2种色素合成抑制剂防除小麦田抗药性禾本科杂草的潜力研究

郭永丽,祁圆林,于佳星,董立尧,李俊

(南京农业大学植物保护学院/农作物生物灾害综合治理教育部重点实验室,江苏 南京 210095)

我国是世界最大的小麦生产、消费和进口国[1],因此小麦的安全生产对我国农业发展和粮食安全至关重要。麦田杂草会与小麦争夺营养、光照和水分,同时为小麦病原真菌和害虫提供越冬场所,严重影响小麦产量和品质[2]。据报道,作物田杂草草害面积达30%以上,对作物造成约34%的产量损失[3]。在我国,日本看麦娘(Alopecurusjaponicus)、看麦娘(A.aequalis)和菵草(Beckmanniasyzigachne)等是小麦田危害最严重的几种禾本科杂草,影响小麦光合作用,造成小麦倒伏、迟熟,产量降低。目前,化学防除仍然是小麦田杂草防除最经济有效的方法。然而,由于除草剂的长期单一使用,杂草抗药性问题已成为小麦田杂草防除面临的重要问题。据报道,小麦田禾本科杂草中,日本看麦娘、看麦娘、菵草、硬草(Sclerochloakengiana)、多花黑麦草(Loliummultiflorum)等对精恶唑禾草灵(fenoxaprop-P-ethyl)、甲基二磺隆(mesosulfuron-methyl)、炔草酯(clodinafop-propargyl)等小麦田主要茎叶处理剂均有抗药性,其发生几乎遍布小麦主要产区[4-6]。更为严峻的是,这些抗药性禾本科杂草对同类药剂产生了交互抗性。面对这些抗药性禾本科杂草,小麦田杂草防控面临着无茎叶处理药剂可用的困境[7]。

随着农药产业的发展,除草剂的种类越来越多,其中抑制光合作用的除草剂一直受到人们关注。以光合色素生物合成过程中的关键酶作为药剂靶标,是研发除草剂的一个重要方向和热点[8]。其中,原卟啉原氧化酶(protoporphyrinogen oxidase,PPO)以及对羟苯基丙酮酸双氧化酶(4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase,HPPD)是新型除草剂品种创制的主要靶标,占市场比例相对较大[9]。双唑草腈是PPO抑制剂中的新品种,作为触杀型除草剂,通过抑制杂草体内原卟啉原氧化酶而起到杀草作用,目前主要登记用于水稻田用于苗前或苗后早期防除稗草(Echinochloacrusgalli)和野慈姑(Sagittariatrifolia)等一年生杂草。此外,还可有效防除稻田对磺酰脲类除草剂具有抗药性的杂草,因此以双唑草腈为代表的 PPO 抑制剂类除草剂将成为解决抗磺酰脲类除草剂杂草非常有潜力的品种[10]。异恶唑草酮为HPPD抑制剂类除草剂,在我国主要登记用于玉米田防除一年生杂草,可防除稗草等多种禾本科杂草和苘麻(Abutilontheophrasti)等阔叶杂草,具有活性高、杀草谱广、耐受性高等优点,该药剂已经长期占据玉米田除草剂和HPPD抑制剂市场中第二的位置[11]。

除草剂安全剂是一类有选择性地保护作物免受除草剂伤害且不影响除草剂对靶标杂草活性的特殊用途化合物[12]。安全剂与除草剂一起使用,可显著减轻除草剂对作物的伤害,使原本无选择性或低选择性的除草剂能得以应用,保护作物且不损害除草剂对杂草的防效,甚至还能扩大该种除草剂的杀草谱[13]。除草剂安全剂根据其结构差异可分为6类:萘二甲酸酐类,如1,8-萘二甲酸酐(NA)可以缓解甲草胺、氯磺隆等除草剂对玉米的药害;二氯乙酰类,如二氯丙烯酰胺可以缓解乙草胺对小麦的药害;磺酰脲(胺)类,如环丙磺酰胺可以缓解烟嘧磺隆对玉米、高粱的药害;芳杂环类,如解草啶可以缓解乙草胺、丙草胺对水稻的药害,双苯恶唑酸可以缓解烟嘧磺隆对玉米的药害和精恶唑禾草灵对籼稻的药害,吡唑解草酯可以作为碘甲磺隆钠盐类除草剂安全剂;肟醚类,如解草腈可以缓解异丙草胺、灭草喹对高粱、玉米的药害;植物源类,如赤霉素可以缓解乙草胺对油菜的药害[14-15]。

由于除草剂-作物-安全剂体系间相互作用的复杂性,安全剂具体作用机制尚未有明确定论。根据现有研究结果大致归结为5个方面:1)安全剂可抑制作物对除草剂的吸收和转运;2)安全剂可与除草剂受体靶标位点相互作用或通过竞争性结合而降低除草剂与靶标位点结合能力;3)安全剂可影响除草剂靶标酶活性;4)安全剂可诱导作物中的解毒酶活性,增强其对除草剂的代谢作用;5)综合以上4个原因,共同对作物具有解毒作用[12]。

本研究针对小麦田抗药性禾本科杂草危害及防控现状,通过研究双唑草腈及异恶唑草酮对小麦田 3种抗药性禾本科杂草的室内毒力,对不同品种小麦安全性、安全剂解毒作用以及除草剂-安全剂组合对小麦田常见杂草杀草谱,以期形成双唑草腈、异恶唑草酮防除小麦田抗药性禾本科杂草的安全使用技术,为解决小麦田抗药性禾本科杂草及常见一年生杂草问题提供新思路和新方法。

1 材料与方法

1.1 供试材料

根据小麦田杂草发生现状,选择了7种禾本科和5种阔叶杂草共15个种群作为供试杂草(表1)。其中抗精恶唑禾草灵日本看麦娘[16]、菵草[17]以及抗甲基二磺隆看麦娘种群[5]来自本实验室前期已报道的研究工作。根据小麦种植区划,选择东北、黄淮海、长江中下游以及西南麦区的14个常规小麦品种,用于安全性评价(表2)。

表1 供试杂草种群信息Table 1 Population information of tested weeds

表2 供试小麦品种信息Table 2 Variety information of tested wheat

1.2 供试药剂及安全剂

色素合成抑制剂:20%双唑草腈SC(江苏中旗自行加工)、75%异恶唑草酮WDG(杭州颖泰生物科技有限公司)。药剂用自来水配制成5 000 μg·mL-1母液,喷雾时用含0.1%吐温-80水溶液配制使用。

除草剂安全剂:吡唑解草酯(上海源叶生物公司)、双苯恶唑酸(上海毕得医药科技有限公司)、环丙基磺酰胺(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、二氯丙烯酰胺(上海化成工业发展有限公司)、解草啶(杭州庆丰农化有限公司)。解草啶使用时用清水溶解,按所需比例与除草剂施用;吡唑解草酯、双苯恶唑酸,用二甲苯(4.27倍安全剂用量)溶解,加入乳化剂(2倍安全剂用量,农乳500、农乳600的体积比为1∶1)搅匀,使用时加入清水稀释,按所需比例与除草剂施用;环丙基磺酰胺和二氯丙烯酰胺用DMSO(6.1倍安全剂用量)溶解,使用时加入清水稀释,按所需比例与除草剂施用。

1.3 试验方法

1.3.1 2种色素合成抑制剂对小麦田抗药性禾本科杂草的毒力测定采用整株测定法测定2种药剂对杂草的毒力。双唑草腈有效成分剂量设置为0、26.25、52.5、105、210和420 g·hm-2,异恶唑草酮有效成分剂量设置为0、18.75、37.5、75、150和300 g·hm-2,以清水为空白对照,每个处理4个重复。将田土和基质(江苏兴农基质科技公司)以质量比为2∶1混匀制成营养土。营养土pH6.1,有机质含量为14 g·kg-1。在规格为 7 cm×7 cm×7 cm 且底部有孔的培养钵中装入营养土,选择已解除休眠的抗药性日本看麦娘、看麦娘、菵草种子,按30粒每钵分别播种于培养钵中,播后覆一层细土,待底部吸水至饱和,进行土壤喷雾处理。喷雾采用农业农村部南京农业机械化研究所生产的3WP-2000型行走式生测喷雾塔,行走距离1 340 mm,喷液量为20 mL,喷液压力为0.3 MPa。待药液吸收后置于植物培养室生长,白天/黑夜温度设置为 20 ℃/15 ℃,光照/黑暗时间为12 h/12 h,光照度为2 000 lx。喷药后30 d,将各处理地上部分剪下,称鲜重,计算鲜重抑制率。鲜重抑制率=(对照组鲜重-处理组鲜重)/对照组鲜重×100%。

1.3.2 2种色素合成抑制剂对不同品种小麦的安全性测定采用室内整株生物测定法测定药剂对小麦的安全性。参考双唑草腈及异恶唑草酮登记的推荐剂量,设置其双唑草腈有效成分剂量为0、13.13、26.25、52.5、105和210 g·hm-2;异恶唑草酮有效成分剂量为0、18.75、37.5、75、150和300 g·hm-2,以清水为空白对照,每个处理4个重复。每个培养钵中播种小麦10粒,播后覆0.5～1 cm细土,待底部吸水至饱和,进行土壤喷雾处理。试验操作及培养方法同1.3.1节。

1.3.3 2种色素合成抑制剂-安全剂组合对小麦的安全性测定根据1.3.2节的结果,选择对双唑草腈和异恶唑草酮耐受能力最强的小麦品种(分别为‘周麦27’和‘安科1401’)进行药剂-安全剂组合筛选。将2种药剂与5种安全剂以不同剂量组合,剂量设置:双唑草腈210 g·hm-2,5种安全剂剂量均为0、6.57、13.13、26.25、52.5、105和210 g·hm-2;异恶唑草酮300 g·hm-2,5种安全剂剂量均为0、9.38、18.75、37.5、75、150和300 g·hm-2。以清水为空白对照,每个处理4个重复。试验操作及培养方法同1.3.2节。

1.3.4 2种色素合成抑制剂-安全剂组合对小麦田抗药性禾本科杂草的毒力测定根据1.3.3节的结果,选择其中具有较好药害缓解作用的安全剂,按1.3.3节中设置的与双唑草腈和异恶唑草酮的剂量组合,测定其对抗药性杂草的毒力(双唑草腈对抗精恶唑禾草灵菵草种群JYGC,异恶唑草酮对抗甲基二磺隆看麦娘种群JTJY-1)。试验操作及培养方法同1.3.1节。

1.3.5 2种色素合成抑制剂-安全剂组合对小麦田常见杂草杀草谱测定根据1.3.3节和1.3.4节的结果,选择缓解药害效果最好且对杂草毒力高的药剂-安全剂组合,测定其对小麦田常见杂草杀草谱。双唑草腈与吡唑解草酯组合的剂量设置为:双唑草腈0、33.6、84和210 g·hm-2,吡唑解草酯6.57 g·hm-2;异恶唑草酮与双苯恶唑酸组合的剂量设置为:异恶唑草酮0、48、120和300 g·hm-2,双苯恶唑酸9.38 g·hm-2。试验操作及培养方法同1.3.1节。

1.4 数据处理与分析

数据处理R 软件“drc”程序包的 drm 函数提供了“LL.3()”Logistic曲线模型,专门用于除草剂对杂草抑制剂量值的计算[18]。采用Logistic曲线拟合方程[19]计算各种药剂对小麦田抗性禾本科杂草鲜重抑制率达到 50%的剂量值(GR50)和 90%的剂量值(GR90),以及除草剂对小麦鲜重抑制10%的剂量值(GR10)。

以选择性指数评价2种药剂对不同小麦品种的安全性。选择性指数=对作物的GR10/对杂草的GR90。当选择性指数>4,表明药剂对作物安全。

数据的差异显著性采用DPS软件的Duncan’s新复极差法对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 2种色素合成抑制剂对小麦田抗性禾本科杂草的毒力

从表3可知:双唑草腈和异恶唑草酮对小麦田抗药性禾本科杂草有较好的抑制作用,双唑草腈在210 g·hm-2剂量下,对3个抗药性禾本科杂草种群及3个敏感对照种群鲜重抑制率均在90%以上,对抗甲基二磺隆看麦娘种群JTJY-1及抗精恶唑禾草灵菵草种群JYGC的鲜重抑制率均可达100%。双唑草腈对抗甲基二磺隆看麦娘种群JTJY-1、看麦娘敏感种群JNXW-1、抗精恶唑禾草灵菵草种群JYGC、菵草敏感种群JNJP 的GR50值均在其推荐剂量一半以下,对抗精恶唑禾草灵日本看麦娘种群JCJT-2及日本看麦娘敏感种群JNXW-2的GR90值接近其推荐用量。异恶唑草酮在300 g·hm-2剂量下,对3个抗药性禾本科杂草种群及3个敏感种群鲜重抑制率均在80%以上,其GR50值均在其推荐剂量一半以下,在150 g·hm-2剂量下对抗甲基二磺隆看麦娘种群JTJY-1鲜重抑制率可达100%。

表3 2种色素合成抑制剂对不同杂草种群鲜重的抑制作用Table 3 Inhibitory effect of two pigment synthesis inhibitors on fresh weight of different weed populations

2.2 2种色素合成抑制剂对不同品种小麦的安全性

从表4和表5可知:双唑草腈和异恶唑草酮对不同小麦品种幼苗均有较高的鲜重抑制率,对小麦的GR10均低于其对杂草的GR90,表明2种药剂对供试小麦品种幼苗生长均不安全。其中,双唑草腈对‘周麦27’幼苗的鲜重抑制作用最小,GR10值为19.45 g·hm-2;异恶唑草酮对‘安科1401’幼苗的鲜重抑制作用最小,GR10值为22.65 g·hm-2。选择2种药剂对杂草最低的GR90值(表3)进行选择性指数计算,结果发现2种药剂对所有供试小麦品种的选择性指数均远小于4,表明2种药剂对供试常规小麦品种均不安全(表4)。

表4 双唑草腈对小麦幼苗的鲜重抑制作用Table 4 Inhibitory effect of pyraclonil on fresh weight of wheat seedlings

表5 异恶唑草酮对小麦幼苗的鲜重抑制作用Table 5 Inhibitory effect of isoxaflutole on fresh weight of wheat seedlings

2.3 2种色素合成抑制剂-安全剂组合对小麦的安全性

从表6可知:双唑草腈、异恶唑草酮在加入不同的安全剂后对小麦品种‘周麦27’和‘安科1401’幼苗的鲜重抑制率均显著降低,但随着安全剂剂量加大,对2个品种小麦幼苗的鲜重抑制作用也随之增大。双唑草腈在210 g·hm-2剂量下,与6.57 g·hm-2的吡唑解草酯、解草啶、双苯恶唑酸混用后,均可显著降低其对‘周麦27’幼苗的鲜重抑制率,其中,吡唑解草酯效果最佳,对‘周麦27’幼苗鲜重抑制率为-6.06%。二氯丙烯酰胺和环丙基磺酰胺不同剂量与双唑草腈混用后对‘周麦27’幼苗鲜重仍有较高的抑制率,其鲜重抑制率均大于10%。异恶唑草酮在300 g·hm-2剂量下,与9.38 g·hm-2的双苯恶唑酸、吡唑解草酯、解草啶混用后,均可显著降低其对‘安科1401’幼苗的鲜重抑制率,其中双苯恶唑酸效果最佳,对‘安科1401’幼苗鲜重抑制率为-5.71%。二氯丙烯酰胺和环丙基磺酰胺不同剂量与异恶唑草酮混用后对‘安科1401’幼苗鲜重仍有较高的抑制率,其鲜重抑制率均大于15%。

表6 2种色素合成抑制剂与安全剂组合对小麦幼苗鲜重的抑制作用Table 6 Inhibitory effect of the combinations of two pigment synthesis inhibitors and safeners on fresh weight of wheat seedlings

2.4 2种色素合成抑制剂-安全剂组合对小麦田抗药性禾本科杂草的毒力研究

从表7可知:加入不同剂量安全剂,并不降低双唑草腈对抗精恶唑禾草灵菵草种群JYGC以及异恶唑草酮对抗甲基二磺隆看麦娘种群JTJY-1的抑制作用。双唑草腈在210 g·hm-2剂量下,与安全剂解草啶、双苯恶唑酸、吡唑解草酯各剂量组合使用,对抗精恶唑禾草灵菵草种群JYGC的鲜重抑制率均达100%,显著高于不加安全剂的双唑草腈;异恶唑草酮在300 g·hm-2剂量下,与安全剂解草啶、双苯恶唑酸、吡唑解草酯的各剂量组合使用,对抗甲基二磺隆看麦娘种群JTJY-1的鲜重抑制率均在90%以上,与不加安全剂的异恶唑草酮无显著性差异。

表7 2种色素合成抑制剂与安全剂组合对杂草鲜重的抑制作用Table 7 Inhibitory effect of combination of two pigment synthesis inhibitors and safeners on fresh weight of weeds

2.5 2种色素合成抑制剂-安全剂组合对小麦田常见杂草的抑制作用

从表8可知:双唑草腈-吡唑解草酯组合与双唑草腈单剂相比,对15个小麦田常见杂草种群鲜重抑制率均无显著性差异,表明安全剂加入后不影响双唑草腈对杂草的抑制作用。双唑草腈-吡唑解草酯组合在210 g·hm-2+6.57 g·hm-2剂量下对抗精恶唑禾草灵日本看麦娘种群JCJT-2鲜重抑制率为93.38%,对抗甲基二磺隆看麦娘JTJY-1、抗精恶唑禾草灵菵草种群JYGC鲜重抑制率可达100%,对日本看麦娘敏感种群JNXW-2、大巢菜种群JCWJ-8鲜重抑制率在90%以上,对多花黑麦草敏感种群JLGY-45、节节麦种群SDDZ-2及雀麦种群JLGY-51鲜重抑制率在90%以下,对看麦娘敏感种群JNXW-1、菵草敏感种群JNJP、猪殃殃种群YSXQ、婆婆纳种群JYFN-3、野老鹳种群JYFN-2、荠菜种群JJXN-28以及棒头草种群SLDK-2的鲜重抑制率均可达100%。

表8 双唑草腈与吡唑解草酯组合对不同小麦田杂草的抑制作用(鲜重抑制率)Table 8 The inhibitory effect of the combination of pyraclonil and mefenpyr-diethyl on different weeds from wheat fields(fresh weight inhibition rate) %

从表9可知:异恶唑草酮-双苯恶唑酸组合与异恶唑草酮单剂相比,对15个小麦田常见杂草种群鲜重抑制率均无显著性差异,表明加入安全剂后不影响异恶唑草酮对杂草的抑制作用。异恶唑草酮-双苯恶唑酸组合在300 g·hm-2+9.38 g·hm-2剂量下对抗精恶唑禾草灵日本看麦娘种群JCJT-2鲜重抑制率为92.23%,对抗精恶唑禾草灵菵草种群JYGC鲜重抑制率为93.83%,对抗甲基二磺隆看麦娘种群JTJY-1鲜重抑制率可达100%,对看麦娘种群敏感JNXW-1、婆婆纳种群JYFN-3、荠菜种群JJXN-28和棒头草种群SLDK-2的鲜重抑制率均可达100%,对菵草敏感种群JNJP、猪殃殃种群YSXQ和大巢菜种群JCWJ-8鲜重抑制率均在90%以上,对日本看麦娘敏感种群JNXW-2、多花黑麦草种群JLGY-45以及节节麦种群SDDZ-2的鲜重抑制率均在80%以上,但对雀麦种群JLGY-51和野老鹳种群JYFN-2的鲜重抑制率在80%以下。

表9 异恶唑草酮与双苯恶唑酸组合对不同小麦田杂草的抑制作用(鲜重抑制率)Table 9 The inhibitory effect of the combination of isoxaflutole and isoxadifen-ethyl on different weeds from wheat fields(fresh weight inhibition rate) %

3 讨论与结论

小麦作为我国最重要的粮食作物之一,其产量在粮食作物中所占比例一直在逐步提高,因此促进小麦生产持续稳定发展具有重要意义。不同地区麦田杂草存在优势种群差异,加上除草剂的长期使用,抗药性杂草逐渐增加,加大了杂草防除难度。面对不同地区杂草现状,宜选择综合防治策略,重视农业防治、杂草检疫,农业防除可以选择种子精选、引种加强检疫、合理轮作制度等预防措施[20]。化学防除可以根据不同麦田杂草发生特点、种类,选择适宜除草剂复配或与助剂、增效剂混用进行防治[21]。但目前化学防除也有新问题出现,长期单一使用一类除草剂,将会对杂草产生较高选择压,造成优势杂草产生抗药性转为恶性杂草,面临更难防治状况[22]。目前针对抗药性杂草常规治理方式还是以化学防除为主,选择不同分子靶标除草剂混用、复配、交替使用等技术体系。

部分除草剂在使用中易对作物产生药害,需要搭配相应的安全剂缓解药害。除草剂安全剂可以保护农作物免受除草剂药害,达到防除杂草,保护作物的目的[23]。有研究表明,安全剂是通过提高作物对除草剂活性的耐受性从而缓解除草剂对作物的药害[24]。还有研究表明,大多除草剂安全剂是通过提高谷胱甘肽含量和谷胱甘肽硫转移酶(GST)以及细胞色素P450表现出对作物的保护作用[25-26]。目前对安全剂机制研究,绝大部分是针对不同植物试验材料以及单个因子进行的,对不同安全剂的协同解毒研究较少,所以关于安全剂确切的作用机制还有待进一步阐明[12]。

据报道,吡唑解草酯可以促使精恶唑禾草灵等药剂在作物中快速解毒,选择性防除小麦、大麦、黑麦田中一些禾本科杂草;双苯恶唑酸可以有效缓解烟嘧磺隆对玉米的药害,并且可以在玉米2～8叶期进行全田喷雾[27]。本研究中也发现在加入吡唑解草酯或双苯恶唑酸后,可显著降低双唑草腈或异恶唑草酮对特定小麦品种幼苗的抑制作用,从而具备了在小麦田使用的潜力。

双唑草腈常用于水稻田,防除稗草等一年生杂草,对水稻田抗药性稗草GR90值为148.70 g·hm-2[28]。异恶唑草酮常用于玉米田防除稗草等一年生杂草,在84.4 g·hm-2剂量下,对稗草鲜重抑制率为80.5%[29]。在本研究中,双唑草腈及异恶唑草酮对3种小麦田已有的抗药性禾本科杂草及小麦田常见杂草均有较好的室内毒力,尤其是双唑草腈,对小麦田抗甲基二磺隆看麦娘、抗精恶唑禾草灵菵草GR90值均在 80 g·hm-2以下,低于其在水稻田的推荐用量,具备了进一步在小麦田应用的可能。

综合考虑成本以及田间生产实际情况,2种药剂-安全剂组合——双唑草腈+吡唑解草酯(210 g·hm-2+6.57 g·hm-2)和异恶唑草酮+双苯恶唑酸(300 g·hm-2+9.38 g·hm-2),可考虑用于防除小麦田抗精恶唑禾草灵日本看麦娘、菵草或抗甲基二磺隆看麦娘以及多种麦田常见一年生杂草,但不宜在以节节麦、雀麦、多花黑麦草为主要草相的小麦田中使用。尽管如此,2个组合在小麦田对一年生杂草的实际田间效果以及对小麦的安全性,仍需要的进一步的研究与验证,以明确其可行性。