氯氟吡啶酯對水稻的安全性及選擇性機制研究

許夢嬌,孫徐濤,彭震,房加鵬,董立堯*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院/農(nóng)作物生物災(zāi)害綜合治理教育部重點實驗室,江蘇 南京 210095;2.上海市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心,上海 201100)

水稻是我國種植面積最大的糧食作物之一,在2015年水稻的種植面積就已經(jīng)達到我國糧食種植面積的30%［1］。目前,隨著直播稻田面積的迅速擴大,直播稻田草害的問題日益嚴峻。研究表明,當(dāng)雜草密度達到254株·m-2時,水稻就會減產(chǎn)超過70%［2］。由于稻田草害猖獗,化學(xué)除草因其經(jīng)濟高效的特點已經(jīng)成為我國稻田雜草防除的首選方式,但化學(xué)除草劑連年使用導(dǎo)致我國稻田部分雜草抗藥性嚴重,抗丁草胺的稗草、抗五氟磺草胺的稗草、抗二氯喹啉酸的西來稗、抗芐嘧磺隆等磺酰脲類除草劑的耳基水莧、抗氰氟草酯的千金子等抗性雜草相繼被發(fā)現(xiàn)［3-8］。因此,開發(fā)不同作用機制、殺草譜廣的稻田化學(xué)除草劑具有重要意義。

氯氟吡啶酯是一種芳香基吡啶甲酸酯類苗后莖葉處理除草劑,是一種新型的人工合成激素類除草劑。氯氟吡啶酯對哺乳動物安全,對環(huán)境友好,水中的溶解度僅有15 μg·L-1,且在土壤中移動性小。氯氟吡啶酯適配性強,可根據(jù)市場的需求配制成懸浮劑、乳油等液體制劑,還可配制成顆粒劑等固體制劑［9］。

激素類除草劑主要是模擬生長素(IAA)在高濃度時抑制植物生長的特點來發(fā)揮作用。作為IAA的類似物,激素類除草劑進入植物體內(nèi),會打破植物體內(nèi)原有的植物激素平衡體系。Xu等［10］研究發(fā)現(xiàn)番茄(Solanumlycopersicum)對2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)非常敏感,經(jīng)2,4-D處理的番茄在6 h后會出現(xiàn)新葉變窄的現(xiàn)象。進一步研究發(fā)現(xiàn),2,4-D會促使體內(nèi)IAA15基因過表達,進而介導(dǎo)ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo),促使大量脫落酸(ABA)的積累。二氯喹啉酸與2,4-D是通過誘導(dǎo)乙烯的生成導(dǎo)致升馬唐(Digitariaadscendens)死亡［11］。McCauley等［12］研究表明,經(jīng)過2,4-D、麥草畏、氟氯吡啶酯等激素類除草劑處理后的加拿大小飛蓬(Erigeroncanadensis),其葉片內(nèi)ABA生成量逐漸增加,是干旱脅迫造成植株死亡過程中ABA生成量的3倍。目前,關(guān)于氯氟吡啶酯的殺草活性及其作用機制已有系統(tǒng)研究,其作用機制是擾亂植物體內(nèi)的激素平衡,誘導(dǎo)植物生成活性氧,進一步導(dǎo)致植物死亡［13］。但對水稻的安全性以及選擇性原理鮮見報道。本研究旨在明確氯氟吡啶酯對水稻的安全性,并初步在生理生化層面揭示氯氟吡啶酯的選擇性原理,為田間使用氯氟吡啶酯防除雜草、避免藥害及減少經(jīng)濟損失提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水稻品種為粳稻‘武運粳33’‘徐稻9號’‘淮稻5號’,秈稻‘兩優(yōu)669’‘旱優(yōu)73’以及糯稻‘大華1號’,水稻種子均購于江蘇省揚州市江都區(qū)里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)所。雜草為原變稗,2017年10月采自浙江嘉興水稻田。3%氯氟吡啶酯乳油購于美國科迪華農(nóng)業(yè)科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 氯氟吡啶酯對旱直播、水直播及移栽水稻的安全性研究試驗于2018和2019年5—10月進行,采用室內(nèi)整株生物測定法,水稻的葉齡由試驗需求而決定并根據(jù)旱直播、水直播、移栽水稻的相關(guān)試驗要求,按氯氟吡啶酯有效成分劑量(3.75、7.5、15、30和60 g·hm-2)分別進行莖葉噴霧。采用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所生產(chǎn)的3WP-2000型行走式生測噴霧塔,將栽有供試植株的塑料盆缽置于噴霧塔中,噴頭勻速前進,藥液均勻分布在供試植株上。待藥液完全被植株吸收后,將供試植株繼續(xù)置于溫室中培養(yǎng)(白天30 ℃,晚上25 ℃)。在藥劑處理21 d后,測定植株地上部鮮重,然后計算水稻種群的GR10值(抑制水稻生長10%的劑量)、稗草的GR90值(抑制雜草生長90%的劑量),并計算出選擇性指數(shù)。每個處理組設(shè)置4次生物學(xué)重復(fù)。鮮重抑制率=(對照雜草鮮重-處理雜草鮮重)/對照雜草鮮重×100%;選擇性指數(shù)(Z)=GR10/GR90。選擇性指數(shù)(Z):Z<2表示對水稻不安全;24表示對水稻安全。

1.2.2 IAA和ABA含量的測定植株培養(yǎng)及施藥方法與1.2.1節(jié)相同,氯氟吡啶酯的噴施劑量為15 g·hm-2,水稻品種為‘淮稻5號’。莖葉噴施氯氟吡啶酯后0(未經(jīng)氯氟吡啶酯處理)、12、24 和48 h后收集植株地上部0.2 g,每個時間點同時收集1個未用氯氟吡啶酯處理的對照組,每個處理設(shè)置3個生物學(xué)重復(fù),用錫箔紙包裹取好的樣品迅速置于液氮中,-70 ℃冰箱中保存。提取步驟為:取80%甲醇(2 mL)加入平衡柱,然后進行上樣并收集樣品,移開樣品后依次用100%甲醇(2 mL)和100%乙醚(2 mL)洗柱。完成后加入2 mL 70%甲醇并循環(huán)加樣。將過柱后的洗脫液轉(zhuǎn)移至2 mL的離心管中。IAA測定方法采用ELISA試劑盒法,測定步驟:配制IAA標樣溶液后進行加樣并溫育,洗滌完成加入酶標試劑后溫育,再進行洗滌和顯色反應(yīng),至終止反應(yīng)后測定吸光值。ABA測定方法采用HPLC-MS方法,測定步驟:將樣品加入裝有內(nèi)襯管的液質(zhì)進樣小瓶中,在測定之前所有樣品要過0.22 μm的有機濾膜。將小瓶放入三重四級桿液質(zhì)聯(lián)用儀中進行測定［14］。

1.2.3 乙烯(ET)釋放量的測定按照1.2.1節(jié)的方法培養(yǎng)植株與藥劑處理,水稻品種為‘淮稻5號’。根據(jù)Abdallah等［15］報道的氣相色譜方法測定乙烯釋放量。

1.2.4 1-氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)含量和1-氨基環(huán)丙烷羧酸合成酶(ACS)、1-氨基環(huán)丙烷羧酸氧化酶(ACO)活性的測定參照Lizada等［16］的方法測定ACC含量;采用Grossmann等［17］的方法測定ACS活性;按照 Zacarias［18］的方法測定ACO活性。

2 結(jié)果與分析

2.1 氯氟吡啶酯對不同類型水稻的安全性研究

氯氟吡啶酯對6個水稻種群(2個秈稻品種、3個粳稻品種和1個糯稻品種)在不同葉期(1.5葉期、2.5葉期、3.5葉期和4.5葉期)的安全性結(jié)果見表1—表4。在水稻1.5葉期時,在30 g·hm-2氯氟吡啶酯處理下,6個供試水稻種群的鮮重抑制率都超過10%,2個秈稻種群的鮮重抑制率甚至超過20%;對6種水稻的選擇性指數(shù)均小于2,不安全。在水稻2.5葉期時,氯氟吡啶酯仍對水稻有很強的抑制作用,對6種水稻的選擇性指數(shù)均小于2,不安全。在水稻3.5葉期時,氯氟吡啶酯對供試水稻的鮮重抑制率為9.16%～13.64%,選擇性指數(shù)均小于2,不安全。在水稻4.5葉期時,氯氟吡啶酯對供試水稻的鮮重抑制率為2.90%～5.46%。隨著水稻葉齡的增加,水稻的選擇性指數(shù)也逐漸增大。在水稻4.5葉期時,選擇性指數(shù)為1.11～1.65,雖然選擇性指數(shù)仍小于2,但在田間推薦劑量30 g·hm-2處理下,氯氟吡啶酯對幾個種群的鮮重抑制率均下降到5%左右,在旱直播的栽培方式下可以接受。同時可以看出選擇性指數(shù)從大到小的水稻類型依次為粳稻、糯稻、秈稻。

表1 不同類型1.5葉期水稻對氯氟吡啶酯的敏感性Table 1 The sensitivity of different type rice at 1.5 leaf stage to florpyrauxifen-benzy

表2 不同類型2.5葉期水稻對氯氟吡啶酯的敏感性Table 2 The sensitivity of different type rice at 2.5 leaf stage to florpyrauxifen-benzy

表3 不同類型3.5葉期水稻對氯氟吡啶酯的敏感性Table 3 The sensitivity of different type rice at 3.5 leaf stage to florpyrauxifen-benzy

表4 不同類型4.5葉期水稻對氯氟吡啶酯的敏感性Table 4 The sensitivity of different type rice at 4.5 leaf stage to florpyrauxifen-benzy

2.2 氯氟吡啶酯對不同栽培方式水稻的安全性研究

氯氟吡啶酯對旱直播、水直播、移栽水稻的安全性結(jié)果見表5—表8。在相同葉齡、同一水稻種群在相同劑量處理下,氯氟吡啶酯對旱直播水稻的抑制作用大于水直播水稻。在水稻3.5葉期時,在旱直播的栽培方式下,30 g·hm-2氯氟吡啶酯對‘淮稻5號’‘運粳33’的鮮重抑制率分別為11.34%和9.16%,選擇性指數(shù)分別為0.37和0.29;在水直播的栽培方式下,氯氟吡啶酯對‘淮稻5號’‘武運粳33’的鮮重抑制率分別為3.69%和8.62%,選擇性指數(shù)分別為0.59和0.31。在移栽的栽培方式下,在推薦劑量27 g·hm-2氯氟吡啶酯對‘淮稻5號’‘武運粳33’的鮮重抑制率分別為3.04%和2.96%,其選擇性指數(shù)分別為4.87和4.39,均大于4。在2倍推薦劑量54 g·hm-2下,這3個水稻種群的鮮重抑制率略有升高,但都低于10%。因此,氯氟吡啶酯的抑制作用從大到小的水稻栽培方式依次為旱直播、水直播、移栽。

表5 不同栽培方式1.5葉期水稻對氯氟吡啶酯的敏感性Table 5 The sensitivity of rice of different cultivations method at 1.5 leaf stage to florpyrauxifen-benzy

表6 不同栽培方式2.5葉期水稻對氯氟吡啶酯的敏感性Table 6 The sensitivity of rice of different cultivation methods at 2.5 leaf stage to florpyrauxifen-benzy

表7 不同栽培方式3.5葉期水稻對氯氟吡啶酯的敏感性Table 7 The sensitivity of rice of different cultivation methods at 3.5 leaf stage to florpyrauxifen-benzy

表8 移栽水稻對氯氟吡啶酯的敏感性Table 8 The sensitivity of transplanting rice to florpyrauxifen-benzy

2.3 氯氟吡啶酯對稗草及水稻體內(nèi)IAA、ABA、ET含量變化的影響

從表9可以看出,經(jīng)過氯氟吡啶酯處理后,稗草與水稻‘淮稻5號’IAA和ET含量均呈先上升后下降的趨勢。氯氟吡啶酯處理12 h,稗草體內(nèi)IAA含量最高,為對照組(CK)的1.62倍,水稻體內(nèi)IAA含量最高,為對照組的1.28倍;氯氟吡啶酯處理36 h,稗草體內(nèi)ET含量最高,為對照組的7.64倍,而水稻體內(nèi)ET含量最高僅為對照組的1.78倍。因此,對氯氟吡啶酯敏感性高的稗草在氯氟吡啶酯處理后,體內(nèi)IAA的含量以及ET含量均高于氯氟吡啶酯敏感性低的水稻。經(jīng)過氯氟吡啶酯處理后,稗草與水稻體內(nèi)ABA含量都明顯升高,稗草體內(nèi)ABA含量一直呈上升趨勢,在72 h ABA含量為對照組的7.05倍。水稻‘淮稻5號’在氯氟吡啶酯處理后ABA含量變化總體呈先上升后下降的趨勢,12 h ABA含量最高,為對照組的1.76倍。這表明氯氟吡啶酯更容易誘導(dǎo)稗草產(chǎn)生ABA,且稗草體內(nèi)ABA含量高于水稻。

表9 氯氟吡啶酯處理對原變稗與水稻‘淮稻5號’IAA、ET和ABA含量的影響Table 9 Effects of florpyrauxifen-benzyl treatment on IAA,ET and ABA contents of E. crusgalli and rice ‘Huaidao 5’

2.4 氯氟吡啶酯對稗草及水稻體內(nèi)ACC含量及ACS、ACO活性的影響

從表10可知,在氯氟吡啶酯處理后稗草與水稻體內(nèi)ACC含量及ACS、ACO活性都有一定程度的提高,且均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,在處理36 h時達到最高值。水稻ACC含量以及ACS、ACO活性的變化幅度均小于稗草。36 h時,稗草ACC含量以及ACS、ACO活性提高,分別為對照組的3.88、5.97和2.71倍,而水稻ACC含量以及ACS、ACO活性最高僅為對照組的1.94、1.71、和1.42倍。

表10 氯氟吡啶酯處理對原變稗與水稻‘淮稻5號’ACC含量和ACS、ACO活性的影響Table 10 Effects of florpyrauxifen-benzyl treatment on ACC content and ACS,ACO activity ofE. crusgalli and rice‘Huaidao 5’

3 討論與結(jié)論

隨著市場經(jīng)濟和工業(yè)化水平的發(fā)展,水稻機械化直播栽培技術(shù)正在逐步成為我國水稻主要的栽培方式。直播稻田的條件十分有利于雜草的生長,草害往往十分嚴重,在利用除草劑防除雜草時,由于使用不規(guī)范、天氣條件突然變化,除草劑與作物本身特性不符等因素,很容易造成藥害。合成激素類除草劑藥害通常表現(xiàn)為葉片卷曲、秧苗心葉,嚴重時形成蔥管葉等,最終導(dǎo)致根系變大,植株矮化,分蘗減少。因此,明確該類除草劑對水稻的安全性十分必要。

本研究以水稻田6個常見的水稻品種為研究對象,探究氯氟吡啶酯對不同類型水稻在不同栽培方式下、不同生長時期用藥的安全性。研究發(fā)現(xiàn),低葉齡的水稻對氯氟吡啶酯比較敏感,比較容易發(fā)生藥害,這可能與低葉齡水稻抵抗氧化脅迫能力低有關(guān)［13］。在不同的栽培方式下,氯氟吡啶酯對移栽稻的安全性最高,可能是由于水稻在移栽時葉齡較大,對氯氟吡啶酯的耐受性強。而水直播的安全性比旱直播高的原因可能是由于水直播播種的是已經(jīng)露白的種子,其出苗后秧苗健壯、根系發(fā)達,抗逆性更好。在相同栽培方式及相同葉齡下,氯氟吡啶酯處理下粳稻種群的鮮重抑制率普遍比秈稻低,說明秈稻對氯氟吡啶酯的敏感性更高。這可能是因為秈稻品種株形較松散,葉片寬、披,葉毛較多,而粳稻品種株形較緊湊,葉片窄、挺,葉毛少,故而在施藥劑量相同的情況下,藥液更易在秈稻的葉片表面附著［19］。

本研究中經(jīng)過氯氟吡啶酯處理的稗草,與未經(jīng)藥劑處理的稗草相比,其體內(nèi)IAA、ABA和ET含量顯著升高。進一步研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)藥劑處理的稗草其ACC含量及ACO和ACS活性顯著變化且這些激素含量或者酶的活性的變化幅度在均明顯高于水稻。這表明稗草受到氯氟吡啶酯脅迫后,體內(nèi)激素平衡狀態(tài)被擾亂的程度更高,而水稻的耐受性更強,這是氯氟吡啶酯在稗草與水稻之間具有選擇性的原因之一。這與此前關(guān)于激素類除草劑作用特性的諸多報道是一致的［10-13］。

綜上所述,本文探究了氯氟吡啶酯對不同類型水稻、不同栽培方式水稻、水稻不同生長時期用藥的安全性,并在生理生化層面上揭示氯氟吡啶酯的選擇性原理,初步明確擾亂植物體內(nèi)植物激素的動態(tài)平衡是氯氟吡啶酯的選擇性原理之一,是否存在其他選擇性機制以及氯氟吡啶酯處理后IAA、ABA及ET含量變化與ACC含量及ACS和ACO活性之間的聯(lián)系需要進一步明確。