劉 才,王作平,楊夢(mèng)婷,張中保,鄒華文,吳忠義
(1.長(zhǎng)江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,湖北 荊州 434025; 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院/北京農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)基因資源與生物技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100097)
玉米是我國(guó)第一大作物,年種植面積超3 000萬(wàn)hm2[1]。玉米的高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)是糧食安全的重要保證。在玉米整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中,雜草會(huì)與其爭(zhēng)奪陽(yáng)光、營(yíng)養(yǎng)水分及生長(zhǎng)空間,嚴(yán)重影響玉米的正常生長(zhǎng),造成玉米產(chǎn)量下降。同時(shí),雜草滋生阻礙了田間通風(fēng)透光,使得玉米很容易滋生病蟲(chóng)害,嚴(yán)重影響玉米的產(chǎn)量及品質(zhì)[2]。為了保證單位面積上的糧食產(chǎn)量,各種除草劑相繼被開(kāi)發(fā),糧食生產(chǎn)率由此得以大幅度提高。除草劑的使用也極大地減小了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平[3]。
磺酰脲類(lèi)和咪唑啉酮類(lèi)除草劑是具有代表性的乙酰乳酸合成酶(Acetolactate synthase,ALS)抑制劑類(lèi)除草劑,具有高效、低毒、廣譜、選擇性強(qiáng)等優(yōu)良特性?;酋k孱?lèi)和咪唑啉酮類(lèi)除草劑均通過(guò)抑制ALS活性,阻斷支鏈氨基酸合成而達(dá)到殺除雜草的目的,對(duì)人和哺乳動(dòng)物毒性低,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。其中,苯磺隆和甲咪唑煙酸是較為常用的磺酰脲類(lèi)和咪唑啉酮類(lèi)除草劑。張金林等[5]在室內(nèi)用苯磺隆、甲磺隆和綠磺隆對(duì)玉米種子進(jìn)行抑制試驗(yàn),根長(zhǎng)測(cè)定結(jié)果表明,玉米胚根是比較敏感的試驗(yàn)材料。蘇旺蒼等[6]研究了玉米不同部位對(duì)甲咪唑煙酸的敏感性,結(jié)果表明,甲咪唑煙酸對(duì)玉米根長(zhǎng)、株高、側(cè)根及根毛數(shù)量均有抑制作用。同時(shí),不同植物對(duì)咪唑啉酮類(lèi)除草劑的耐受能力也有很大差別,耐受植物吸收此類(lèi)除草劑后能依靠自身防御機(jī)制將其迅速代謝降解使其失活;非耐受植物吸收此類(lèi)除草劑后反而會(huì)通過(guò)代謝產(chǎn)生有毒物質(zhì),對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制[7]。
近年,有關(guān)植物ALS對(duì)磺酰脲類(lèi)和咪唑啉酮類(lèi)除草劑的抗性(耐受)機(jī)制研究多集中在雜草和少數(shù)玉米品種上,對(duì)于玉米骨干自交系A(chǔ)LS的研究報(bào)道較少。我國(guó)玉米品種繁多,弄清骨干自交系對(duì)不同濃度苯磺隆和甲咪唑煙酸這2類(lèi)ALS抑制劑類(lèi)除草劑的耐受差異,對(duì)于利用基因編輯技術(shù)培育抗ALS抑制劑類(lèi)除草劑突變體過(guò)程中選擇合適的受體材料具有重要指導(dǎo)意義。為此,以7個(gè)玉米骨干自交系為研究對(duì)象,探究這2類(lèi)除草劑不同濃度處理下的玉米初生根長(zhǎng)抑制率、苗期生長(zhǎng)抑制率和ALS活性,評(píng)價(jià)不同玉米自交系對(duì)除草劑的敏感性差異,從而選擇較敏感的自交系作為抗除草劑突變體培育過(guò)程中的受體材料。
玉米骨干自交系:C92、京724、京2416、B73、鄭58、HZ178和178。
試劑:98%苯磺隆(Tribenuron-methyl)和96%甲咪唑煙酸(Imazapic)標(biāo)準(zhǔn)品(上海阿拉丁公司);10%苯磺隆可濕性粉劑(山東勝邦綠野化學(xué)有限公司)和240 g/L甲咪唑煙酸水劑(德國(guó)巴斯夫股份有限公司)。
設(shè)備: Multiskan FC酶標(biāo)儀(Thermo Scientific公司)和SPX-250智能生化培養(yǎng)箱(金壇市醫(yī)療儀器廠(chǎng))。
1.2.1 不同質(zhì)量濃度苯磺隆和甲咪唑煙酸對(duì)各玉米自交系初生根長(zhǎng)的抑制試驗(yàn) 參考柴建方等[8]的濾紙卷直立發(fā)芽法。將10%苯磺隆可濕性粉劑和240 g/L甲咪唑煙酸水劑用蒸餾水分別稀釋為0.05、0.25、0.50、1.00、2.00 μg/L的溶液。在1 L的玻璃燒杯中加入苯磺隆和甲咪唑煙酸不同質(zhì)量濃度梯度溶液各500 mL(空白對(duì)照加入等量蒸餾水)。精選大小一致的玉米種子,將規(guī)格25 cm×15 cm的2張發(fā)芽紙重疊,在距上部邊緣3 cm左右位置處逐層卷入6粒玉米種子,之后用橡皮筋固定,放入裝有不同質(zhì)量濃度除草劑溶液的燒杯中,每個(gè)處理重復(fù)3次,于SPX-250智能生化培養(yǎng)箱中,溫度(28±1)℃、相對(duì)濕度80%條件下暗培養(yǎng)72 h。培養(yǎng)結(jié)束后小心取出發(fā)芽材料,測(cè)量主根長(zhǎng),計(jì)算不同質(zhì)量濃度除草劑對(duì)根長(zhǎng)生長(zhǎng)的抑制率,并以抑制率概率值(y)和質(zhì)量濃度值(x)建立回歸方程(y=a+bx),求出抑制中質(zhì)量濃度(IC50)[9]。抑制率=(對(duì)照根長(zhǎng)-處理根長(zhǎng))/對(duì)照根長(zhǎng)×100%。
1.2.2 不同質(zhì)量濃度苯磺隆和甲咪唑煙酸對(duì)各玉米自交系幼苗生長(zhǎng)的抑制試驗(yàn) 以田間劃分小區(qū)的方式,使每個(gè)小區(qū)內(nèi)種植玉米苗數(shù)相同。根據(jù)2種除草劑生產(chǎn)推薦濃度及其溶解性差異分別設(shè)置4個(gè)質(zhì)量濃度梯度,其中苯磺隆可濕性粉劑試驗(yàn)施用質(zhì)量濃度分別為166、334、667、1 334 mg/L,甲咪唑煙酸水劑試驗(yàn)施用質(zhì)量濃度分別為120、240、480、960 mg/L。用2 L手持壓縮式噴霧器對(duì)三葉一心期玉米莖葉均勻噴霧至表面形成液滴,對(duì)照噴施等量清水。施藥前后24 h內(nèi)無(wú)降雨,藥劑處理15 d后調(diào)查玉米苗生長(zhǎng)受抑制情況,植株受抑制表現(xiàn)為葉片枯黃和新葉牛尾狀扭曲不能正常抽出。幼苗生長(zhǎng)抑制率=(死亡株數(shù)+受抑制株數(shù))/小區(qū)總株數(shù)×100%。
1.2.3 不同濃度苯磺隆和甲咪唑煙酸對(duì)各玉米自交系胚芽鞘ALS活性的影響試驗(yàn) ALS的提取:參照范志金等[10]的方法。取暗培養(yǎng)3 d的玉米胚芽鞘0.5 g,剪碎后放入4 ℃預(yù)冷的研缽中,加入1.8 mL酶提取液(含1 mmol/L丙酮酸鈉、0.5 mmol/L MgCl2、0.5 mmol/L TPP、10 μmol/L FAD的0.1 mol/L pH值7.0的磷酸緩沖液)和適量石英砂,冰浴條件下快速研磨勻漿,置于裝有18 mg PVPP的2 mL離心管中,迅速旋渦混勻后置于冰上,于4 ℃、20 000 g離心15 min。取上清液1.5 mL轉(zhuǎn)入干凈的2 mL離心管中,冰置備用。
標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)制作:分別在1.5 mL離心管中加入100 μL的100、80、60、40、20、10、5、1 nmol/mL乙偶姻溶液(以5 μL蒸餾水為空白,用于調(diào)零),加入0.5%肌酸50 μL和5% 1-萘酚50 μL,60 ℃金屬浴顯色15 min,迅速置于冰浴中冷卻1 min后,12 000 r/min離心2 min,取上清于520 nm比色。以O(shè)D520為橫坐標(biāo)、乙偶姻濃度為縱坐標(biāo)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。
離體條件下ALS活性測(cè)定:在96孔酶標(biāo)板中用排槍先加入50 μL酶液,然后加入苯磺隆和甲咪唑煙酸溶液至終濃度分別為0.05、0.5、5、50、500 nmol/L(以磷酸鉀緩沖液為對(duì)照),再加入45 μL酶反應(yīng)液(含1 mmol/L 氯化鎂、0.1 mmol/L TPP、10 μmol/L FAD-Na2、40 mmol/L丙酮酸鈉的20 mmol/L pH值7.5的磷酸鉀緩沖液),吸打混勻后在酶標(biāo)儀上35 ℃溫育1 h。然后加入3 mol/L硫酸10 μL終止反應(yīng),吸打混勻后在酶標(biāo)儀上60 ℃脫羧15 min。最后,加入0.5%肌酸50 μL和5% 1-萘酚50 μL,吸打混勻后在酶標(biāo)儀上60 ℃溫育顯色15 min,迅速置于冰浴中冷卻1 min后,2 700 g離心2 min,取上清200 μL轉(zhuǎn)入新酶標(biāo)板中于520 nm比色(樣品溶液A)。每份酶液設(shè)置1個(gè)滅活樣(空白樣品A0,50 μL酶液中先加入3 mol/L硫酸10 μL,再加45 μL酶反應(yīng)液和5 μL磷酸鉀緩沖液,不進(jìn)行35 ℃溫育,后續(xù)同步脫羧和顯色)。用樣品實(shí)測(cè)吸光值(A-A0)代入乙偶姻標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析,計(jì)算出樣品鮮質(zhì)量的酶活性(U/mg,以每小時(shí)生成1 nmol乙酰乳酸為1個(gè)活性單位,以乙酰乳酸脫羧生成的乙偶姻進(jìn)行顯色反應(yīng))。
試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)均錄入Excel軟件后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算分析。
不同質(zhì)量濃度的苯磺隆和甲咪唑煙酸對(duì)7種玉米骨干自交系的初生根長(zhǎng)均有抑制作用,抑制效果均隨著除草劑質(zhì)量濃度的增加明顯增強(qiáng)(圖1和圖2)。在苯磺隆最高質(zhì)量濃度2.00 μg/L下,自交系C92的根長(zhǎng)抑制率最高(66.4%),自交系178的根長(zhǎng)抑制率最低(19.5%);在甲咪唑煙酸最高質(zhì)量濃度2.00 μg/L下,自交系C92的根長(zhǎng)抑制率最高(80.6%),自交系178的根長(zhǎng)抑制率最低(32.4%)。由此可知,在相同質(zhì)量濃度下,甲咪唑煙酸對(duì)各玉米自交系的抑制效果強(qiáng)于苯磺隆。
苯磺隆質(zhì)量濃度/(μg/L)Tribenuron-methyl mass concentration圖1 不同質(zhì)量濃度苯磺隆對(duì)各玉米自交系初生根長(zhǎng)抑制率的影響Fig.1 Effects of different concentrations of tribenuron-methyl on the inhibition rate of primary root length of mazie inbred lines
甲咪唑煙酸質(zhì)量濃度/(μg/L)Imazapic mass concentration圖2 不同質(zhì)量濃度甲咪唑煙酸對(duì)各玉米自交系初生根長(zhǎng)抑制率的影響Fig.2 Effects of different concentrations of imazapic on the inhibition rate of primary root length of mazie inbred lines
不同玉米自交系初生根長(zhǎng)對(duì)苯磺隆和甲咪唑煙酸的敏感性差異如表1和表2所示,在苯磺隆抑制下各自交系的IC50值為4.70~14.19 μg/L,甲咪唑煙酸抑制下各自交系的IC50值為3.70~9.57 μg/L,C92最為敏感,178耐受能力最強(qiáng)。根據(jù)IC50值,各自交系對(duì)2種除草劑的敏感性均為:C92>京724>京2416>B73>鄭58>HZ178>178。
表1 各玉米自交系初生根長(zhǎng)對(duì)苯磺隆的敏感性Tab.1 Sensitivity of the primary root length of maize inbred lines to tribenuron-methyl
表2 各玉米自交系初生根長(zhǎng)對(duì)甲咪唑煙酸的敏感性Tab.2 Sensitivity of the primary root length of maize inbred lines to imazapic
如圖3所示,各自交系幼苗的生長(zhǎng)抑制率隨著苯磺隆質(zhì)量濃度的提高而升高,但是各質(zhì)量濃度梯度的苯磺隆對(duì)自交系178和HZ178的抑制率明顯低于其他5個(gè)自交系。當(dāng)苯磺隆質(zhì)量濃度為334 mg/L時(shí),自交系C92、京724、京2416、B73和鄭58表現(xiàn)較為敏感,抑制率達(dá)到60.7%以上;178和HZ178的抑制率在11.2%~21.1%,敏感性較低。當(dāng)苯磺隆質(zhì)量濃度達(dá)到667 mg/L時(shí),178和HZ178的抑制率在21.2%~32.3%,其他5個(gè)自交系的抑制率均超過(guò)83.3%。當(dāng)苯磺隆質(zhì)量濃度提高到1 334 mg/L時(shí),178和HZ178的抑制率在30.8%~45.0%,而其他5種自交系的抑制率均達(dá)到100%。由此可見(jiàn),自交系C92、京724、京2416、B73和鄭58相比178和HZ178對(duì)除草劑苯磺隆較敏感。
苯磺隆質(zhì)量濃度/(mg/L)Tribenuron-methyl mass concentration圖3 不同質(zhì)量濃度苯磺隆對(duì)各玉米自交系幼苗生長(zhǎng)抑制率的影響Fig.3 Effects of different concentrations of tribenuron-methyl on growth inhibition rate of seedlings of maize inbred lines
如圖4所示,隨著甲咪唑煙酸質(zhì)量濃度的升高,各自交系幼苗的生長(zhǎng)抑制率逐漸增大。在甲咪唑煙酸質(zhì)量濃度為120 mg/L下,C92、京724、京2416、B73和鄭58的抑制率均在50.5%以上;而178和HZ178的抑制率在30.5%~40.0%,敏感性略低。當(dāng)甲咪唑煙酸質(zhì)量濃度達(dá)到240 mg/L時(shí),178和HZ178的抑制率在50.5%~61.9%,其他5個(gè)自交系的抑制率均大于80.5%。當(dāng)甲咪唑煙酸質(zhì)量濃度為480 mg/L時(shí),178和HZ178的抑制率約為80%,而其他5種自交系的抑制率均達(dá)到100%。在甲咪唑煙酸質(zhì)量濃度提高至960 mg/L時(shí),7種自交系全部死亡,抑制率均達(dá)到100%。
甲咪唑煙酸質(zhì)量濃度/(mg/L)Imazapic mass concentration圖4 不同質(zhì)量濃度甲咪唑煙酸對(duì)各玉米自交系幼苗生長(zhǎng)抑制率的影響Fig.4 Effects of different concentrations of imazapic ongrowth inhibition rate of seedlings of maize inbred lines
綜合2種除草劑在相同質(zhì)量濃度下各自交系幼苗生長(zhǎng)的抑制率,可以推斷出不同自交系對(duì)2種除草劑的敏感性均為:C92>京724>京2416>B73>鄭58>HZ178>178。
隨著苯磺隆濃度升高,自交系C92、京724、京2416、B73和鄭58的ALS活性均呈現(xiàn)下降趨勢(shì);178和HZ178在苯磺隆濃度達(dá)到0.05 nmol/L之后,ALS活性相對(duì)穩(wěn)定,其ALS活性受苯磺隆影響不明顯(圖5)。由此可見(jiàn),自交系C92、京724、京2416、B73和鄭58的ALS活性相比178和HZ178對(duì)苯磺隆更敏感。
苯磺隆濃度/(nmol/L)Tribenuron-methyl concentration圖5 不同濃度苯磺隆對(duì)各玉米自交系A(chǔ)LS活性的影響Fig.5 Effects of different concentrations of tribenuron-methyl on the ALS activity of maize inbred lines
如圖6所示,在甲咪唑煙酸濃度為0.05 nmol/L時(shí),各玉米自交系胚芽鞘的ALS活性都表現(xiàn)出下降的趨勢(shì);隨后在甲咪唑煙酸濃度升高至5 nmol/L期間,各自交系酶活性曲線(xiàn)波動(dòng)幅度較??;當(dāng)甲咪唑煙酸濃度從5 nmol/L升高至500 nmol/L期間,自交系C92、京724、京2416、B73和鄭58的ALS活性曲線(xiàn)顯著下降,而178和HZ178兩者酶活性曲線(xiàn)無(wú)明顯下降趨勢(shì)。由此推斷,在甲咪唑煙酸作為抑制劑的條件下,自交系C92、京724、京2416、B73和鄭58的ALS活性相比178和HZ178更敏感。
甲咪唑煙酸濃度/(nmol/L)Imazapic concentration圖6 不同濃度甲咪唑煙酸對(duì)各玉米自交系A(chǔ)LS活性的影響Fig.6 Effects of different concentrations of imazapic on the ALS activity of maize inbred lines
綜合圖5和圖6,2種除草劑在濃度達(dá)到500 nmol/L時(shí),甲咪唑煙酸比苯磺隆對(duì)玉米胚芽鞘內(nèi)的ALS活性抑制作用更強(qiáng),由此推斷,7種玉米骨干自交系對(duì)甲咪唑煙酸比苯磺隆敏感。
ALS抑制劑類(lèi)除草劑在玉米田中主要用于防除禾本科雜草和某些闊葉雜草。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)的ALS抑制劑類(lèi)除草劑約有13類(lèi)50種之多,包括磺酰脲類(lèi)(Sulfonylureas,SU)、咪唑啉酮類(lèi)(Imidazolinones,IMI)、嘧啶水楊酸類(lèi)(Pyrimidinylthiobenzoates,PTB)、三唑并嘧啶類(lèi)(Triazolopyrimidines,TP)等[11]?;酋k孱?lèi)除草劑在玉米生產(chǎn)中應(yīng)用最多的主要是煙嘧磺隆和砜嘧磺隆,而苯磺隆的應(yīng)用多集中在小麥上[12]。咪唑啉酮類(lèi)除草劑的應(yīng)用主要在大豆和花生上[12],在玉米上的應(yīng)用未見(jiàn)報(bào)道。本研究應(yīng)用2種ALS抑制劑類(lèi)除草劑苯磺隆和甲咪唑煙酸探討7種玉米骨干自交系的敏感性差異。初生根長(zhǎng)抑制試驗(yàn)結(jié)果表明,在苯磺隆和甲咪唑煙酸抑制下各自交系的IC50值分別在4.70~14.19 μg/L和3.70~9.57 μg/L,其中C92最為敏感,178耐受能力最強(qiáng);幼苗生長(zhǎng)抑制試驗(yàn)結(jié)果顯示,各自交系幼苗的生長(zhǎng)抑制率隨著苯磺隆和甲咪唑煙酸質(zhì)量濃度的提高而升高,但苯磺隆對(duì)自交系178和HZ178的抑制率明顯低于其他5個(gè)自交系;ALS活性試驗(yàn)反映出自交系C92、京724、京2416、B73和鄭58的ALS活性相比178和HZ178,對(duì)抑制劑苯磺隆和甲咪唑煙酸更敏感。以上試驗(yàn)結(jié)果表明,7個(gè)自交系對(duì)2種除草劑的敏感性均為C92>京724>京2416>B73>鄭58>HZ178>178,各自交系均對(duì)甲咪唑煙酸更敏感;自交系C92、京724和京2416相比B73、鄭58、178和HZ178均對(duì)苯磺隆及甲咪唑煙酸更加敏感,是利用基因編輯技術(shù)篩選培育抗ALS抑制劑類(lèi)除草劑突變體的優(yōu)良受體材料。
自20世紀(jì)70年代以來(lái),國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出一系列超高效磺酰脲類(lèi)和咪唑啉酮類(lèi)除草劑,針對(duì)這類(lèi)除草劑在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)一些敏感作物產(chǎn)生藥害等問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了大量研究。陳錫嶺等[13]發(fā)現(xiàn),芐嘧磺隆對(duì)玉米不同品種根的生長(zhǎng)有不同的抑制作用。謝娜等[14]發(fā)現(xiàn),不同玉米品種對(duì)氯吡嘧磺隆的耐藥性有較大差異,其中甜玉米耐藥性最差。已有研究表明,玉米不同類(lèi)型品種對(duì)煙嘧磺隆耐藥性的差異是作物的遺傳特性和所處的環(huán)境條件等因素共同作用的結(jié)果,其中作物的遺傳特性是其產(chǎn)生耐藥性的主要因素[15]。本研究通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的平行比較和趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn),自交系對(duì)苯磺隆和甲咪唑煙酸的敏感性均依次為C92>京724>京2416>B73>鄭58>HZ178>178,同時(shí)這些材料對(duì)甲咪唑煙酸比苯磺隆更為敏感。對(duì)于C92等對(duì)ALS抑制劑類(lèi)除草劑較敏感的材料,應(yīng)在生產(chǎn)中選擇合適劑量以避免發(fā)生藥害。
王煥民[16]通過(guò)研究表明,由于磺酰脲類(lèi)和咪唑啉酮類(lèi)除草劑的水溶性不同,外界條件中土壤pH值對(duì)于兩者的活性和安全性影響較大。KOEPPE等[17]指出,不同植物對(duì)磺酰脲類(lèi)除草劑的耐藥性差異主要與其代謝降解速度有關(guān)。另有YOON等[18]指出,Lys255F和Lys255Q突變可以導(dǎo)致植物對(duì)磺酰脲類(lèi)和咪唑啉酮類(lèi)除草劑產(chǎn)生很強(qiáng)的抗性。對(duì)ALS抑制劑類(lèi)除草劑的抗性機(jī)制可概括為:(1)除草劑在作物體內(nèi)的代謝功能提升;(2)作用靶標(biāo)發(fā)生變異使除草劑毒力降低;(3)作物不同的吸收和傳導(dǎo)作用使到達(dá)作用部位的藥量下降[19]。本研究在生理和形態(tài)指標(biāo)上初步探索了玉米不同骨干自交系對(duì)不同濃度苯磺隆和甲咪唑煙酸的耐藥性差異,對(duì)于各自交系間產(chǎn)生這些差異的原因,有待于從代謝降解途徑和ALS作用靶標(biāo)等生化機(jī)制方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究。