草甘膦的歷史與現(xiàn)狀

筱 禾 編譯

(上海市農(nóng)藥研究所，上海 200032)

草甘膦是有史以來最為成功的除草劑品種，是引入抗草甘膦作物(GRCs)之前極為成功的非選擇性除草劑，GRCs的引入也使該劑應(yīng)用大幅度增加(圖1)。全球90%左右轉(zhuǎn)基因作物為抗除草劑作物(HRCs)，幾乎全為GRCs。GRC技術(shù)所帶來的豐厚經(jīng)濟回報是這項技術(shù)之所以取得巨大成功的主要動力。這使草甘膦成為全球應(yīng)用最多的農(nóng)藥品種。

草甘膦一直是集約化科研和產(chǎn)品創(chuàng)新的焦點。在過去 40年有關(guān)草甘膦的科技著作和專利數(shù)量已增加至20 000件左右，主要集中在近15年(圖2)。草甘膦可與史上研究最多的除草劑2,4-滴相媲美。

GRCs應(yīng)用的第3個10年已經(jīng)開始，HRC方案正變得更加復(fù)雜，這是因為雜草對草甘膦的抗藥性發(fā)生了變化以及引入了新的HRC。用于GRCs的草甘膦應(yīng)用正在發(fā)生巨大變化，可能影響其未來的前景。本文總結(jié)了草甘膦的歷史和現(xiàn)狀，討論了雜草對草甘膦抗性快速進化，相互競爭和互補的除草劑以及可能影響草甘膦未來使用的新的雜草防除技術(shù)。

1 抗草甘膦作物引入之前

草甘膦于1974年商業(yè)化，當(dāng)時每2～3年引入一種新作用方式的除草劑。在引入GRCs之前，草甘膦的應(yīng)用與比其早十多年商業(yè)化的聯(lián)吡啶類除草劑百草枯和敵草快相似。聯(lián)吡啶類和草甘膦是廣泛使用的非選擇性除草劑，它們在土壤中基本無活性。草甘膦還可用于非農(nóng)作物如路旁、鐵軌和路旁，播前和收獲后的農(nóng)田，以及在樹木和果園作物中控制林下植被，同時注意不讓草甘膦飄移到作物的綠色植被上。草甘膦雖然比百草枯貴很多，但有幾個優(yōu)點。與速效觸殺型除草劑百草枯不同，草甘膦為長效除草劑，可運轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)離處理葉片的分生組織。草甘膦具有良好的內(nèi)吸性，只需在小部分雜草葉部施用，即可殺死雜草。而草甘膦比百草枯在抑制分生組織二次生長方面更有效，因此在防除多年生雜草方面具有巨大優(yōu)勢。此外，聯(lián)吡啶類除草劑可能是對脊椎動物急性毒性最大的除草劑，但大量研究表明草甘膦及其降解產(chǎn)物氨基甲基磷酸(AMPA)具有極低的急、慢性毒性。

草甘膦是一個優(yōu)秀的除草劑品種，但因其對作物的植物毒性較高限制了應(yīng)用。曾嘗試使用有防護屏罩的噴霧器和涂布器(如繩芯和薄膜)等的非寬幅噴霧(broadcast spraying)施用裝置以在大田作物中應(yīng)用草甘膦，將其點施于個別雜草避免與作物接觸。但由于其內(nèi)吸性高，飄移或直接施用的少量草甘膦會對作物產(chǎn)生藥害甚至殺死作物。因為存在把除草劑全施于雜草的技術(shù)問題，而且對作物藥害頻繁且嚴(yán)重，故這些應(yīng)用技術(shù)并未被廣泛采用。通過生物技術(shù)生成的抗草甘膦作物使這一問題得以解決。

2 抗草甘膦作物引入的前10年是雜草治理的黃金時代

1995年第一批商業(yè)化的HRCs——抗溴苯腈和抗草銨膦油菜影響不大，但1996年第一批抗草甘膦(GR)大豆的引入掀起了一場雜草治理革命。在此后10年間，美國GR大豆普及率超過90%，GR棉花和玉米隨后也超過90%，到2014年這3種作物均超過了90% (圖3)。阿根廷GR大豆的普及速度更快，巴西的普及率也很高。美國其他GR作物(苜蓿、油菜和甜菜)的普及率也很高。以美國的GR甜菜為例，3年內(nèi)普及率高達(dá)95% (2007年商業(yè)化)。

這項技術(shù)簡化了雜草治理方法，降低了成本，同時比之前這些作物中應(yīng)用多種除草劑進行雜草治理具有更好的效果，這更有利于農(nóng)民。這對小農(nóng)戶可能具有更積極的影響，因為他們既沒有專業(yè)知識，也沒有咨詢預(yù)算，無法根據(jù)具體雜草問題采取用藥補救措施。此外，這項技術(shù)減少了耕作和礦物燃料使用，也減少了高毒除草劑的使用，從而減輕了雜草治理對環(huán)境的影響。采用被認(rèn)為對人體幾乎沒有毒性的除草劑活性成分，簡單、經(jīng)濟、高效地進行雜草治理，減少了對環(huán)境的影響，這是雜草治理的黃金時代。

美國引入GRCs后草甘膦用量迅速上漲(圖1)。同時，這些作物使用的其他除草劑用量大幅下跌。例如，1996年引進GR大豆后，主要用于大豆田的原卟啉原氧化酶抑制劑類除草劑三氟羧草醚用量大大減少(圖4)。在草甘膦抗性作物田中使用的其他除草劑用量同樣減少了。GRCs的巨大成功使得其他除草劑的市場明顯被低估，導(dǎo)致除草劑研發(fā)投入減少，至少有一家公司放棄了除草劑研發(fā)。當(dāng)時，已停止了對新作用機制除草劑的研究，雜草對現(xiàn)有作用機制除草劑的抗性開始呈對數(shù)上升。不過，農(nóng)民們并不擔(dān)心，因為他們很早就得到保證，GRC技術(shù)是持久的。但仍有一些人認(rèn)為這項技術(shù)是有缺陷的，并非是因為日漸明顯的抗性問題，而是由于其他問題。

圖1 草甘膦在美國的使用情況

3 異 議

如上所述，許多就GRCs對環(huán)境影響的分析發(fā)現(xiàn)，其比被取代的多種除草劑和耕作有所改善。與GRCs相關(guān)的問題最受熱議的集中于植物病害、礦物營養(yǎng)、產(chǎn)量和草甘膦毒理學(xué)方面。有專題文章討論了草甘膦對礦物營養(yǎng)和植物病害的影響。一些有影響力的論文表明草甘膦改變了GRCs的植物礦質(zhì)營養(yǎng)，這和其他GRCs特性造成真菌病原菌侵染增加，但大多數(shù)同行評議文獻并不支持這些理論。

圖2 SciFinder中關(guān)鍵詞為“草甘膦”的文章和專利

另一個問題是，GRCs的產(chǎn)量下降是否歸因于所使用的GR轉(zhuǎn)基因或草甘膦。早期的一些GRC品種沒有高產(chǎn)的優(yōu)良種質(zhì)，至少在 GR棉花中，抗性基因在生殖器官中的表達(dá)不足以一直防止田間草甘膦對作物的藥害。此外，在某些環(huán)境條件下，施用草甘膦后大豆葉片有時會出現(xiàn)短暫黃化現(xiàn)象。這是具輕微植物毒性的草甘膦降解產(chǎn)物——AMPA的即時效應(yīng)所致?；虮磉_(dá)的提高和更多優(yōu)良種質(zhì)已改進了該技術(shù)早期出現(xiàn)的問題。美國大豆、玉米和棉花在GRCs引入后基本保持了引入前的增產(chǎn)幅度。美國科學(xué)院曾有研究建議進一步探討作物產(chǎn)量是否受到草甘膦或 GR轉(zhuǎn)基因的影響。最近進行的此類研究發(fā)現(xiàn)，GRCs應(yīng)用草甘膦對作物產(chǎn)量沒有影響，GR轉(zhuǎn)基因?qū)ψ魑锂a(chǎn)量也沒有影響。

草甘膦處理的GRC大豆含有草甘膦和AMPA。這是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)藥數(shù)據(jù)計劃檔案記錄的一項監(jiān)測許多作物中農(nóng)藥殘留的大型項目所知。但該項目報告稱，在獲后的 GR玉米種子中既沒有檢測到草甘膦，也沒有檢測到AMPA，這與 Reddy等人的研究結(jié)果(未發(fā)表)一致。幾十年來的許多研究沒有發(fā)現(xiàn)草甘膦在實際可能暴露劑量下對哺乳動物有明顯的急或慢性毒性效應(yīng)，但離體研究和/或與環(huán)境無關(guān)的活體高劑量研究結(jié)果并非如此，特別是在歐洲。美國國家科學(xué)院最近關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物進行了如下報道：“……大量的試驗研究表明食用來源于轉(zhuǎn)基因作物的食物對動物無害?！D(zhuǎn)基因作物引入后，沒有對畜禽健康造成不良影響。該委員會還研究了癌癥發(fā)生和其他人類健康問題的流行病學(xué)資料，沒有發(fā)現(xiàn)有任何證據(jù)表明來源于轉(zhuǎn)基因作物的食品不夠安全……”。最近對草甘膦可能的急和慢性不利健康的影響分析證實了許多研究沒有發(fā)現(xiàn)草甘膦有明顯毒性問題。在最近的一項研究中，對農(nóng)民使用草甘膦的情況進行了多因素回歸分析，沒有發(fā)現(xiàn)任何影響，而血液化學(xué)參數(shù)的變化表明，對腎功能血清葉酸水平可能的不利影響與使用其他除草劑有關(guān)。Duke等認(rèn)為，由傳統(tǒng)作物轉(zhuǎn)變?yōu)镚RCs或有利于農(nóng)民健康。

根據(jù)除草劑對作物的急性和慢性危害商數(shù)(hazard quotient)，近期在美國就GR玉米、棉花和大豆田使用草甘膦的影響進行的分析表明，田間使用的除草甘膦以外的除草劑對危害商數(shù)的貢獻占絕大多數(shù)。在玉米田，GR玉米引入后急性毒性顯著降低，慢性危害商數(shù)略有增加，但對玉米的慢性危害商數(shù)的88%可歸于莠去津和硝磺草酮的使用。在棉花田，GR棉的引入大大降低了急性毒性危害，而慢性除草劑危害商數(shù)的增加幾乎完全是因為使用敵草隆所致。在最大限度地采用 GR棉后，草甘膦僅占與除草劑使用相關(guān)的慢性危害商數(shù)的0.2%。1990－2015年，與除草劑使用相關(guān)的慢性和急性除草劑危害商數(shù)分別下降了78%和68%，在此期間，美國農(nóng)民從使用多種除草劑轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕褂貌莞熟?，僅增加了幾種其他除草劑。

草甘膦的毒性問題可能有爭議，但草甘膦的一個明顯的主要問題是進化的除草劑抗性，這在傳統(tǒng)作物和HRCs中均有發(fā)現(xiàn)，對于許多其他重要除草劑已存在了幾十年。

4 進化論使好事變壞事

草甘膦和 GRC使用中最明顯的問題是雜草對草甘膦抗性的快速進化，這是由于頻繁、大面積使用這一技術(shù)帶來的巨大選擇壓力所致。截至2017年年中，據(jù)報道已有37種雜草對草甘膦產(chǎn)生了抗性，目前每年報道的新GR物種超過2個。GR雜草的增加主要發(fā)生在GRCs中，農(nóng)民幾乎年復(fù)一年地只使用草甘膦。而在非GRC環(huán)境(如果園)中，頻繁應(yīng)用是引起 GR雜草進化的主因。一些雜草科學(xué)家預(yù)測了可能發(fā)生的情況，但是即使農(nóng)民相信這樣的預(yù)測，這種前所未有的簡單、經(jīng)濟、有效的革命性技術(shù)也使更多樣化雜草治理的預(yù)防性應(yīng)用對他們而言難以接受。這種心態(tài)是，如果草甘膦抗性出現(xiàn)了，就去適應(yīng)。Bonny對雜草科學(xué)家、農(nóng)民和農(nóng)業(yè)企業(yè)如何處理GR雜草進行了詳細(xì)分析。隨著草甘膦抗性日益普遍，采用雜草抗性治理措施越發(fā)常見，但在沒有GR雜草的情況下，這些方法仍然很少使用。

圖3 美國大豆、玉米和棉花GRC的種植情況

圖4 三氟羧草醚在美國的使用情況

一些GR雜草(特別是黑麥草屬、莧屬和白酒草屬)造成了嚴(yán)重危害，削弱了草甘膦防效，大大增加了雜草治理成本。受 GR雜草問題困擾的農(nóng)民已經(jīng)重新制定了耕作方式，使用另外的除草劑來防除GR雜草。例如，隨著轉(zhuǎn)基因大豆的采用，大豆田的三氟羧草醚的使用量急劇下降，2013年開始緩慢上升(圖4)。因此，GR雜草的進化正在削弱因采用GRC/草甘膦技術(shù)所帶來的環(huán)境和毒性優(yōu)勢。

圖5 草銨膦在美國的使用情況

5 草甘膦的意外作用

多年來，發(fā)現(xiàn)了草甘膦的2種非常真實但通常很微妙的現(xiàn)象。第一，盡管大量證據(jù)表明草甘膦并不會促進GRCs的病害，但草甘膦可作為一種殺菌劑防治危害GRCs的一些植物病原物。已經(jīng)發(fā)布了使用草甘膦防治作物病原物的專利，但這種用途并未在草甘膦標(biāo)簽中標(biāo)明。這一現(xiàn)象尚未進行詳細(xì)研究，且這一效果在田間不易發(fā)現(xiàn)，因為此效果不太可能像商業(yè)殺菌劑那么明顯。只有當(dāng)草甘膦施用與對草甘膦敏感病原物的出現(xiàn)同時時，病原菌才能暴露于足量的草甘膦中，才能看到顯著的作用效果?？紤]到草甘膦在大面積HRCs中的大量應(yīng)用，這種影響的未知效果可能意義重大。

第二個意外現(xiàn)象是以極低劑量施用對草甘膦敏感植物的生長有刺激作用，這種現(xiàn)象被稱為刺激效應(yīng)(hormesis)。除草劑的刺激效應(yīng)并非草甘膦獨有，但與其他除草劑相比，草甘膦似乎更顯著且可重現(xiàn)。在田間草甘膦刺激效應(yīng)還不明了，但它可能與GR雜草的進化有關(guān)。反之，若用于雜草治理的用藥量在刺激效應(yīng)劑量范圍內(nèi)，則有時可以促進 GRCs的生長和/或增加產(chǎn)量。這在精心設(shè)計的試驗中并沒有發(fā)現(xiàn)，但偶爾也有一些證據(jù)表明有發(fā)生。例如，Williams等人發(fā)現(xiàn)，除了考慮雜草防除優(yōu)勢外，推薦用量的草甘膦還可增加了GR甜玉米的穗數(shù)和籽粒質(zhì)量。

6 草甘膦前景不明朗

在不久的將來，GR雜草的進化可能會成為草甘膦應(yīng)用的最大阻力?？梢哉f，草甘膦在使用和不使用GRCs的情況下取得了令人難以置信的成功，這也是其可能下降的根源，就像抗生素的成功和濫用阻礙了它們的應(yīng)用一樣。然而，即使 GR雜草成為GRCs種植中一大問題，農(nóng)民依舊在GRCs中使用草甘膦，因為危害這些作物的大多數(shù)雜草仍然對其敏感，草甘膦是大多數(shù)雜草的首選除草劑。美國棉花、玉米和大豆的種植率仍高于90%，即使在GR雜草成為 GRCs的一個主要問題之后也是如此(圖 3)。1995年出現(xiàn)了抗草銨膦作物，但自那時以來主要作物的草銨膦用量相對較低，盡管棉花和大豆田草銨膦用量呈上升趨勢，這在很大程度上是由于兼具草甘膦和草銨膦抗性的HRCs的存在所致(圖5)。一個短期解決 GR雜草問題的方法是使用對老品種除草劑有耐受性的HRCs，但雜草對老品種除草劑比對草甘膦更容易進化抗性。似乎沒有將 GR小麥或水稻商業(yè)化的期望，這2種主要作物仍為非GR，雖然美國農(nóng)業(yè)部最近批準(zhǔn)了用于景觀和草坪的 GR匍匐剪股穎(Agrostis stolonifera)，但也沒有證據(jù)表明在不久的將來美國會引入其他GR作物。巴西正在種植極少量(約40 hm2)的GR桉樹，最終可能引入種植GR甘蔗，但這些不會對草甘膦在全球的應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。短期內(nèi)，草甘膦依然是最常用的除草劑。不能扭轉(zhuǎn)GR雜草種類的增多和現(xiàn)有GR物種的擴展可能最終會消減草甘膦的使用。開發(fā)一種和草甘膦一樣有效且具有新穎作用機制的廣譜除草劑，與引入的HRCs雙管齊下，可能會大大減少草甘膦的使用。一旦引入這種極有價值的產(chǎn)品，希望吸取草甘膦因過度使用而藥效下降導(dǎo)致農(nóng)業(yè)采取雜草綜合治理措施的經(jīng)驗教訓(xùn)，以防止或減緩廣泛抗藥性的進化。