杂草对除草剂抗性机制的研究进展及抗性治理对策

孙鹏，赵倩明

（1.新疆奎屯市农业农村局 新疆，伊犁哈萨克自治州 833200；2.新疆奎屯市畜牧兽医工作站 新疆，伊犁哈萨克自治州 833200）

农田杂草防治一直备受关注，农间一般通过人工、机械、化学方式去除杂草。除草剂是大型农田杂草防治中使用最广泛的化学除草方式。除草剂的广泛使用，杂草在年复一年的驯化中会产生耐药性，被称为杂草抗性。杂草的除草剂抗性的首次报告可以追溯到20 世纪80 年代初，当时涉及到抑制乙酰辅酶A 羧化酶（ACCase）和抑制乙酰乳酸合成酶（ALS）的除草剂[1]。杂草都具有对除草剂产生抗性的能力并可以遗传，除草剂的过度使用导致抗除草剂杂草迅速蔓延，《国际除草剂抗性杂草调查》已经确认了数百种抗性杂草[2]。除草剂与非化学管理实践相结合可以大大降低这种风险，但除草剂是大型农田中必不可少的工具，因此抗性杂草问题将会持续存在。本文综述了杂草对除草剂抗性的不同机制的研究进展，并对杂草产生除草剂抗性的问题提出综合防治方案。

1 杂草除草剂抗性机制

除草剂是通过分子层面破坏杂草组织结构的方式灭除杂草，如抑制杂草体内生物分子合成，减缓杂草细胞分裂，影响杂草光合作用，阻碍生长素合成等方式，除草剂与杂草体内的特异酶结合实现这些灭杀杂草的功能。抗性杂草对抗除草剂的第一种方式是通过改变自身酶蛋白分子的一级结构，导致除草剂和特异酶之间特异性失效，除草剂不能有效结合特异酶失去除草效果。第二种方式是杂草自身进化产生的抗性，杂草通过加强新陈代谢将除草剂快速代谢出体内或将除草剂转运到不会影响生长过程的部位，达到抗除草剂的目的。

1.1 杂草对ACCase抑制除草剂的抗性

ACCase抑制剂是一种苗后除草剂，ACCase抑制剂可分为三类，即芳氧苯氧基丙酸（APP）、苯吡唑啉（PPZ）和环己二酮（CHD）。目前市面上已有12 种APP 除草剂、1种PPZ 除草剂和8 种CHD 除草剂[3]。ACCase 是脂肪酸合成限速酶，ACCase抑制型除草剂通过与ACCase酶的特异结构域结合，破坏脂肪酸合成，起到防除杂草的效果。对ACCase抑制型除草剂有抗性的杂草类型是全球抗除草剂杂草面积和经济影响最大的，由此可见对此类杂草抗性研究的重要性。在这些抗性杂草中，ACCase基因发生突变，降低了ACCase 酶对除草剂的敏感性，导致靶标部位对ACCase抑制除草剂产生抗性。在抗性靶点机制中，从抗ACCase 抑制型的杂草中鉴定出Trp-1999、Trp-2027、Ile-2041、Gly-2096、Ile-1781、Asp-2078 和Cys-2088 位点的氨基酸替换[3]。相关报道表明，ACCase羧基转移酶区域内的异亮氨酸替换亮氨酸使燕麦、狗尾草和黑麦草产生抗性[4-5]。杂草对ACCase抑制除草剂的抗性具有2个明显特点：第一，抗性发展迅速，产生抗性的杂草种类多分布广，且能对新研发的同类靶标除草剂产生抗性。第二，抗性存在多抗性和交叉抗性的问题[6]。ACCase 抑制除草剂主要产品有炔草酯、氰氟草酯、精噁唑禾草灵、精喹禾灵、烯草酮、烯禾啶等。ACCase 抑制剂除草剂使用不当会造成农作物叶白化、扭曲，甚至干枯死亡。使用时要严格根据说明书使用。

1.2 杂草对ALS抑制除草剂的抗性

抑制ALS 的除草剂可以阻止异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸的合成，导致杂草死亡[7]。迄今为止许多杂草对ALS抑制剂的抗药性是由靶点改变引起的。据报道，在黑麦草的基因中观察到具有对ALS 抑制剂抗性的靶位突变[8]。此位点不是酶的催化位点而是独立的除草剂结合位点，这就导致当突变发生时，区域内的每一种氨基酸的替换都有不同的交叉抗性模式，同时并不影响植物体内酶的活性。氨基酸替换的灵活性和酶保持活性可能是导致杂草对这类除草剂的抗性迅速上升的原因。ALS抑制除草剂产品有苯磺隆、苄嘧磺隆、氯吡嘧磺隆、烟嘧磺隆、吡嘧磺隆、甲基二磺隆和双草醚等，ALS抑制剂除草剂在水稻田使用不当则会造成水稻叶尖干枯、植株黄化、蹲苗等现象。

1.3 杂草对光合作用抑制除草剂的抗性

对光合作用的抑制剂的作用靶标主要是抑制光合系统Ⅰ（PSⅠ）、光合系统Ⅱ（PSⅡ）、三磷酸腺苷的合成及影响原还原卟啉氧化酶这四种。市面上对光合作用抑制除草剂主要是抑制光合系统Ⅱ。针对光系统Ⅱ的除草剂会抑制光系统Ⅱ的还原侧，这类除草剂对特异位点的亲和力高于杂草本身，结合后改变蛋白质的氨基酸结构，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）不能合成，进而阻止二氧化碳的固定，导致植物不能正常进行光合作用[9]。由于此类除草剂的长期使用，多种杂草对PSⅡ抑制除草剂产生不同程度的抗性。针对光系统Ⅱ的除草剂有莠去津、扑草净、特丁津、莠灭净和灭草松等。针对光系统Ⅰ的除草剂有百草枯、敌草快。此类除草剂在土壤中残留时间长，对后茬敏感作物会造成危害，需要合理规划种植方案。

1.4 杂草对细胞分裂抑制除草剂的抗性

抑制细胞分裂的除草剂可以直接作用于构成纺锤体的微管和微管形成中心等部位，使其功能丧失。细胞分裂抑制剂是通过与特异点结合，影响微管蛋白的功能，促使细胞向多极或不均等分裂，从而使植物无法进行正常的新陈代谢，最后枯死。但杂草基因序列中的特定碱基变化可以对除草剂进行抵抗，例如α-微管蛋白中第239位的氨基酸从苏氨酸替换为异亮氨酸，可以引起α-微管蛋白分子表面的构象变化，阻止除草剂特异结合，最终微管蛋白功能不受除草剂影响，细胞正常分裂。据报道，苏氨酸替换为异亮氨酸可引起杂草对二硝基萘胺类除草剂的抗性，而蛋氨酸替代苏氨酸可引起杂草对氟乐灵产生抗性[10-11]。氟乐灵、二甲戊灵、异丙甲草胺、氯苯胺灵、敌草胺、草萘胺是这类除草剂的代表产品。此类除草剂是当前使用最多的除草剂种类之一，但此类除草剂使用时对土壤湿度有一定的要求，干旱会降低药效，湿度过大又会产生药害，需要时刻注意土壤环境变化，才能发挥功效。

1.5 杂草对生长素类抑制除草剂的抗性

生长素抑制除草剂最常用于控制各种作物和非农田地区的阔叶杂草。目前共有超过40种杂草被证实对生长素抑制除草剂具有抗性[12]。Popay等[13]报告在新西兰观察到了杂草对生长素类除草剂耐受性增强的现象。杂草对生长素类除草剂产生抗性的原因很可能和生长素结合蛋白的突变有关[14]。在这种情况下，生长素受体不仅不与生长素类除草剂结合，也不与内源性生长素结合。这意味着杂草在获得抗性的同时也付出巨大的代价。该类除草剂的代表产品是萘草胺、氟吡草腙、麦草畏和二氯喹啉酸等。生长素抑制类除草剂残留时间长，过量使用会造成农田中动物的生长异常，破坏农田生态链。

1.6 杂草增强新陈代谢抵抗除草剂

大多数的酶是除草剂的作用靶标，但是酶在植物体内也起到代谢外源物质和有害物质的作用。解毒酶在除草剂进入植物细胞后对其进行修饰或分解，酶执行这项任务的速度将决定植物的生存或死亡。杂草如果以更快的速度代谢除草剂，就可以在除草剂处理后存活。这种能力被叫做杂草代谢抗性。

参与植物异源代谢的主要酶是细胞色素P450单加氧酶和谷胱甘肽S-转移酶（GST），其中细胞色素P450 单加氧酶与除草剂代谢有关。研究发现在一些表现出抗除草剂的杂草中细胞色素P450单加氧酶活性增强，这意味着细胞色素P450单加氧酶增加可以更快的代谢除草剂，从而达到抗除草剂的目的[15]。草甘膦是一种非选择性、无残留灭生性除草剂，是世界上使用量最大的除草剂。但草甘膦的大量使用促进了杂草的草甘膦抗性进化。

1.7 杂草转运机制抵抗除草剂

内吸式除草剂是非常高效的除草剂，草甘膦就是其中的佼佼者。草甘膦是一种非选择性、无残留灭生性除草剂，是世界上使用量最大的除草剂。但草甘膦的大量使用促进了杂草的草甘膦抗性进化。有研究表明杂草产生草甘膦抗性的一种可能是杂草改变了草甘膦在植物体内的转运途径。抗草甘膦的瑞士黑麦草和小蓬草减少向分生组织和叶基运输草甘膦，从而避免草甘膦对植物关键部位的伤害[16，17]。目前，由于草甘膦的高效性，只有少数杂草产生这种抗性，但草甘膦的大量使用，正使得抗草甘膦杂草种类持续增加。具有转运机制的杂草可能比普通抗性杂草更难清除，这对新型除草剂开发是一个挑战。

2 新型除草剂开发挑战

2.1 杂草多重抗性

多重抗性是指杂草具有存在多种抗性机制，可以对两种或两种以上不同作用机制除草剂产生抗性。使用除草剂A后，杂草对除草剂A 产生抗药性。使用除草剂B后，该杂草又对除草剂B 产生了抗药性。对ACCase 抑制剂和ALS抑制剂具有抗性的杂草生物型被视为具有多重抗性，同时具有靶点抗性和强化代谢抗性的杂草也属于具有多重抗性杂草。Tan等[18]已经发现了一个关于黑麦草多重抗性的例子，该类黑麦草可以同时抵抗ACCase抑制剂和ALS抑制剂这两种不同类型的除草剂。

2.2 杂草交叉抗性

交叉抗性是指在一种除草剂选择下，杂草对该种除草剂产生抗性后，对其他除草剂也产生抗药性。使用除草剂A后，杂草对除草剂A产生了抗药性，同时对未使用过的除草剂B 也产生抗药性，可在同类除草剂的不同品种间发生，也可在不同类型除草剂间发生。ALS 抑制除草剂有三种类型，咪唑啉酮类、三吡并嘧啶类和磺酰脲类，上世纪英国和荷兰就已经发现鼠尾看麦娘对磺酰脲类除草剂出现抗性后，也具有了能抵抗其余两种类型除草剂的能力，出现交叉抗性。随着不同类型除草剂的联合使用，具有多重抗性和交叉抗性的杂草种类将会持续增加，新型除草剂开发面临着巨大挑战。

3 杂草防治对策

3.1 防治原则

抗性防治采取“综合治理，合理用药，动态监控”的原则。因为杂草产生除草剂抗性是由多种因素决定的，既取决于杂草本身的抗性能力，又取决于除草剂本身的作用靶标和植物生长环境的诸多影响因素[6]。同时，要求施用者对用除草剂类型和除草剂剂量进行评估，做到合理用药，防止过度用药造成农田污染。最后，在用药的过程中实时监控，根据田间杂草的情况斟酌用药。

3.2 综合防治措施

轮换不同作用靶标类型的除草剂，防止长期使用同类型的除草剂使杂草产生抗性。动态监控田间的杂草情况和用药记录。根据田间实际出现的杂草进行用药，明确土地杂草情况，详细记录该地不同年份的用药品种，次数，频率。合理的耕作制度，如轮作等农业防治策略。推广除草剂增效剂，如预处理非离子表面活性剂。诱导增强作物体内细胞色素P450和谷胱甘肽S-转移酶（GST）等解毒酶的活性。建立农田抗性评估体系。开展田间风险评估，明确该地抗除草剂发生的频率和抗性水平，根据风险水平制定抗性治理策略。发展智慧农业。采用无人机和神经网络结合的手段，实时监控田间杂草情况，训练无人机神经网络，用机械防除代替除草剂防除。

4 未来展望

除草剂的大量施用虽然在一定程度上提高了作物产量，但随之而来的是抗性杂草出现和土地污染。过去的50 年里，抗性杂草的出现促使人们将杂草控制视为一个综合过程。这个过程中，人们需要同时考虑化学控制手段与非化学手段以达到防治的目的。虽然有关抗性的治理已经有很多的方案，但杂草抗性治理的未来发展不容乐观。因为随着作物生产成本提高和可用活性成分数量的不断减少，除草剂的目标位点数量有限，在可预见的未来，抗性杂草会持续增加。杂草种群处于一个不断变化的状态，其抗性发展无可避免，杂草的多重抗性和交叉抗性也对新型除草剂研发产生巨大的阻碍。除草剂抗性杂草是所有农业及相关人员面临的一个严峻问题，应该更科学的防治杂草，尽量减少除草剂的使用，减缓抗性杂草的出现速度。