咪唑啉酮類除草劑及其抗性作物的發(fā)展現(xiàn)狀

宋 慧，李海峰，付 楠，魏萌涵，邢 璐，劉金榮

（安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南省谷子育種工程技術(shù)研究中心，河南 安陽 455000）

隨著我國農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的深入推進(jìn)，土地流轉(zhuǎn)速度的加快，作物生產(chǎn)急需向規(guī)模化、輕簡化方向發(fā)展[1，2]。常規(guī)除草劑受殺草譜及其作用機(jī)理的影響，很難防除作物田中的惡性雜草以及在分類學(xué)和生理學(xué)上與作物本身十分相似的雜草，如油菜田的野生芥菜和臭草，水稻田的稗草和赤米稻，小麥田的雀麥和山羊草等。通常惡性雜草暴發(fā)的田塊只能選擇人工除草，效率低下，難以適用于規(guī)模化生產(chǎn)，再加上如果苗期遇到連陰雨天氣，易發(fā)生草荒造成減產(chǎn)甚至絕收。同時，除草劑的殘留易對后茬作物造成藥害，嚴(yán)重阻礙了規(guī)模化生產(chǎn)中輪作制度的正常進(jìn)行。通過除草劑與抗除草劑作物的組合應(yīng)用，可以很好地解決這一難題。

國內(nèi)外科學(xué)家對抗除草劑作物育種進(jìn)行了大量研究，先后采用常規(guī)手段培育出抗拿撲凈、抗阿特拉津、抗氟樂靈作物新品種和新品系，但由于抗性低、產(chǎn)量損失大等原因，均未在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用。咪唑啉酮類除草劑是一類高活性、低毒、廣譜性除草劑，獨(dú)具兼殺單雙子葉雜草的優(yōu)勢，抗咪唑啉酮類除草劑作物的成功開發(fā)大大地?cái)U(kuò)展了該類除草劑的殺草譜，二者組合能有效防除一些作物田中其他除草劑無效的雜草，極大地滿足了作物規(guī)模化、輕簡化發(fā)展的需求[3]。對我國目前咪唑啉酮類除草劑作物的發(fā)展現(xiàn)狀及抗咪唑啉酮類除草劑作物的選育進(jìn)行了梳理和分析，并對咪唑啉酮類除草劑及其抗性作物未來的研究方向提出了展望。

1 咪唑啉酮類除草劑的推廣和應(yīng)用

20世紀(jì)80年代初期，美國氰胺公司成功開發(fā)出了咪唑啉酮類除草劑。該類除草劑既可做土壤處理劑，又可莖葉噴施，具有除草效率高、使用劑量低、毒性小、使用方便等特點(diǎn)[4]，可用于大豆、苜蓿、花生等旱田作物防除眾多的1 a生和多年生禾本科雜草以及闊葉雜草和莎草科雜草。20世紀(jì)90年代，我國開始批量進(jìn)口咪唑乙煙酸，并在東北地區(qū)大面積推廣。近年來，國產(chǎn)咪唑乙煙酸研制成功，其價格低廉，且除草效果良好，因此消費(fèi)量大增，已成為我國東北和內(nèi)蒙地區(qū)干旱半干旱區(qū)大豆田的主導(dǎo)除草劑產(chǎn)品。甲咪唑煙酸是花生田防除雜草的理想除草劑之一，尤其是對花生田1 a生禾本科雜草、莎草及闊葉雜草有較好防效[5]，對惡性雜草香附子防除效果也較好[6]。

咪唑啉酮類除草劑雖然是一類高效低毒性的除草劑，但在土壤中殘留易對后茬作物造成藥害。如甲咪唑煙酸在土壤中殘留會導(dǎo)致小麥干物質(zhì)積累減少，根冠比下降，光合速率降低[7]。種植抗咪唑啉酮類除草劑的作物可避免除草劑殘留藥害的發(fā)生，如含XA17基因的抗咪唑啉酮玉米不僅可以抵抗咪唑啉酮類除草劑的藥害，還可以防止磺酰脲除草劑的殘留藥害。因此，加強(qiáng)對咪唑啉酮類除草劑抗性作物的選育，對于該類除草劑的推廣應(yīng)用大有裨益。

2 抗咪唑啉酮類除草劑作物的選育

咪唑啉酮類除草劑作用機(jī)理是在作物體內(nèi)產(chǎn)生乙酰乳酸合成酶，阻止植株支鏈氨基酸和蛋白質(zhì)的合成，進(jìn)而干擾DNA合成以及細(xì)胞分裂與生長，導(dǎo)致植株死亡[8]。正是由于咪唑啉酮類除草劑作用位點(diǎn)單一，長期使用極易讓雜草產(chǎn)生抗藥性，因此，研究者將其作為誘變劑誘導(dǎo)作物產(chǎn)生抗性，為選育非轉(zhuǎn)基因抗除草劑品種提供了思路[9，10]。

Fran?ois Tardif和Hugh Beckie等從野生青狗尾草中發(fā)現(xiàn)一系列具有咪唑乙煙酸（Imazethapyr） 抗性的突變材料。這些野生青狗尾草材料引入中國后，通過抗咪唑乙煙酸狗尾草與谷子進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交，創(chuàng)制出抗咪唑乙煙酸的谷子育種材料，然后通過回交轉(zhuǎn)育到常規(guī)品種，經(jīng)多代自交回交，淘汰分離單株直至性狀穩(wěn)定，從而獲得抗咪唑乙煙酸且農(nóng)藝性狀優(yōu)良的新品系[11]。以抗咪唑乙煙酸谷子材料為母本、抗單子葉雜草除草劑的谷子材料為父本，通過雜交選育，獲得雙抗除草劑的優(yōu)質(zhì)新品系。河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所于2015年最先育成了抗咪唑乙煙酸谷子品種冀谷33和冀谷35，之后又育成了冀谷系列抗除草劑優(yōu)質(zhì)谷子新品種冀谷39等[12，13]。目前已有多家育種機(jī)構(gòu)成功選育出了抗咪唑乙煙酸谷子品種，如承谷14、承谷15、滄谷7、九谷26和遼谷62等，其中安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所選育出了10多個抗咪唑乙煙酸苗頭品系，有1份材料正在參加河南省區(qū)試試驗(yàn)，綜合性狀表現(xiàn)良好。

目前，在油菜[14]、水稻[15]、小麥和向日葵[16]等作物上均已成功開發(fā)出了抗咪唑啉酮類除草劑新品種，另外在甜菜、萵苣、大豆等作物中也發(fā)現(xiàn)了抗咪唑啉酮類除草劑的突變體[17]，這些商品化的抗除草劑作物都是利用自然突變或化學(xué)誘變等常規(guī)育種技術(shù)選育而成的。

大多數(shù)歐盟成員國以及日本、韓國和新西蘭等反對轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物，尤其反對抗草甘膦作物的引進(jìn)，但對于抗咪唑啉酮類除草劑作物基本上持寬容態(tài)度[18]。歐共體禁止轉(zhuǎn)基因作物食品進(jìn)入，但對花粉誘變、離體選擇而成的抗除草劑作物的進(jìn)入沒有嚴(yán)格限制?？惯溥蜻惓輨┳魑锸峭ㄟ^細(xì)胞培養(yǎng)、花粉誘變、小孢子誘變、種子化學(xué)誘變等常規(guī)雜交方法，誘導(dǎo)靶標(biāo)抗性AHAS基因突變選育而成的，而非轉(zhuǎn)基因選育。其是非轉(zhuǎn)基因抗（耐）除草劑作物選育和推廣中最成功的案例，特別是耐咪唑啉酮水稻，在美國、加拿大和巴西等國家均已大面積種植[19，20]，2008年在美國阿肯色州的種植面積已占該區(qū)水稻種植總面積的1/3，在哥斯達(dá)黎加的種植面積占其水稻種植總面積的22%。由此可見，抗咪唑啉酮類除草劑作物的應(yīng)用前景十分廣闊。

3 抗咪唑啉酮基因標(biāo)記的開發(fā)和應(yīng)用

分子標(biāo)記輔助選擇（marker-assisted selection，MAS）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于品種純度鑒定和抗性資源選育過程，可縮短育種時間，節(jié)省成本。

Hattori等[21]和Swanson等[22]對油菜小孢子進(jìn)行化學(xué)誘變，獲得了2個抗咪唑啉酮類除草劑的突變體PM1和PM2，這2個突變體都是由于ALS基因點(diǎn)突變而成，其中，PM1的BnALS1基因第653位Ser發(fā)生突變，PM2的BnALS3基因第574位Trp發(fā)生突變。有研究報(bào)道，PM2的耐藥性水平明顯高于PM1，當(dāng)它們同時存在于同一植株上且為純合子時，其表現(xiàn)出對咪唑啉酮類除草劑最大的抗性[23]。除了化學(xué)誘變，自然突變也是獲得抗ALS類除草劑突變體的途徑，油菜株系M9的咪唑啉酮抗性是由除草劑誘發(fā)的自然突變獲得[24，25]，其獲得途徑與向日葵抗性突變體IMISUN-1、IMISUN-2和RW-B的獲得途徑相同[26]。胡茂龍等[14]從M9中克隆到抗性基因BnALS1R，發(fā)現(xiàn)有一處堿基突變，導(dǎo)致ASL1的第638位絲氨酸殘基被天冬酰胺酸替代，根據(jù)該處點(diǎn)突變，開發(fā)的AS-PCR標(biāo)記將促進(jìn)油菜抗除草劑分子標(biāo)記輔助選擇育種。

王芳權(quán)等[15]保留F2中ALS-A純合單株，連續(xù)自交，快速獲得了除草劑抗性穩(wěn)定的水稻材料。師志剛等[27]開發(fā)的抗咪唑乙煙酸基因的CAPs分子標(biāo)記有利于篩選抗性純合單株，能夠建立精準(zhǔn)鑒定抗、感、雜合咪唑乙煙酸谷子的方法，為分子標(biāo)記輔助育種培育抗咪唑乙煙酸谷子新品種奠定了基礎(chǔ)。陳濤等[28]利用四引物擴(kuò)增受阻突變體系PCR技術(shù)，設(shè)計(jì)出能區(qū)分3種不同基因型的分子標(biāo)記，通過一步簡單擴(kuò)增實(shí)現(xiàn)了對抗咪唑啉酮類除草劑水稻的快速、準(zhǔn)確鑒定。

4 展望

咪唑啉酮類除草劑具有高效廣譜的特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。但是其在土壤中殘留活性較長，長期使用會對作物造成藥害，制約后茬作物的種植?？惯溥蜻惓輨┳魑锏倪x育可有效解決咪唑啉酮類除草劑殘留的問題。未來對于咪唑啉酮類除草劑及其抗性作物的研究，還可以從以下幾個方面進(jìn)行：

（1）開展微生物降解土壤中殘留咪唑啉酮類除草劑的研究。微生物降解是土壤中殘留咪唑啉酮類除草劑的主要降解途徑，因此，加快構(gòu)建多功能高效降解菌群，篩選高活性的新菌種，對于解決其殘留藥害問題和改善土壤環(huán)境具有重要意義。

（2）開展抗咪唑啉酮類除草劑突變體的研究。所有商品化的抗咪唑啉酮類除草劑作物的選育方法雖然各有不同，但其抗性機(jī)制都是靶標(biāo)抗性AHAS基因突變。據(jù)此，可進(jìn)一步開發(fā)出更多的抗咪唑啉酮類除草劑作物。

（3） 開展抗咪唑啉酮類作物應(yīng)用管理規(guī)范的研究。隨著抗咪唑啉酮類作物的廣泛應(yīng)用，親緣雜草與抗咪唑啉酮類作物間交互授粉，可能引起抗性基因的流動。因此，如何合理、規(guī)范地應(yīng)用抗咪唑啉酮類作物，防止雜草產(chǎn)生抗藥性是未來研究的一個重要方向。