稻田稗草對二氯喹啉酸的抗藥性研究進展

羅 沙, 余柳青, 劉都才, 何可佳

(1.中國水稻研究所,杭州 310006; 2.湖南省植物保護研究所,長沙 410125;3.湖南農(nóng)業(yè)大學生物安全科學技術學院,長沙 410125)

稗草(Echinochloa spp.)是世界性惡性雜草[1],危害水稻、大豆、棉花、玉米、小麥等農(nóng)作物,造成作物減產(chǎn),對水稻的影響尤為嚴重。以雜交稻為例,每穴3～4株秧苗中若夾帶有1株稗草,水稻將減產(chǎn)42.64%～93.59%,平均減產(chǎn)62.90%[2]。因此,國內(nèi)外都十分重視防治稗草的各種除草劑的開發(fā)和研究,各種新的除稗劑也在不斷出現(xiàn),二氯喹啉酸是稻田應用最為廣泛的除稗劑之一[3]。

二氯喹啉酸(quinclorac),化學名稱為3,7-二氯-8-喹啉羧酸(3,7-dichloro-8-quinolinecarboxylic acid),是德國巴斯夫公司于1984年開發(fā)的一種新型選擇性苗后處理除草劑,屬于激素型喹啉羧酸類藥劑。對陸生動物急性毒性試驗結果顯示,二氯喹啉酸是一種低毒農(nóng)藥。其原藥大鼠經(jīng)口LD50為2 190 mg/kg(雌),3 060 mg/kg(雄),大鼠急性經(jīng)皮 LD50為 2 000 mg/kg,大鼠急性吸入LC50＞5.17 mg/m3(4 h)。二氯喹啉酸對水生植物生物量和生產(chǎn)力有一定影響,并對水生動物種群可產(chǎn)生不利影響[4]。

二氯喹啉酸主要用于防治水稻田中的稗草和部分闊葉類雜草,對4～6葉期稗草有特效,具有用量少、殘效期長、施用適期寬等優(yōu)點,已在亞洲、南美洲、北美洲、歐洲稻區(qū)應用多年[5-6]。隨著使用年限的增加,部分地區(qū)稻田稗草因選擇壓力和遺傳因素對二氯喹啉酸產(chǎn)生了抗藥性,且情況日益嚴重,世界各主要稻區(qū)均有抗性稗草產(chǎn)生的相關報道。目前,二氯喹啉酸抗性問題已經(jīng)引起廣泛關注,對其作用機理、抗性產(chǎn)生原因以及抗性遺傳基因等有了一定的研究,為抗性稗草的防治打下了基礎。

1 二氯喹啉酸作用機理和選擇機制

1.1 二氯喹啉酸的作用機理

二氯喹啉酸是一種典型的激素類型除草劑,雜草中毒后癥狀與過量生長素作用類似。高濃度時表現(xiàn)為對細胞、節(jié)間延伸乃至葉、莖生長的抑制,并最終使植株黃萎、壞死[7],低濃度時則會促進植物生長。

對于二氯喹啉酸的作用機理,目前仍存在一些爭論。Koo等用14C標記稗草根部細胞中細胞壁合成的主要成分葡萄糖,發(fā)現(xiàn)在二氯喹啉酸處理6 h后稗草根部的細胞壁生物合成減少了60%～73%,因此他認為二氯喹啉酸是一種細胞壁生物合成抑制劑[8]。但Klaus Grossmann等人在稗草3葉期時施用二氯喹啉酸后發(fā)現(xiàn),植株嫩芽生長受到抑制與其體內(nèi)ACC(1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸)合成酶的活性、乙烯及氰化物的濃度有密切的關聯(lián),說明二氯喹啉酸通過影響植株體內(nèi)的乙烯生物合成過程達到防治的效果;而進一步的研究也證明,對靶標植物施用后,二氯喹啉酸能快速地被植物的芽、根、葉片及嫩枝吸收進入體內(nèi)并能同時向上、向下傳導,刺激植株體內(nèi)ACC合成酶的活性,在該酶的催化下,ACC被迅速氧化成乙烯,并產(chǎn)生一種副產(chǎn)物——氰化物,氰化物對植物有毒,當其快速累積到一定量時,便會使植株特別是幼嫩組織發(fā)黃、枯萎直至死亡[9-11]。而且Klaus Grossmann等還認為二氯喹啉酸對稗草根部的抑制效果應該是氰化物毒害植物細胞的次生效應,而不是二氯喹啉酸作用機理的一部分[12]。

1.2 二氯喹啉酸的選擇機制

二氯喹啉酸具有高度的選擇性,對水稻十分安全。研究表明,對分離出來的稗草的芽和根用二氯喹啉酸處理后,只有根部組織中的ACC合成酶活性提高,且芽、根組織中二氯喹啉酸的新陳代謝并無質量和數(shù)量上的不同。因此,二氯喹啉酸在稗草中的主要作用位點為根部,其產(chǎn)生的乙烯和氰化物卻通過向頂端傳輸在芽組織中積累;而不論是完整的水稻植株或分離的水稻根、芽組織,二氯喹啉酸都沒有引起乙烯或是ACC酶活性的改變。說明靶標作用位點對于ACC合成酶不同的靈敏度造成了二氯喹啉酸在稗草和水稻之間的選擇性。另外,水稻體內(nèi)最主要的氰化物解毒酶β-氰丙氨酸(β-cyanoalanine)合成酶的活性更高,也有可能是水稻對二氯喹啉酸具有耐受性的原因之一[8,13-15]。

2 稗草對二氯喹啉酸的抗藥性現(xiàn)狀

二氯喹啉酸在世界范圍內(nèi)廣泛應用多年,各地均有抗藥性產(chǎn)生的相關報道。1992年,西班牙南部單季稻區(qū)發(fā)現(xiàn)兩種對二氯喹啉酸產(chǎn)生抗性的稗草生物型R型和I型和另一種對二氯喹啉酸及阿特拉津均有抗性的稗草生物型X型,三者的抗性倍數(shù)分別為26、6、10倍[16]。美國和歐洲南部部分地區(qū)多種稗草生物型或稗屬雜草對二氯喹啉酸的敏感度也大大降低[17]。

2001年,哥倫比亞水稻產(chǎn)區(qū)發(fā)現(xiàn)至少3種對二氯喹啉酸有一定抗性的稗草生物型;而在南美洲最主要的水稻生產(chǎn)國巴西,二氯喹啉酸應用非常廣泛,其抗性情況更加嚴重。到2001年,巴西全國大約70%的水稻產(chǎn)區(qū)使用二氯喹啉酸進行稗草防除,二氯喹啉酸抗性雜草在其國內(nèi)泛濫成災,其中最嚴重的是 Santa Vitoria do Palmar、Jaguarao、Camaqua、Mostardas 4個地區(qū),這些地區(qū)二氯喹啉酸的使用年限均在10年以上,目前二氯喹啉酸對該地區(qū)稗草已基本失效[18-20]。

20世紀80年代后期,我國開始引進二氯喹啉酸防除稻田雜草,因其對大齡稗草防除效果好且易于管理,很快開始大面積推廣使用,至今已連續(xù)廣泛使用20余年[21]。近年來,隨著使用年限增加和人為過量施用等因素影響,稗草對其產(chǎn)生了抗藥性,國內(nèi)各主要水稻產(chǎn)區(qū)均有二氯喹啉酸抗性產(chǎn)生的報道。

李擁兵等連續(xù)2年對湖南省稻區(qū)部分地區(qū)稗草對二氯喹啉酸的抗性水平進行測定,3種不同的生物測定方法(瓊脂法、莖葉噴霧法、田間小區(qū)測定法)結果表明湖南安鄉(xiāng)稗草生物型已對二氯喹啉酸產(chǎn)生了極為明顯的抗性;瓊脂法測定后發(fā)現(xiàn)常德市郊、漢壽縣、長沙縣高橋鎮(zhèn)和春華鎮(zhèn)的稗草生物型對二氯喹啉酸也有一定的抗性,相對抗性倍數(shù)比值在2.15～2.78;而湖南省其他地區(qū)稗草生物型對二氯喹啉酸仍較敏感[22]。

吳聲敢等用瓊脂法測定了長江中下游43個稻區(qū)稗草對二氯喹啉酸的抗性,進一步驗證了湖南安鄉(xiāng)稗草對二氯喹啉酸的抗藥性已達高抗水平,而2003年采自浙江陶堰和塘下的稗草對二氯喹啉酸的抗性比更是分別高達718.48和695.84,遠高于我國早期報道的有關稗草對二氯喹啉酸的抗性程度,其余如江蘇、安徽等地區(qū)的稗草對二氯喹啉酸的敏感性也正逐年下降[23-24]。

董海等的試驗結果表明遼寧省部分稻區(qū)的長芒稗(E.caudata Roshev.)、稻稗[E.oryzicola(Ard.)Fritsch]及無芒稗[E.crusgalli(L.)Beauv.var.mitis(Pursh.)Petrm.]對二氯喹啉酸都產(chǎn)生了一定程度的抗性,但抗性水平不高[25];另外陸保理等發(fā)現(xiàn)上海市嘉定地區(qū)直播稻田中的稗草對二氯喹啉酸也產(chǎn)生了一定程度的抗藥性,其強度可能屬于中抗水平[26]。

3 稗草對二氯喹啉酸的抗性機理及遺傳學分析

關于稗草對二氯喹啉酸產(chǎn)生抗性的機理,目前存在兩種觀點：一種觀點認為抗性稗草和敏感稗草對二氯喹啉酸的吸收、傳導、新陳代謝等方面并無差異[10,29],是抗性稗草靶標位點的ACC合成酶對二氯喹啉酸的刺激產(chǎn)生鈍性,導致ACC合成酶活性下降,從而無法積累足夠的氰化物使植物中毒。

另一種觀點則認為稗草對二氯喹啉酸產(chǎn)生抗性與β-氰丙氨酸合成酶的活性有關,該酶是植物體內(nèi)自行降解氰化物的關鍵性酶,在它的催化下,氰化物與半胱氨酸反應生成硫化氫和β-氰丙氨酸。因此,β-氰丙氨酸合成酶活性越高,氰化物代謝越快。Ibrahim Abdallah等人研究發(fā)現(xiàn),抗性雜草的β-氰丙氨酸合成酶的活性是敏感性雜草的4倍,從而有力地證明了這一觀點[27]。

一般來說,雜草的抗藥性遺傳大多為單獨的1對顯性或共顯性的等位基因控制[31],但二氯喹啉酸的抗性遺傳卻不同。L L Van Eerd等人用經(jīng)典孟德爾實驗方法對抗性雜草作遺傳學分析,發(fā)現(xiàn)F2代中 R(resistance,抗性生物型)：S(susceptible,敏感生物型)為1∶3,表明二氯喹啉酸抗性基因為單一的隱性基因;當以抗性生物型為親本自花授粉時,其后代中沒有敏感生物型出現(xiàn),而當以敏感生物型為親本自花授粉,后代中也沒有抗性生物型出現(xiàn),因此,該抗性基因應為純合子[7]。

4 我國稻田稗草抗藥性治理的對策

稗草是我國稻田危害最嚴重的雜草。其難以防控的原因,一是水稻栽培方式的改變,旱直播、機械插秧、拋秧等都采用了前期土壤濕潤無水層或淺水層的水管理方式,這非常有利于稗草的萌發(fā)、出苗和生長;二是普遍使用一次性除草劑,即二元或三元復配劑,這類產(chǎn)品中的殺稗草的有效成分使用劑量通常明顯低于相同單劑的使用劑量,導致對稗草的防效明顯低于單劑,造成殘存稗草的再次危害;三是防除稗草的苗后莖葉處理除草劑品種少,除二氯喹啉酸外,其他殺稗劑如敵稗、禾草敵、殺草丹等由于各種原因使用量很少。

長期單一使用二氯喹啉酸,導致稗草對二氯喹啉酸的抗性水平日趨嚴重。農(nóng)民為了提高防治稗草的效果,只好增加使用劑量。但增加使用劑量后,一方面成本增加,另一方面造成對水稻的藥害,導致水稻減產(chǎn)。

近幾年引進和投放市場的新除草劑氰氟草酯和五氟磺草胺可以防除抗二氯喹啉酸的稗草。但氰氟草酯對稗草的防除效果不穩(wěn)定,僅對1.5～4葉期稗草有效,使用適期短。五氟磺草胺的成本較高,以667 m2田計算,二氯喹啉酸的成本為9元左右,而五氟磺草胺則高達16～24元,農(nóng)民難以承受。

我國稻田雜草的抗藥性治理應從以下幾方面著手：

加強適合我國新型水稻栽培方式的雜草防控技術的研究。調查掌握直播、機械插秧、拋秧等栽培方式條件下雜草的發(fā)生規(guī)律,水管理與雜草的關系,研究形成既有利于水稻生長又有利于雜草防控的水管理技術。

加強稗草對二氯喹啉酸抗性的監(jiān)測。在全國水稻主要產(chǎn)區(qū)開展稗草抗藥性生物型及其分布的調查,采集樣品,評價其抗性水平,確定其分布范圍。

開展稗草對二氯喹啉酸抗性機理的研究。采用酶分析技術探明抗性稗草主要作用酶的種類和變化趨勢,采用分子生物學方法探明抗性稗草主要酶結構的變化規(guī)律。

加強抗性稗草及其種群的防控技術研究與示范。評價確定適用于水稻新型栽培方式的苗前處理(pre-emergence)除草劑,這類除草劑對萌芽期和幼齡的抗藥性稗草活性很高,防治效果穩(wěn)定,殺草譜較寬,成本較低,具有很廣闊的應用前景。同時,研究形成有利于水稻高產(chǎn)和雜草防控的農(nóng)藝配套技術,如直播最佳播種量、機械插秧和拋秧的最佳栽插苗數(shù)、最佳水層深度和控制時間等。

推廣除草劑的輪用。對已產(chǎn)生抗性的稻區(qū),采用新型除草劑品種及其他不同作用方式的除草劑輪換使用,避免新型除草劑產(chǎn)生抗藥性;而未產(chǎn)生抗藥性的稻區(qū),也應提倡不同作用方式的除草劑的輪用,保持稗草作用位點的敏感性,延緩抗性的產(chǎn)生。

[1]楊小育.世界性惡性雜草的分布與危害[J].世界農(nóng)業(yè),1992(4)：40-42.

[2]胡進生,湯洪濤,繆松才,等.稻田稗草的發(fā)生危害及防除對策[J].雜草科學,1991(3)：32-33.

[3]于明,鄭龍植,孫桂梅,等.二氯喹啉酸防除稻田雜草試驗示范總結[J].農(nóng)藥,1995,34(1)：44-46.

[4]宋穩(wěn)成,余蘋中.二氯喹啉酸的生態(tài)毒理學研究進展[J].農(nóng)藥科學與管理,2006,25(9)：13-17.

[5]Grossmann K.Quinclorac belongs to a new class of highly seleetive auxin herbicides[J].Weed Science,1998,46：707-716.

[6]BASF日本公司.快殺稗毒性研究概要[J].農(nóng)藥譯叢,1991,13(5)：56-59.

[7]Van Eerd L L,M cLean M D,Stephenson G R,et al.Resistance to quinclorac and A LS-inhibitor herbicides in Galium spurium is conferred by two distinct genes[J].Weed Research,2004,44：355-365.

[8]Koo S J,Neal J C,DiT omaso J M.Mechanism of action and selectivity of quinclorac in grass roots[J].Pesticide Biochemistry and Physiology,1997,57(1)：44-53.

[9]G rossmann K,Kwiatkowski J.Evidence for a causative role of cyanide,derived from ethylene biosynthesis,in the herbicidal mode of action of quinclorac in barnyard grass[J].Pesticide Biochemistry and Phy siology,1995,51(2)：150-160.

[10]Grossmann K.The mode of action of quinclorac：a case study of a new auxin-ty pe herbicide[C]∥Cobb A H,Kirkwood R C,eds.Herbicides and their Mechanism of Action,CRC,Boca Raton,FL,2000：181-214.

[11]Hansen H,Grossmann K.Auxin-induced ethylene triggers abscisic acid biosynthesis and g rowth inhibition[J].Plant Physiology,2000,124：1437-1448.

[12]Stefan Tresch,Klaus Grossmann.Quinclorac does not inhibit cellulose(cell wall)biosy nthesis in sensitive barnyardg rass and maize roots[J].Pesticide Biochemistry and Phy siology,2003,75：73-78.

[13]Grossmann K,Florene S.Selective induction of 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid(ACC)sy nthase activity is involved in the selectivity of the auxin herbicide quinclorac between barnyardgrass and rice[J].Pesticide Biochemistry and Physiology,1997,58(2)：45-15.

[14]Grossmann K,Kwiatkowski J.The mechanism of quinclorac selectivity in grasses[J].Pesticide Biochemistry and Physiology,2000,66(2)：83-91.

[15]李擁兵,黃炳球.稗草抗藥性研究進展[J].世界農(nóng)藥,2001(3)：41-45.

[16]Nuria Lopez-Martinez,George M,Rafael De Prado.Resistance of barnyardgrass(Echinochloa crus-galli)to atrazine and quinclorac[J].Pesticide Science,1997,51：171-175.

[17]Nuria Lopez-Martinez,Prado R De,Rademacher W,et al.Differential response of echinochloa species and biotypes to quinclorac resistance[C].Abstract of the International Conference at IACR-Rothamsted 1997.Harpenden,Herts,UK.

[18]Valverde B E.Status and management of grass-weed herbicide resistance in Latin America[J].Weed Technology,2007,21：310-323.

[19]Valverde B E,Itoh K.World rice and herbicide resistance[M]∥Powles S R,Shaner D L,eds.Herbicide resistance and world grains.Boca Raton,FL：CRC.Press,2001 ：195-249.

[20]Menezes V G,Ramirez H V,Oliveira J C.Resistance Echinochloa crus-galli(L.)Beauv.to quinclorac in flooded rice in southern Brazil[C]∥Proceedings 2000 International Weed Science Congress,2000.

[21]蘇瑞芳,阮海根.快殺稗防除直播稻田稗草的研究[J].雜草學報,1991,5(3)：32-38.

[22]李擁兵,王小玲.湖南稻區(qū)稗草對二氯喹啉酸的抗藥性研究[J].植物保護,2004,30(3)：48-52.

[23]吳聲敢,王強,趙學平,等.浙江省稻田稗草對二氯喹啉酸的抗藥性[J].農(nóng)藥,2006,45(12)：859-861.

[24]吳聲敢,趙學平.我國長江中下游稻區(qū)稗草對二氯喹啉酸的抗藥性研究[J].雜草科學,2007(3)：25-26.

[25]董海,蔣愛麗,紀明山,等.遼寧省長芒稗對二氯喹啉酸的抗藥性研究[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學,2005(5)：6-8.

[26]陸保理,張建新,王玉香,等.直播稻田稗草對二氯喹啉酸抗性研究[J].雜草科學,2008(4)：31-32.

[27]Ibrahim A,Albert J F,Clyde L E,et al.Mechanism of resistance to quinclorac in smooth crabgrass(Digitaria ischaemum)[J].Pesticide Biochemistry and Physiology,2006,84：38-48.

[28]Peiser G D,Wang T T,Hoffman N E,et al.Formation of cyanide from carbon 1 of 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid during its conversion to ethylene[J].Proc Natl Acad Sci USA,1984,81：3059-3063.

[29]Nuria Lopez-Martinez,Salva A P,Finch R P,et al.Molecular markers indicate intraspecific variation in the control of Echinochloa spp.with quinclorac[J].Weed Science,1999,47：310-315.

[30]黃炳球,王小藝.我國稻區(qū)稗草的抗藥性值得重視[J].植物保護,2000,26(1)：36-38.

[31]Jasieniuk M,Brule-Babel A,Morrison I N.The evolution and genetics of herbicide resistance in weeds[J].Weed Science,1996,44：176-193.