰。但是，展望2050年，用传统生物防治杂草会有投资价值。虽然在某些情况下特定生物防治剂研究和上市需要 10年或更多时间，但成功投资的回报一般持续很长时间，且回报不断增加。为了获得持续的未来利益，需要以政府层面的政策来引导传统生物防治剂发现、研究和引入。例如，应该有协调的全球框架来收集和分享生物防治剂，在上市前进行科学的风险评估、效果测定和成本-效益分析。

将可大量生产的微生物用作压制杂草的生物除草剂是有前景的杂草防治法，在加拿大、中国、日本、荷兰、南非和美国有数个制剂已被登记或批准使用，有 Lockdown®(以前登记为 Collego®)，含有胶孢炭疽菌合萌专化型(Colletotrichum gloeosporioides f. sp.Aeschynomene)，防治吉尼亚田皂角(Aeschynomene virginica)；Chontrol®(以前用为 BioChon®)，含有的Chondrostereum purpureum防治杂草型阔叶树和灌木；Hakatak®，含有Colletotrichum gloeosporioides f.sp. Hakeae防治叶哈克木(Hakea sericea)；Stumpout®含有Cylindrobasidium laeve防治黑荆树(Acacia mearnsii)和Acacia pycnantha；SolviNix®，含有烟草轻绿花叶病毒，防治Solanum viarum。这些市场化生物除草剂和那些已登记但目前市场上没有的生物除草剂在一定程度上服务于特定顾客，与化学除草剂相比，其应用非常少。这对于农业和环境中杂草的防除情况都是如此，原因有多种，如生物药剂、气候、杂草间不可控相互作用导致的活体生物除草剂性能不一致，产品储存条件和半衰期等原药方面，制剂和有时需要特定应用技术。此外，使用者对此陌生技术的接受度和与化学除草剂的竞争也是主要因素。这些产品的使用谱窄也决定了它们为小生境产品。当然，随着杂草对化学除草剂抗性的不断增加，对抗除草剂的长芒苋(A. palmeri)有效的生物除草剂可能仍是有价值的产品。

为了在接下来的几十年中微生物除草剂有更广的接受度和实用性，未来微生物除草剂必须能控制多个而不是单个杂草品种。它们的防效应该基于一定稳定的基因功能或在田间环境的温度和湿度条件下较稳定地独立地起作用的代谢物。此外，在以后几十年中，了解病原菌如何杀死植物细胞、组织或整个植物也应该是研究目标。为了达到此目标，必须进行传统的搜寻-和-筛选来发现适宜的匹配的杂草-病原菌作为研究模型。例如，寄主-病原菌系统中病原菌的致病力能够通过基因-基因的相互作用控制，这样的系统可用于研究导致植物死亡的系统坏死如何被触发和大发生。用组学法发现导致除草效果的杂草和病原菌基因和基因产品是可能的。在获得植物-病原菌相互作用的更多知识时，使用基于RNAi、小干扰RNA和CRISPR/Cas9的分子方法在发现防治杂草的新产品和方法中具有重要作用。这些防治杂草的分子基因方法更易于被应用，如果它们被认为是生物控制，且按此类进行管理的话。

4 信息技术的延伸

4.1 通信和计算机

计算机和信息技术的发展将有利于杂草防治技术的发展，它们也会影响信息如何转化和被用于制定杂草防治策略。信息量以指数级速度增长，难以精确预测在2050年信息如何转化。目前，大学和工业专业人士使用所有的通讯资源把研究发现传递给客户。这包括纸质出版物和时事通讯、电通讯、办公室/田间拜访，和email、Facebook、Twitter、Instagram、LinkedIn、Pinterest、blogs、NetMeeting等电子资源和许多其他方式。网站搜索引擎已很普遍且强大，通过它几乎可获取到所有信息，虽然信息的精确性可能让人质疑。未来有足够多的方式来传递信息，并且能更有效地应用这些信息。

当前正处在纸质文字转变为电子传媒的阶段。估计在 21世纪早期全球有 80%以上的成年人能够阅读和书写。然而，人们正进入电子传媒时代，在这个阶段，读或写的能力可能不再必要或常见。电子传媒社会以记录的声音[通过收音机、图(如 jpeg)的CDs、有声读物、广播和音乐]和移动影像(电视、电影、MPG、流媒体、电子游戏和虚拟现实)取代了书面语。电子媒体社会虽然可能仍有文化人、会读和写的人，但他们选择不读和写。此类别几乎所有人具有传媒、多媒体、视觉素养和转化素养(transliterate)。当理解所写文字的能力衰退，电子媒体产生。在1982－2007年，全美国人口有将近20%阅读能力下降，18－24岁年轻人下降30%，目前4 000万美国人的阅读能力为最低识字水平。人们花费较少时间阅读，但产生的纯信息量继续以指数级速度增长。公众对电子声音和图像的喜爱永无止境。

4.2 未来信息传递的趋势

至少有4个趋势可能影响未来有关杂草管理的信息传递：可穿戴技术、情境化学习、大数据和扩充学习。可穿戴技术使种植者在田间时就能够获取最相关的信息资源。此技术目前以多种形式存在，如“感知(awareables)”(感知到人和其环境的穿戴技术)。可穿戴技术包括智能手表、活动追踪系统、智能首饰、头戴式光学显示器和耳塞。可穿戴技术有3个要件：接触、链接和情境(context)。接触为与身体的物理接触，使设备能够检测到穿戴者在干什么。需要连接到其他设备，产生智能形式。目前可穿戴技术仅局限于现在的智能电话，未来它们会成为与“云”链接的独立设备。情境意味着可穿戴技术具有智能，了解使用者工作的环境，并形成数据传输出去。

情境化学习(contextualized learning)是指信息以个人能够体验的方式提供。农业中情景化学习的例子为当从你的种子经销商买一包种子，从附近商店买6个包装在一起的番茄，或从你的经销商买1个农药时，在交易中使用信誉卡，产品的供应者就会把个性化信息下载到买者电子设备上，例如种植时间、通过设备的电子追踪特性测定的人所在位置的农药应用建议。土壤类型、环境要求、肥力、湿度、成熟等信息根据人的位置发生改变。

“大数据”是指数据集很大或复杂，传统的数据加工应用难以胜任。农业的数据集正在迅速地增长，部分原因为它们在被便宜的和多个信息传感移动设备，天线(遥感)，软件日志、照相机，麦克风，RFID阅读器和无线传感器网络不断收集。其中大多数已经被用于农业，预期它们的使用会增加。大数据分析的精确性可能会导致制定更自信的决策，更好的决策可能会导致更大的运营效率，成本降低和风险降低。大数据存在分析、捕获、数据监护(data curation)、搜寻、分享、储存、传递、可视化、质疑和信息隐私等挑战。

扩充学习为需求化学习技术，学习者以此来适应环境。学习者能更好地理解根据需求提供的信息。例如，不是以记住为主，学习者对当前内容进行适应性学习体验。扩充文本可通过文本显示、图像、或录像或发送音频根据学习者自然环境来量身定制。扩充学习主要通过数字化形式进行。在桌面电脑环境中，学习者通过屏幕弹出窗口、工具栏接受补充的、情境资讯。在现实移动系统中，注释可能呈现在学习者自个的平视显示器上，或通过头戴式耳机进行视听学习。例如，谷歌眼镜(Google Glasses)的app能够提供视频教程和人机交互方式。此技术可被用于提供有关杂草生理学和管理实践的及时教育，例如，杂草的搜寻可通过把杂草的确定和相关潜在产量损失、管理选择和警报除草剂抗性种群的相关信息结合在一起而进行。

尽管在未来可以新颖的方式来广范围获取信息，但一些传统教学场地可能继续发挥作用，包括国家、地区和州种植者会议，田间和表演飞行，和进行实习培训的学校和工作间。纸质或电子形式的州杂草防治指导可能继续帮助种植者考虑采纳有效的杂草防治措施。这些教育形式在过去大几十年中一直持续着，即使参加的人数下降了。小组会议以讨论、详细解释、话题的即兴发散和提问和回答进行现场互动，这表明这些教育资源继续发挥作用，如果这些以一些电子形式进行会受到限制和过程冗长。一些人在其小型卡车、拖拉机或办公室中可能总是喜欢硬盘拷贝的州杂草指导或有关出版物的补充电子资源。

在杂草防治和除草剂使用中人类一贯的行为难以改变，这是学术和工业界已在考虑的重要问题。可从许多资源获取有效杂草防治策略和除草剂使用的精准信息。这些信息已被很好地传递到主流农业中，不接受这些新的杂草防除策略和方法不是由于缺乏相关知识和信息所致。普遍的、长时间不接受持续的杂草防治措施已促进了抗除草剂杂草的进化。所有纸质刊物文章、衍生出版物、平面媒体和教育场所使用无数策略来改变人类的行为。尽管付出努力和进行教育来改变种植者的态度和行为，但他们接纳这些新的杂草防治策略的速度缓慢。与其预言2050年杂草管理信息如何传递，还不如通过社会学家和社会经济学家使准确的信息被更好地采用和使用。

5 下一代杂草科学家的培养

杂草科学为可预见未来杂草科学学生的基本知识。除草剂将继续被使用，虽然以更有限的方式，因此对除草剂化学、生理学和技术的培训必须继续。到2050年杂草生物和生态的重要性不断增加，因为对杂草发育和竞争性相互作用的了解会提供管理杂草种群的新选择。由此，必须认识到杂草科学学生将需要更多样化的培训以适应于新的雇佣机会。如果杂草管理要跟得上杂草进化的步伐，就需要进行研究和培训(表1)。

表1 对杂草科学研究和培训的需求

根据雇佣的杂草科学毕业生，预测农业化学工业中的机会将可能进一步减少，因为大的化学公司的数量继续减少和除草剂销售转入专注于销售而不注重研究的一般分销商。更可能的是在2050年杂草科学家将为小的技术公司工作，从事不需要大基础设施的工程化、信息技术/大数据或生物技术的工作。农业实施工程和生产公司有充足的机会发展，这些公司整合使用机器人和杂草/作物传感器技术和杂草防治器(actuator)。这些公司将需要懂得杂草生物学、生态学和杂草管理，但同时熟悉杂草感受技术和杂草/作物检测和区分的科学家。杂草科学学生也将受益于学习基本的植物生理学和植物病理学，以及分子生理学、基因组学、生物信息学和生物技术，这些将是为植物竞争、植物病原菌相互作用或基因沉默发展新见解的沃土。结合应用不同的和不断增长的杂草生理学和生态学以及影响它们的因素的知识对开发综合杂草和抗性管理策略将是必要的。从以上可知，将需要学生具有技术悟性。这对不断从试验得到的大数据的操纵和解释重要。学生将也需要做好准备与在实践中采用技术的种植者沟通。种植者可获得的数据量将增长，对杂草专家来说将会有许多机会使用这些数据来理解和管理杂草种群。

6 结 论

求，目前的杂草防治方法就是艰巨的任务。在没有新除草剂作用机制或协调策略来管理和阻止除草剂抗性杂草的话，前景黯然。但计算机、机器人和生命科学的发展趋势表明提高杂草防治的多个途径存在，可结合现有方法开发出更持续的杂草管理系统(图1)。然而，时间紧迫，新技术可能需要数年来开发和实施，因此需要有紧迫感。本文中已确定了研究和教育的优先领域，希望将取得进展。希望在新颖和可持续方法的研究方面有更多投资，包括工业和商业以及州和联邦出资人等多样化资源投资。大学和政府实验室应该设立致力于杂草管理新颖方法开发的新项目。法规的改进和激励杂草防治创新之路的顺畅也对促进以后几十年中研究成果的实施有价值。最后今天的学生是在其专业职业生涯中应对此挑战的人，他们必须被培训和鼓励去创造性思维来发现和实施转换性杂草管理策略。