全球抗草甘膦雜草的概況

張翼翾 編譯

(上海市農(nóng)藥研究所，上海 200032)

草甘膦無選擇性，具有內(nèi)吸性，是殺草譜最廣的芽后除草劑。其作用于莽草酸途徑，抑制葉綠體酶5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶(EPSP)，使芳香酸的合成受阻。草甘膦在1974年首次引入，當(dāng)時(shí)價(jià)格相對(duì)較高，只用于高價(jià)值的園藝作物(果園)和一些非作物場所；隨著價(jià)格的下降，被用于許多其他情況，包括作物播前和休耕地的雜草防除，可使種植者少耕地或不耕地。

在1996年引入了抗草甘膦大豆，其是開發(fā)和應(yīng)用最早的抗草甘膦作物，這樣草甘膦就可用于選擇性地芽后除草。在同一年，在每年都使用草甘膦且連續(xù)使用 15年的蘋果園中發(fā)現(xiàn)了首個(gè)抗草甘膦雜草——瑞士黑麥草(Lolium rigidum)，此例抗性與抗草甘膦作物無關(guān)。自此，全球抗草甘膦雜草品種穩(wěn)定增長(圖1)，其中大部分是由于在抗草甘膦作物田中草甘膦的使用增加所致。草甘膦防效高，殺草譜廣，成本低，很快在抗草甘膦大豆、玉米、棉花、油菜和甜菜田應(yīng)用?？共莞熟⒆魑锏囊胧闺s草防治成本降低，對(duì)新除草劑的引入具有不利的影響，致使除草劑發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目(圖2)減少。如果不是抗草甘膦雜草的產(chǎn)生，新除草劑開發(fā)的減少將不會(huì)成為大的問題，然而，抗草甘膦雜草的出現(xiàn)以及在30多年中新作用位點(diǎn)除草劑的缺乏使作物受到抗性雜草的危害越來越嚴(yán)重。

1 抗草甘膦雜草發(fā)生的國家

國際抗性雜草調(diào)查網(wǎng)站(http://www.weedscience.org)有全球抗除草劑雜草發(fā)生情況。此調(diào)查數(shù)據(jù)是雜草科學(xué)家根據(jù)網(wǎng)站(http://www.weedscience.com/Documents/Resistance Criterion.pdf)上的調(diào)查要求進(jìn)行重復(fù)田間試驗(yàn)驗(yàn)證的除草劑抗性所得到的。毫無疑問，調(diào)查數(shù)據(jù)要低于真實(shí)數(shù)據(jù)，因?yàn)樵S多抗性事例還沒有得到科學(xué)證實(shí)，或沒有呈交給網(wǎng)站，特別是不發(fā)達(dá)國家的抗性例。有38個(gè)雜草品種對(duì)草甘膦產(chǎn)生了抗性，其中單子葉雜草 18種，雙子葉雜草20種(圖 1)。其中一半為抗草甘膦作物系統(tǒng)中的雜草，另一半為果園、農(nóng)場、谷物、休閑地和非作物場所。雖然抗草甘膦作物和其他作物系統(tǒng)中的抗性雜草種類數(shù)量相近，但抗草甘膦作物系統(tǒng)中的抗草甘膦雜草侵染的面積和造成的經(jīng)濟(jì)損失占 90%以上。美國、阿根廷、巴西和加拿大是種植抗草甘膦作物最早的國家，這4個(gè)國家是抗草甘膦雜草品種最多的前5位國家(圖3)，抗草甘膦雜草侵染的面積也最大?？共莞熟⒆魑镒钤缫朊绹?，并被廣泛種植，在美國抗草甘膦雜草問題也最嚴(yán)重。

1.1 美國

在美國有17種雜草對(duì)草甘膦產(chǎn)生了抗性(表1)。其中13種發(fā)生于抗草甘膦作物田中，7種在抗草甘膦作物和其他場所中都發(fā)現(xiàn)，4種只在其他場所發(fā)生(主要果園、路邊、高爾夫球場和休閑地)。在抗草甘膦作物體系中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)抗草甘膦雜草為小飛蓬(Conyza canadensis)，在2000年美國的特拉華州的抗草甘膦大豆田中發(fā)現(xiàn)。小飛蓬是分布最廣的抗草甘膦雜草，在11個(gè)國家和美國的25州發(fā)現(xiàn)。然而，由于具有有效的、費(fèi)用不高的可代替防治措施，其造成的經(jīng)濟(jì)損失不大。在2004年在美國佐治亞州的棉花田中首次發(fā)現(xiàn)抗草甘膦長芒莧(Amaranthus palmeri)，目前在美國的 27個(gè)州出現(xiàn)。此抗性雜草是全球經(jīng)濟(jì)危害最大的抗草甘膦雜草，一般發(fā)生在抗草甘膦棉花、玉米和大豆田中。糙果莧(Amaranthus tuberculatus)是另一重要的抗草甘膦雜草，是美國18個(gè)州的難防除雜草?？剐蚤L芒莧主要發(fā)生在美國南部州，而抗性糙果莧在北部州更常見，是中西部玉米和大豆生產(chǎn)中最大的威脅。2種莧都讓人不安，它們已對(duì)這些主要作物中使用的其他大部分作用位點(diǎn)的除草劑產(chǎn)生了抗性。國際抗性雜草調(diào)查數(shù)據(jù)庫中有許多植物對(duì)4個(gè)或更多作用位點(diǎn)的除草劑產(chǎn)生多抗的例子。

圖1 全球抗草甘膦雜草品種數(shù)量的增長情況

圖2 新作用位點(diǎn)除草劑的引入時(shí)間

在 2007年在美國堪薩斯州首次確定了抗草甘膦的地膚(Kochia scoparia)，現(xiàn)在在美國10個(gè)州出現(xiàn)。由于地膚具有“風(fēng)滾草”分散特性，故其擴(kuò)展速度特別快?？共莞熟⒚乐揠嗖?Ambrosia artemisiifolia)和三裂葉豚草(Ambrosia trifida)分別在美國的15個(gè)和25個(gè)州發(fā)現(xiàn)，二者分布雖然沒有白酒草屬(Conyza spp.)、莧屬(Amaranthus spp.)和地膚廣泛，但一旦發(fā)生就會(huì)對(duì)玉米和大豆生產(chǎn)產(chǎn)生毀滅性破壞。與這小飛蓬、莧屬和地膚相比，可能是抗性每周豚草和三裂葉豚草的種子和繁殖力大限制了其擴(kuò)展速度。

圖3 在抗草甘膦雜草品種數(shù)量最多的5個(gè)國家抗性雜草品種增加情況

表1 美國抗草甘膦雜草品種發(fā)生情況

1.2 澳大利亞

在澳大利亞瑞士黑麥草(Lolium rigidum )是第一個(gè)對(duì)草甘膦產(chǎn)生抗性的雜草，發(fā)生在新威爾士蘋果園。和美國不一樣，澳大利亞種植抗草甘膦作物的時(shí)間不長，草甘膦主要用于非選擇性除草。盡管如此，已有13種雜草對(duì)草甘膦產(chǎn)生了抗性(表2)，僅次于美國。在澳大利亞有這么多抗除草劑雜草的部分原因可能是澳大利亞有相對(duì)多的合格的雜草科學(xué)家在搜尋抗性雜草。在其他大多數(shù)國家，許多抗性事例可能被忽略。例如在澳大利亞在柵欄和路邊已確定5種抗草甘膦雜草。毫無疑問，在美國路邊許多抗草甘膦雜草未被發(fā)現(xiàn)。在澳大利亞抗草甘膦雜草多的另一原因(與美國相比澳大利亞農(nóng)田相對(duì)少)可能是使用的草甘膦劑量低于美國的南部和北部，這樣就形成了對(duì)比高水平抗性更易發(fā)展的低水平抗性機(jī)制的選擇。

表2 不同國家抗草甘膦雜草品種數(shù)量

1.3 阿根廷

在20世紀(jì)90年代末阿根廷快速地接納了抗草甘膦作物，到目前已有9種雜草對(duì)草甘膦產(chǎn)生了抗性，主要發(fā)生在抗草甘膦大豆田中?？共莞熟⒗吡?Sorghum halepense)廣泛分布于阿根廷北部大豆種植區(qū)。令人驚奇的是阿拉伯高粱是美國南部常見的雜草，報(bào)道在美國只有少數(shù)抗草甘膦事例。這是否是由于2個(gè)國家的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的不同導(dǎo)致抗性擴(kuò)展速度的差異，在阿根廷抗草甘膦阿拉伯高粱是通過污染的大豆種子和/或收割機(jī)擴(kuò)展所致，還需研究。在阿根廷，除了抗草甘膦阿拉伯高粱，其他抗草甘膦禾本科雜草[兩耳草(Digitaria insularis)、光頭稗(Echinochloa colona)、牛筋草(Eleusine indica)]也是抗草甘膦大豆田中重要的雜草。2個(gè)抗草甘膦莧屬品種(A. hybridus subsp. quitensis和長芒莧)在抗草甘膦玉米和大豆田越來越普遍，長芒莧被認(rèn)為是從美國進(jìn)口的受污染的大豆種子而引入阿根廷大豆田中。

1.4 巴西

和美國和阿根廷一樣，在巴西也出現(xiàn)了抗草甘膦雜草，這主要是由于在抗草甘膦大豆田中廣泛使用草甘膦所致。在巴西，在1999年就開始種植抗草甘膦大豆(最初是從阿根廷非法進(jìn)口種子)，到目前已確定8個(gè)抗草甘膦雜草品種。在抗草甘膦作物田中危害最嚴(yán)重的抗性雜草為白酒草屬[小飛蓬(C.canadensis)、野塘蒿(Conyza bonariensis)、蘇門白酒草(Conyza sumatrensis)]、兩耳草、牛筋草(E. indica)以及最近發(fā)生的長芒莧。

1.5 加拿大

和澳大利亞一樣，在加拿大少耕系統(tǒng)，很長時(shí)間以來在作物種子發(fā)芽以前應(yīng)用草甘膦進(jìn)行滅生性除草。因此，對(duì)草甘膦抗性形成了大的選擇壓。此外，加拿大已種植抗草甘膦作物，在安大略省主要為抗草甘膦大豆和玉米，在草原三省為抗草甘膦油菜。目前，在加拿大已報(bào)道有5種雜草對(duì)草甘膦產(chǎn)生了抗性，第1個(gè)為在安大略省抗草甘膦作物田中發(fā)現(xiàn)的三裂葉豚草(A. trifida)、以及在同一作物系統(tǒng)的小飛蓬、美洲豚草和糙果莧。在草原三省抗草甘膦油菜田中草甘膦抗性發(fā)展慢，這可能是種植者經(jīng)常輪作抗草甘膦、抗咪唑啉酮和抗草銨膦油菜，甚至是抗溴苯腈油菜。在草原三省草甘膦被廣泛使用以實(shí)現(xiàn)零耕作，也經(jīng)常用于休閑地以及作物種子發(fā)芽前滅生性除草，這導(dǎo)致對(duì)抗草甘膦地膚的選擇，且其迅速擴(kuò)展，對(duì)加拿大草原三省造成大的經(jīng)濟(jì)影響。

1.6 其他國家

以上提及的所有國家中除了澳大利亞都大面積種植抗草甘膦作物。在22個(gè)其他國家也發(fā)現(xiàn)了抗草甘膦雜草。其中大部分國家沒有種植抗草甘膦作物，而剩余國家種植抗草甘膦作物非常少，或/和種植時(shí)間非常短(例如玻利維亞)。巴拉圭種植的抗草甘膦作物面積最大，2015年為 370萬 hm2。因此在這 22個(gè)國家中巴拉圭抗草甘膦雜草品種數(shù)量增長最快，與其接壤的國家阿根廷和巴西一直也存在抗草甘膦雜草問題。

這 22個(gè)國家的數(shù)個(gè)抗草甘膦雜草的案例引人注意。例如，第2個(gè)報(bào)道的抗草甘膦雜草事例為在1997年在馬來西亞果園發(fā)現(xiàn)的抗草甘膦牛筋草(圖1)。馬來西亞沒有種植抗草甘膦作物，也再?zèng)]有第2例抗草甘膦雜草的報(bào)道。

2 雜草科類

Holm等人發(fā)表了“世界惡性雜草”一文，根據(jù)此對(duì)含有抗草甘膦雜草品種數(shù)量最多的雜草科進(jìn)行列表(表3)。其中也列出了每一雜草科中抗草甘膦雜草品種的數(shù)量(表3)。通過對(duì)比表格各列可發(fā)現(xiàn)4科雜草(禾本科、菊科、莧科、藜科)對(duì)草甘膦較易產(chǎn)生抗性(表 3)。

表3 不同科的抗草甘膦雜草情況

2.1 禾本科

草甘膦一般對(duì)禾本科雜草的活性要高于其他主要雜草科。有趣的是對(duì)草甘膦產(chǎn)生抗性的禾本科雜草比其他科雜草多。禾本科雜草量占世界主要雜草的25%，而抗草甘膦禾本科雜草為所有抗草甘膦雜草的47%。因此，在劑量-反應(yīng)曲線中禾本科雜草通常接受到的草甘膦劑量要高于非禾本科雜草?？共莞熟⒑瘫究齐s草數(shù)量的不成比例性可能是由于禾本科雜草更易對(duì)草甘膦產(chǎn)生抗性，暴露于草甘膦的禾本科雜草數(shù)量越多，和/或相對(duì)高劑量能更有效選擇抗草甘膦雜草個(gè)體。高劑量能成功地選擇抗草甘膦禾本科雜草與低劑量能更有效地選擇抗性的觀點(diǎn)相反。對(duì)于禾本科雜草來說，黑麥草屬、虎尾草屬和雀麥屬雜草易產(chǎn)生草甘膦抗性，在17個(gè)抗草甘膦雜草中占8個(gè)。抗草甘膦黑麥草屬草(Lolium sp.)、兩耳草、牛筋草、阿拉伯高粱和光頭稗分布最廣，經(jīng)濟(jì)影響最大。

2.2 菊科

抗草甘膦菊科雜草也較多，16%的世界惡性雜草屬于菊科(表 3)，菊科雜草為抗草甘膦雜草的30%。白酒草屬和豚草屬(Ambrosia spp.)雜草特容易產(chǎn)生草甘膦抗性，幾乎為抗草甘膦菊科雜草的一半。

2.3 莧科

在莧科的163個(gè)屬中只有莧屬對(duì)草甘膦產(chǎn)生抗性。4個(gè)莧品種雜草已對(duì)草甘膦產(chǎn)生抗性[長芒莧、糙果莧、綠穗莧(A. hybridus)和刺莧]?？共莞熟㈤L芒莧是對(duì)經(jīng)濟(jì)影響最大的抗草甘膦雜草，糙果莧正快速發(fā)展將造成嚴(yán)重的影響，部分原因?yàn)檫@2種雜草已對(duì)防治所用的大部分主要作用位點(diǎn)除草劑產(chǎn)生抗性。

2.4 藜科

抗草甘膦地膚和刺沙蓬(Salsola. tragus)是對(duì)草甘膦產(chǎn)生抗性的2種藜科雜草?？共莞熟⒌啬w具有有效的滾風(fēng)草種子擴(kuò)散機(jī)制而迅速地?cái)U(kuò)展，目前是主要影響美國大平原和加拿大草原三省經(jīng)濟(jì)的雜草。刺沙蓬也是滾風(fēng)草，最近抗草甘膦刺沙蓬在美國蒙大拿州和俄勒岡州被確定。其擴(kuò)展機(jī)制是否如地膚一樣，還有待驗(yàn)證。

3 影響草甘膦抗性的發(fā)生和擴(kuò)展的因素

3.1 抗性雜草的擴(kuò)展與選擇

研究者發(fā)現(xiàn)乙酰輔酶A羧化酶(ACCase)和乙酰乳酸合酶(ALS)抑制劑抗性雜草相對(duì)常見，部分原因?yàn)槊恳话袠?biāo)位點(diǎn)發(fā)生數(shù)個(gè)突變，使雜草具有高水平抗性。這2個(gè)靶標(biāo)位點(diǎn)具有許多有效的除草劑作用點(diǎn)，被認(rèn)為具有可塑性，能夠相對(duì)快速選擇抗性。大多數(shù)ACCase和ALS抑制劑抗性雜草是由于一個(gè)堿基對(duì)突變導(dǎo)致高水平抗性(＞10)。相比較，EPSP基因幾乎不發(fā)生賦予低水平草甘膦抗性的 1 bp突變，使抗草甘膦雜草的最初出現(xiàn)頻率很低。草甘膦是僅有的抑制EPSPS的商業(yè)化除草劑，其結(jié)合點(diǎn)具有非常高的特異性。對(duì)于抗草甘膦雜草，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中需要注意的是其抗性的擴(kuò)展作為新侵染的來源比現(xiàn)有雜草種群中新抗性事例的產(chǎn)生更重要。對(duì)于ACCase和ALS抑制劑抗性事例，最初高水平抗性基因頻率意味著嚴(yán)格的檢疫(清潔機(jī)械、貨車、牲畜等)不是有效的避免抗性的方法。因?yàn)檫m宜突變發(fā)生頻率，很可能抗性個(gè)體已經(jīng)在田間天然雜草種群中存在，或不久發(fā)生。然而，Bradshaw等人在討論為什么草甘膦抗性不可能發(fā)展中指出，雜草種子衛(wèi)生學(xué)對(duì)限制選擇抗草甘膦雜草非常重要，因?yàn)樽畛醴浅５偷目共莞熟⒒蝾l率可能意味著天然種群中一定水平的抗性不存在，且在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)在任何特定田間不可能發(fā)生，甚至在一年一年暴露于草甘膦的情景下。

表4 全球抗草甘膦雜草品種發(fā)生情況

3.2 抗草甘膦雜草的選擇：低劑量和高劑量

曾在多年期間，雜草科學(xué)家一直在爭論是高劑量(意味高的選擇壓)還是低劑量(低選擇壓)導(dǎo)致雜草抗性的快速發(fā)展。答案為二者都是。對(duì)于賦予非常高水平抗性(常見于對(duì)ALS和ACCase抑制劑靶標(biāo)位點(diǎn)抗性)的抗性機(jī)制，當(dāng)抗性特性顯性，高劑量除草劑能夠快速殺滅敏感個(gè)體，在雜草種群中更快地產(chǎn)生抗性。對(duì)于不能賦予高水平抗性的機(jī)制，高劑量除草劑將導(dǎo)致攜帶抗性特性的個(gè)體的死亡或生長顯著受抑，而低劑量則更可能導(dǎo)致抗性的產(chǎn)生。此外，低劑量除草劑可能使低水平草甘膦抗性特性異型雜交和組合到1個(gè)個(gè)體，使此個(gè)體能夠在高劑量草甘膦下存活(creeping resistance)。大部分的抗草甘膦機(jī)制為低水平抗性類別，因此避免或延緩草甘膦抗性的策略為在理想的應(yīng)用條件下使用最大推薦劑量殺滅最多的雜草。這樣的話，許多具有低水平抗性機(jī)制的個(gè)體在通過異型雜交合并不同抗性基因前可能就被殺滅，只剩下較高水平草甘膦抗性個(gè)體。如上面討論一樣，此理論顯而易見不適用于禾本科雜草，即使所用草甘膦劑量要高于用于大部分其他雜草品種的，抗性禾本科雜草品種數(shù)量一直多。

3.3 自花授粉和異型雜交

因?yàn)榇蠖鄶?shù)抗草甘膦抗性機(jī)制(染色體易位、整合和基因擴(kuò)增)為低水平抗性。雜草品種具有一定程度的異型雜交特性是其一大優(yōu)勢，這樣就具有合并的能力而產(chǎn)生對(duì)草甘膦高的抗性。具有單獨(dú)低水平機(jī)制的雜草個(gè)體可以存活，但應(yīng)用草甘膦可能會(huì)嚴(yán)重壓制其，產(chǎn)生的種子要少于含有2個(gè)或多個(gè)抗草甘膦機(jī)制的個(gè)體。由此，如果確定異型雜交植物已產(chǎn)生抗性后繼續(xù)使用草甘膦防除其他雜草品種，此植物可能繼續(xù)會(huì)發(fā)展高水平草甘膦抗性。

3.4 多抗

如果雜草只對(duì)草甘膦有抗性，此問題不嚴(yán)重，可用老的除草劑，或老的除草劑與草甘膦混用或輪用進(jìn)行防除。草甘膦可防治多種雜草，老的除草劑特異性防除抗草甘膦雜草。然而，這種情況比較罕見。種植者快速接納了抗草甘膦作物，部分原因?yàn)榉莱龑?duì)其他除草劑產(chǎn)生抗性的雜草，特別是抗ALS、ACCase和三嗪類除草劑雜草。最初，使用新引入的除草劑來防除抗性雜草。在20世紀(jì)80年代和90年代混用或直接用 ALS和 ACCase抑制劑防治在 20世紀(jì)70年代和80年代產(chǎn)生的抗三嗪和抗二硝基苯胺雜草。相應(yīng)地，用原卟啉原氧化酶抑制劑，或在抗草甘膦作物田中用草甘膦防治抗ALS和ACCase抑制劑雜草?，F(xiàn)在，沒有新的作用機(jī)制除草劑或很少的新除草劑引入市場，數(shù)量不斷增加的抗草甘膦雜草的防治就成為難題。

4 抗性機(jī)制

4.1 靶標(biāo)點(diǎn)抗性

已確定數(shù)種類型的草甘膦靶標(biāo)點(diǎn)抗性。顧名思義，靶標(biāo)點(diǎn)抗性是由于靶標(biāo)酶(EPSPS)的改變而產(chǎn)生草甘膦抗性。靶標(biāo)點(diǎn)抗性可由一個(gè)堿基對(duì)的改變、多個(gè)堿基對(duì)的改變、密碼子缺失或基因的擴(kuò)增而所致。到目前為止，除密碼子缺失外，已發(fā)現(xiàn)了其他機(jī)制的抗草甘膦雜草。

4.1.1 一個(gè)堿基對(duì)的改變

EPSPS基因中某一堿基對(duì)的變化可使此酶對(duì)草甘膦有微弱的抗性，使雜草對(duì)草甘膦產(chǎn)生低水平抗性(一般2～6×)。然而，不常見的是單一堿基對(duì)機(jī)制合并非靶標(biāo)點(diǎn)機(jī)制，產(chǎn)生較高倍數(shù)的抗性。賦予抗性的 EPSPS的所有單一堿基對(duì)的突變導(dǎo)致 Pro106或 Ser、Ala、Thr或 Leu的改變。已報(bào)道牛筋草、瑞士黑麥草、 多花黑麥草、兩耳草、糙果莧和光頭稗發(fā)生這些突變。最近報(bào)道帚狀虎尾草(C. virgata)的Pro 106被Ser和Leu替代。此研究中，發(fā)生Pro 106Leu突變的植物的抗性約為 Pro 106Ser突變的3～5倍，和EPSPS離體抗性相一致。沒有發(fā)現(xiàn)其他抗性機(jī)制。相似地，在美國加州的光頭稗中發(fā)現(xiàn)Pro 106密碼子發(fā)生突變的2個(gè)不同的EPSPS突變體。此雜草品種具有2個(gè)EPSPS基因，2個(gè)突變發(fā)生于不同的基因上。Pro 106Ser突變的抗性要低于 Pro 106Thr突變，這與相對(duì)離體抗性一致。但是，此種群可能也有其他抗性機(jī)制，因?yàn)榇搜芯繄?bào)道的1個(gè)光頭稗生物型沒有發(fā)生EPSPS突變，但仍具有低水平草甘膦抗性。

4.1.2 多堿基對(duì)改變

EPSPS基因發(fā)生2個(gè)堿基對(duì)改變，導(dǎo)致EPSPS中2個(gè)氨基酸變化，這可能導(dǎo)致的草甘膦抗性比Pro 106突變的高。野生型 EPSPS發(fā)生改變的含有Thr102lle和Pro 106Ser轉(zhuǎn)基因EPSPS(TIPS雙突變)已被用于開發(fā)出商業(yè)化的抗草甘膦轉(zhuǎn)基因玉米品種?？共莞熟⑴＝畈菀丫哂蠺IPS形式的EPSPS。雙突變的植物具有180倍的抗性，相當(dāng)于或高于抗草甘膦作物的抗性水平，與ALS和ACCase抑制劑抗性雜草的靶標(biāo)點(diǎn)抗性可媲美。單獨(dú)Thr102lle突變產(chǎn)生非常無效的 EPSPS，故先行Pro106Ser突變，然后Thr102lle突變。孟山都認(rèn)為雙突變不可能發(fā)生時(shí)，它沒有想到此類型依序發(fā)生的高水平抗性。在草甘膦對(duì)單突變抗草甘膦生物型持續(xù)的選擇壓下，TIPS突變將最終在這些抗性種群中發(fā)生。

4.1.3 基因擴(kuò)增或復(fù)制

基因擴(kuò)增或復(fù)制增加了基因拷貝數(shù)，由此分子靶標(biāo)或解毒酶的量增加了。EPSPS的增加將需增加能充分抑制EPSPS殺滅植物的草甘膦的量。自從此抗性機(jī)制首次在長芒莧中報(bào)道后，EPSPS基因的復(fù)制已與全美國的數(shù)個(gè)長芒莧種群對(duì)草甘膦的抗性有關(guān)。到目前，已報(bào)道了糙果莧、刺莧、西部莧(A.rudis)、多花黑麥草、地膚、二雄蕊雀麥(B. diandrus)、牛筋草和C. truncata的抗草甘膦生物型的EPSPS擴(kuò)增。對(duì)于抗草甘膦刺莧，基因擴(kuò)增可能是由于刺莧與EPSPS擴(kuò)增的長芒莧雜交所致。EPDPS基因的擴(kuò)增一般賦予比EPSPS的1 bp突變更高的抗性，雖然額外EPSPS拷貝數(shù)量和抗性水平可變，額外拷貝數(shù)可小為 3，有時(shí)大于 100。EPSPS拷貝數(shù)、EPSPS酶的數(shù)量和整個(gè)植物水平抗性間的一致性較好。沒有與EPSPS擴(kuò)增有關(guān)的明顯的適合度代價(jià)。

所有的靶標(biāo)點(diǎn)機(jī)制可發(fā)生于或一起發(fā)生于同一雜草品種。例如，Chen等人發(fā)現(xiàn)牛筋草存在單和雙突變EPSPS，以及EPSPS的基因擴(kuò)增。他們也發(fā)現(xiàn)抗草甘膦生物型牛筋草中磷酸果糖激酶的基因擴(kuò)增，也有EPSPS擴(kuò)增。

4.2 非靶標(biāo)點(diǎn)抗性

對(duì)于非靶標(biāo)抗性，EPSPS酶仍然對(duì)草甘膦敏感，而是到達(dá)EPSPS酶的草甘膦量降低的突變機(jī)制導(dǎo)致抗性的產(chǎn)生。許多草甘膦抗性事例是由于非靶標(biāo)點(diǎn)抗性所致。非靶標(biāo)點(diǎn)抗性機(jī)制通常賦予3～12倍的低水平抗性。

4.2.1 代謝增加

草甘膦被一些雜草和作物代謝為乙醛酸和氨甲基膦酸(AMPA)。一些植物也可把草甘膦代謝為肌氨酸和無機(jī)磷酸鹽。AMPA的植物毒性非常弱，乙醛酸為天然植物代謝物。因此提高草甘膦代謝為AMPA的量，草甘膦就不會(huì)傷害雜草。把草甘膦代謝為AMPA的草甘膦氧化環(huán)氧酶(GOX)的基因已被轉(zhuǎn)入油菜，使油菜對(duì)草甘膦有耐受性。然而，此轉(zhuǎn)基因作物也含有抗性微生物EPSPS基因(cp4)，還不清楚GOX基因?qū)Σ莞熟⒖剐缘呢暙I(xiàn)多大。只有cp4的大豆的抗性水平(～50×)約和同時(shí)還有 cp4和 gox的油菜一樣。在草甘膦應(yīng)用后一些植物中發(fā)現(xiàn)的AMPA的量表明降解可能導(dǎo)致對(duì)草甘膦的天然耐受性。但這還沒有經(jīng)過嚴(yán)格的證明。例如，天然抗草甘膦雜草 Ipomoea lacunosa能把草甘膦代謝為AMPA，但草甘膦的代謝量和雜草的耐受性水平間沒有相關(guān)性。筆者認(rèn)為還沒有確切證據(jù)證明提高草甘膦的降解為抗草甘膦雜草的抗性機(jī)制。一些植物具有代謝草甘膦的基因以及草甘膦為作用慢的除草劑，但令人驚奇的是增加草甘膦降解不是常見的抗性機(jī)制。

4.2.2 降低吸收和/或遷移

降低除草劑的吸收或遷移，使到達(dá)作用位點(diǎn)的量不足以殺滅植物，這樣就會(huì)產(chǎn)生抗性。降低從植物表皮進(jìn)入植物細(xì)胞的草甘膦的移動(dòng)(除草劑吸收)，可能使雜草對(duì)草甘膦產(chǎn)生抗性。阿拉伯高粱、多花黑麥草、兩耳草、C.eleta和Leptochloa virgata的一些抗草甘膦生物型具有此種機(jī)制。吸收降低可能是雜草葉表皮化學(xué)和/或形態(tài)學(xué)改變所致，或葉形狀或方位的變化增加了除草劑噴霧液的流失所致。

草甘膦有效的1個(gè)原因是其易從葉遷移到分生組織。因此降低此遷移量將會(huì)降低草甘膦的防效。一些研究報(bào)道抗草甘膦生物型雜草對(duì)草甘膦的遷移降低了。然而，最近才開始了解此機(jī)制。被處理葉細(xì)胞的液泡扣留草甘膦能力的提高是一些抗草甘膦植物對(duì)草甘膦遷移降低的1個(gè)原因。

4.2.3 滯留

除草劑滯留于植物的一些組織中(液泡，或細(xì)胞壁的吸附)，不能遷移和到達(dá)植物細(xì)胞的葉綠體作用位點(diǎn)，這樣植物就對(duì)草甘膦產(chǎn)生抗性。小飛蓬和黑麥草屬對(duì)草甘膦的抗性是因?yàn)椴莞熟⒑芸鞙粲谝号葜?。?duì)于這些抗性事例，液泡膜草甘膦運(yùn)輸者的活性和/或水平提升了。此運(yùn)輸者具有 ATP結(jié)合盒(ABC)轉(zhuǎn)運(yùn)子的特性。當(dāng)小飛蓬抗性生物型暴露于草甘膦后，其2個(gè)主要的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)子基因上調(diào)了。在較低的溫度，抗性小飛蓬的快速液泡扣留機(jī)制不能運(yùn)行，因?yàn)樵谳^低溫度液泡扣留不會(huì)發(fā)生。

4.2.4 “長生鳥”現(xiàn)象

草甘膦作為除草劑作用非常緩慢，一些三裂葉豚草生物型的葉子在被噴霧處理后能夠?qū)Σ莞熟⒀杆僮龀龇磻?yīng)，在處理后數(shù)小時(shí)內(nèi)干枯，除草劑不能從死的組織遷移，發(fā)育的組織和分生組織能夠再生長，產(chǎn)生“類長生鳥”恢復(fù)現(xiàn)象。整株植物抗性水平為2.3～7.4倍。草甘膦對(duì)此生物類型的快速作用機(jī)制未知，雖然外源芳香氨基酸可抑制此種作用，這表明此作用與對(duì)莽草酸途徑的抑制有關(guān)。此外，用草甘膦處理的抗性生物型的葉碟中活性氧迅速積累。此快速反應(yīng)需要光或外源蔗糖。

4.3 多個(gè)機(jī)制

即使草甘膦抗性風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)低，其抗性還是在快速發(fā)展。但是，與其他任何類型的除草劑不一樣，長期以來草甘膦的選擇壓存在于大面積的田中。草甘膦抗性進(jìn)化機(jī)制也比其他作用機(jī)制的除草劑多樣化。

研究較多的抗草甘膦雜草品種一般具有數(shù)種抗性機(jī)制，同一品種的不同抗性生物型抗性機(jī)制組合不同。如Sammons和Gaines指出一樣，對(duì)ACCase和ALS抑制劑除草劑有靶標(biāo)位點(diǎn)抗性的僅TIP突變草甘膦抗性雜草具有高水平抗性(＞50×)，在大多數(shù)情況下草甘膦抗性進(jìn)化是對(duì)低劑量抗性機(jī)制的選擇過程。在足夠長的選擇期間，抗性機(jī)制趨于在1個(gè)雜草品種中積累，增加總的抗性因子。隨著時(shí)間的流逝，由于抗性機(jī)制的堆積所致的緩慢發(fā)展的抗性可以產(chǎn)生很強(qiáng)的抗性，使雜草免受在經(jīng)濟(jì)上或法規(guī)上可使用的最高劑量草甘膦的危害。

5 未 來

除草劑已為人類提供了最有效和經(jīng)濟(jì)的雜草防治方法約70年，如果不存在抗草甘膦雜草，主要農(nóng)藝作物田中的雜草防治問題基本解決。草甘膦被迅速用于抗草甘膦作物，部分原因是因?yàn)槭褂玫某輨┏霈F(xiàn)了抗性問題，特別是 ALS、ACCase和光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)抑制劑的抗性?？共莞熟⒆魑锏某晒σ欢ǔ潭壬蠈?dǎo)致農(nóng)業(yè)化學(xué)工業(yè)沒有動(dòng)力來研究和開發(fā)新作用位點(diǎn)除草劑。草甘膦的廣泛使用導(dǎo)致了抗草甘膦雜草品種不斷地產(chǎn)生，危害更大的抗性雜草迅速擴(kuò)展。此問題對(duì)農(nóng)民來說更嚴(yán)重，因?yàn)榭纱嫘猿輨┰诓粩鄿p少，最主要因?yàn)檫@些抗性雜草已經(jīng)對(duì)老的除草劑具有抗性特性且產(chǎn)生新的抗性。多重抗性((草甘膦和其他除草劑)以及新作用位點(diǎn)除草劑的缺乏，給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來雜草管理危機(jī)。此外，瑞士黑麥草等禾本科雜草非靶標(biāo)點(diǎn)多重抗性(主要為代謝)和大穗看麥娘(Alopecurus myosuroides)給除草劑抗性增加了復(fù)雜性。隨著此類型多重抗性在闊葉雜草中的擴(kuò)展預(yù)，預(yù)期在未來30年此問題的重要性將增加。非靶標(biāo)位點(diǎn)抗性管理比較困難，因?yàn)槠浣?jīng)常呈現(xiàn)與不同作用位點(diǎn)除草劑的不可預(yù)期的多重抗性，因此不同作用位點(diǎn)除草劑的輪用可能不能有效治理非靶標(biāo)位點(diǎn)抗性。

盡管有以上情況，除草劑仍然是發(fā)達(dá)國家雜草防除的中流砥柱，且在被新的技術(shù)逐步淘汰前也會(huì)如此。但需要以持續(xù)的方式使用除草劑，不僅要合理混用和輪用，而且要作為含有機(jī)械和栽培措施的集約化綜合雜草管理項(xiàng)目的一部分?？共莞熟㈦s草的品種和侵染的作物面積將繼續(xù)增加，但抗性管理可延緩其增加。

即使除草劑的發(fā)現(xiàn)研究已停止，但目前多抗雜草的嚴(yán)重和缺乏有效替代防治產(chǎn)品給農(nóng)化公司帶來了開發(fā)新除草劑的強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)刺激。未被開發(fā)的作用機(jī)制的除草劑可能將吸引較多投資研究。新轉(zhuǎn)基因、誘變育種和基因編輯抗除草劑作物特性的開發(fā)和引入可能繼續(xù)使老的除草劑以新的方式使用。作物中抗除草劑堆積形狀將標(biāo)準(zhǔn)化，即意味這些作物的種植可使種植者根據(jù)情況決定除草劑的混用，延緩多重抗性的出現(xiàn)。RNAi技術(shù)可能有助于管理抗性雜草，然而，所面臨的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題可能使其商業(yè)化還遙遙無期。雜草防治技術(shù)的多樣化可減少抗性直接進(jìn)化，延長有效除草劑的生命貨架，可給研究人員足夠時(shí)間開發(fā)新的雜草防治技術(shù)。

最后，除草劑將可能被新技術(shù)取代。轉(zhuǎn)基因微生物防治劑和作物化感作用使這些雜草管理方法更有效、經(jīng)濟(jì)和有選擇性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可通過圖像分析增加確定雜草的速度和準(zhǔn)確度，再隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展可能在未來 20年中實(shí)現(xiàn)精確地應(yīng)用除草劑和/或機(jī)器人經(jīng)濟(jì)地防除許多作物田中的雜草。此外，隨著以上各個(gè)方法的進(jìn)步，將這些技術(shù)結(jié)合現(xiàn)有雜草防除方法，包括除草劑，使雜草防除多樣化，使雜草防除法的抗性進(jìn)化最慢。

6 結(jié) 論

除草劑曾經(jīng)被視為主要作物雜草防除的主要解決方案，但由于抗性問題和環(huán)境問題，其生命期有限?？共莞熟⒆魑镌诙唐趦?nèi)被種植者迅速接受，拋棄了復(fù)雜的雜草防治策略，因?yàn)橛貌莞熟⒎莱s草操作簡單，費(fèi)用低且有效，使種植者節(jié)約了數(shù)以億計(jì)的雜草管理費(fèi)用。然而過分依賴草甘膦造成草甘膦抗性雜草的產(chǎn)生，以及雜草防除技術(shù)缺乏多樣化和沒有開發(fā)出新作用位點(diǎn)的除草劑，目前雜草防除正處于廣泛的失敗邊緣。隨著多重抗性雜草的增加，種植者將不得不采用更復(fù)雜的綜合雜草管理項(xiàng)目來防除雜草。他們應(yīng)用復(fù)雜雜草防除項(xiàng)目的程度將決定延遲除草劑防除雜草徹底失敗到來的時(shí)間。筆者希望實(shí)用的、新的雜草防除技術(shù)出現(xiàn)且在除草劑防治失敗成為災(zāi)難前能有效應(yīng)用，但這并不是說，一旦新技術(shù)被應(yīng)用，就可以放低警惕，因?yàn)椴徽搼?yīng)用何種雜草防除策略，雜草都將會(huì)對(duì)其發(fā)展抗性，這也就是為何有必要實(shí)施綜合雜草管理項(xiàng)目的原因。

2023年全球殺幼蟲劑市場有望達(dá)到9.5億美元

根據(jù)某調(diào)研機(jī)構(gòu)的報(bào)告，2017年全球殺幼蟲劑市場價(jià)值為7.2億美元，2018年預(yù)計(jì)為7.5億美元，預(yù)計(jì)將以4.86%的復(fù)合年增長率增長，至2023年達(dá)9.5億美元。