稻田稗属杂草对芳氧苯氧丙酸酯类除草剂的差异敏感性及其机理

李永丰， 张自常， 杨 霞， 董明超， 张 彬， 韩建勇

(1.江苏省农业科学院植物保护研究所，江苏 南京 210014;2.美国FMC公司，江苏 淮安 223001)

稗草(Echinochloa)是一年生禾本科稗属植物的总称，目前全世界已发现约有15种稗草，中国有8种［1-2］。稗草是世界恶性杂草之一，同时也是中国农田15种恶性杂草之一，对水稻、棉花等多种作物生产危害尤为严重，仅稻田危害面积就达6.7×107hm2［3-6］。江苏省稻田稗属杂草共5个种和3个变种:无芒稗［Echinochloa cruspavonis(H.B.K)Schult］、西来稗［E.crusgalli(L.)Beauv var.zelayensis(H.B.K)Hitche］、稗［E.crusgalli(L.)Beavu.］、光头稗［E.colonum(Linn.)Link］、短芒稗［E.crusgalli(L.)Beauv.var.breviseta(Doell)Neilr.］、长芒稗［E.caudata Rochev.］、孔雀稗［E.cruspavonis(H.B.K.)Schult］和硬稃稗［E.glabrescens Munro ex Hook.F.］。由于稗属杂草形态相似，在生产中往往将其作为一个草种防除，重复盲目地使用除草剂，加速了稻田杂草种群演替与抗性杂草产生，而稗属杂草间对芳氧苯氧丙酸类除草剂的敏感差异性，目前未见研究报道。

噁唑酰草胺(韩秋好)和氰氟草酯属于芳氧苯氧丙酸类除草剂，其高效、低毒、低残留，是近年来广泛应用于防控稻田稗草的常用茎叶除草剂。其作用机理表现为杂草叶片和叶鞘吸收除草剂，韧皮部传导，除草剂积累于杂草的分生组织区，使脂肪酸合成停止，细胞的生长分裂不能正常进行，膜系统等含脂结构破坏，最后导致杂草死亡。通常植物在遭受胁迫时，植物体内也有一套复杂的活性氧(ROS)清除系统来保护植物细胞免受活性氧的损伤［7］。本研究将以江苏省稻田中普遍发生的8种稗草为供试材料，采用整株生物测定的方法，通过测定施药后25 d供试稗草对芳氧苯氧丙酸酯类除草剂(噁唑酰草胺和氰氟草酯)的GR50值，发现稗属不同种群对供试药剂的敏感差异性;进一步分析经供试药剂处理后，供试稗属草种的丙二醛含量，过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的活性变化，阐明稗属草种对芳氧苯氧丙酸类除草剂敏感差异性的生理基础，以期为稻田稗属杂草的绿色治理、农田生态环境保护提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

无芒稗、西来稗、稗、光头稗、短芒稗、长芒稗、孔雀稗和硬稃稗均于2012年采自江苏省稻田;供试药剂分别为苏中富美实植物保护有限公司提供的10%的噁唑酰草胺和浙江天一农化有限公司提供的25%氰氟草酯。

1.2 试验准备与试验设计

参照Yang等的方法［8］稍加改进。将底部打孔的直径为9 cm的塑料盆钵装满土，底部吸水至土壤水分饱和，播种已解除休眠的上述5个种和3个变种，每个种或变种播48钵，每钵播种30粒种子，待出苗后定苗20株。稗草长至三叶期喷施药剂。噁唑酰草胺所设剂量为0(清水)、22.5 g/hm2，a.i.、45.0 g/hm2，a.i.、90.0 g/hm2，a.i.(常用推荐剂量)、180.0 g/hm2，a.i.、360.0 g/hm2，a.i.;氰氟草酯所设剂量为 0(清水)、18.75 g/hm2，a.i.、37.50 g/hm2，a.i.、75.00 g/hm2，a.i.(常用推荐剂量)、150.00 g/hm2，a.i.、300.00 g/hm2，a.i.，每个种或变种处理4钵，筛选出对2种除草剂敏感、较敏感和不敏感的稗草种群，在此基础上分别在敏感种群、较敏感种群和不敏感种群选择一个种或变种再次按上述剂量分别喷施除草剂，测定保护酶活性。每个剂量处理6钵。喷雾采用农业部南京农业机械化研究所生产的3WPSH-500D型生测喷雾塔，喷雾压力0.3 MPa，雾滴直径 100 μm，喷头流量 90 ml/min。

1.3 指标测定与数据处理

1.3.1 数据处理 药后25 d，调查各处理稗草残存植株数，并在105℃杀青15 min，75℃烘至恒质量，称干质量。以对照(不施药)处理的干质量为标准，分别计算供试药剂不同剂量处理稗草的植株干质量抑制率，用SPSS统计软件分别求出供试药剂对8种稗草种群的毒力回归方程式、GR50(抑制稗草干质量50%所需要的药剂剂量)等，并以供试材料GR50值进行聚类分析，得到敏感、较敏感与不敏感的供试稗草种群。

1.3.2 保护酶活性测定 分别于处理后的第1 d、3 d和5 d用硫代巴比妥酸比色法［9］测定敏感种群、较敏感种群和不敏感种群整株中的丙二醛(MDA)含量、用比色法［10］测定过氧化物酶(POD)活性和过氧化氢酶(CAT)活性，用NBT光化还原法［11］测定超氧化物歧化酶(SOD)活性。

2 结果与分析

2.1 噁唑酰草胺和氰氟草酯对供试稗草毒力差异

由表1可见，喷施芳氧苯氧丙酸酯类除草剂后25 d，不同处理间的稗草干质量GR50值存在显著差异，其中稗草种群对噁唑酰草胺最敏感，其GR50值仅为21.37 g/hm2，a.i.;无芒稗种群的GR50值为稗草种群的5.84倍。供试材料对噁唑酰草胺的敏感强弱次序为稗、长芒稗、短芒稗、西来稗、孔雀稗、硬稃稗、光头稗与无芒稗。但是对供试药剂氰氟草酯而言，西来稗种群最敏感，其GR50值仅为最不敏感种群无芒稗的1/3。供试材料对氰氟草酯的敏感性强弱依次为西来稗、长芒稗、孔雀稗、短芒稗、光头稗、硬稃稗、稗和无芒稗。

表1 噁唑酰草胺和氰氟草酯对8种稗草的干质量毒力差异Table 1 Toxicity difference of eight barnyardgrass species to metamifop and cyhalofopbutyl based on GR50in dry matter

对稗草各种群GR50值作聚类分析，2种供试药剂对8种稗草种群均可分为3类，噁唑酰草胺处理为:(a)稗和长芒稗，其 GR50值为 21.37～35.09 g/hm2，a.i.，为敏感种群;(b)短芒稗、西来稗和孔雀稗，其 GR50值为 47.38～80.39 g/hm2，a.i.;(c)硬稃稗、光头稗和无芒稗，其 GR50值为 96.14～124.58 g/hm2，a.i.，为不敏感种群(图 1);氰氟草酯处理为:(a)西来稗、长芒稗、孔雀稗、短芒稗和光头稗，其 GR50值为 24.29 ～47.65 g/hm2，a.i.，为敏感种群;(b)硬稃稗和稗，其GR50值为59.35～62.26 g/hm2，a.i.;(c)无 芒 稗，其 GR50值 是 76.97 g/hm2，a.i.，为不敏感种群(图2)。由此可见，稗属不同稗草种群间对芳氧苯氧丙酸酯类除草剂不同药剂的敏感性存在明显的差异性。

图1 噁唑酰草胺处理对8种稗草种群干质量GR50值的聚类分析Fig.1 Clustering analysis of eight barnyardgrass species based on the GR50in dry matter weight to metamifop

图2 氰氟草酯处理对8种稗草干质量GR50值的聚类分析Fig.2 Clustering analysis of eight barnyardgrass species based on the GR50in dry matter weight to cyhalofopbutyl

2.2 供试药剂对稗、西来稗与无芒稗植株体内膜脂过氧化酶活性的影响

为进一步验证不同稗草种或变种对2种除草剂的敏感差异性，从敏感种群、较敏感种群和不敏感种群中分别选择稗、西来稗和无芒稗为材料，从膜脂过氧化系统分析稗草种群植株中MDA含量、POD、CAT和SOD活性的差异。

2.2.1 MDA含量 图3显示，随着除草剂处理剂量的增加和时间的延长，稗、西来稗与无芒稗植株MDA含量呈不断增加的趋势，表明细胞膜质过氧化作用加剧。药后5 d，以供试药剂最高剂量处理(噁唑酰草胺，360 g/hm2，a.i.;氰氟草酯，300 g/hm2，a.i.)为例，经噁唑酰草胺处理的无芒稗MDA含量是敏感稗的0.68倍;经氰氟草酯处理的无芒稗MDA含量为敏感西来稗的0.65倍，敏感稗草种群受到的伤害较不敏感大，说明稗属杂草种群间抵抗胁迫的能力存在差异。

2.2.2 POD活性 由图4可知，3种稗草喷施不同剂量的除草剂后POD活性表现不同。喷施噁唑酰草胺1 d后各处理随着除草剂剂量的增加POD活性较对照(不施药清水处理)增加，但增加幅度因稗草种群和除草剂剂量的差异而不同。在1/4推荐剂量、1/2推荐剂量、推荐剂量、2倍推荐剂量和4倍推荐剂量下，稗植株内POD较对照分别增加了 14.99%、20.20%、22.21%、13.82%和6.43%;西来稗分别增加了13.34%、19.76%、17.23%、10.74%和7.84%;无芒稗分别增加了2.85%、6.27%、10.88%、17.23%和5.56%，可以看出，敏感种群POD活性增加幅度较大，不敏感种群增加较为缓慢。随着处理时间的延长，不同剂量下POD活性呈降低的趋势。施药5 d后，在1/4推荐剂量、1/2推荐剂量、推荐剂量、2倍推荐剂量和4倍推荐剂量下，稗的POD活性较对照分别下降14.80%、25.42%、21.29%、32.46%和53.18%;西来稗的 POD活性分 别 下 降 了 3.24%、18.43%、26.60%、35.98%和45.49%;无芒稗分别下降了6.78%、15.03%、16.94%、23.18%和32.50%，敏感种群下降幅度较大，不敏感种群下降幅度相对较小。3种稗草喷施不同剂量的氰氟草酯后也表现相似的变化趋势。

2.2.3 CAT活性 3种稗草处理后1 d，CAT活性随着除草剂剂量的增加呈先增加后降低的趋势;随着处理天数的延长，相同剂量下CAT活性逐渐降低(图5)。喷施噁唑酰草胺后敏感种群稗草(图5I A)增加幅度较大，1/4推荐剂量、1/2推荐剂量、推荐剂量、2倍推荐剂量和4倍推荐剂量下分别较对照增加了22.08%、26.90%、34.08%、24.78%和2.15%，但下降的幅度也较大，处理后5 d分别下降 了 9.18%、19.60%、31.14%、38.14%和54.54%;不敏感种群无芒稗(图5III A)CAT活性增加幅度较小，降低幅度也较小。处理后1 d，1/4推荐剂量、1/2推荐剂量、推荐剂量、2倍推荐剂量和4倍推荐剂量下分别增加了7.17% 、9.08% 、10.22% 、12.94% 和 5.80%;处理后5 d分别降低了 7.75%、14.84%、17.70%、27.99%和40.76%。喷施氰氟草酯后3种稗草表现了相似的趋势。

图3 2种除草剂对不同稗草种群中MDA含量的影响Fig.3 MDA contents in the stem and leaves of three barnyardgrass species affected by two herbicides

2.2.4 SOD活性 与上述2种酶活性一样，喷施2种除草剂1 d后SOD活性随着剂量的增加呈先增加后降低的趋势，敏感种群增加幅度大，不敏感种群增加幅度小;处理后5 d随着剂量的增加3种稗草种群SOD活性均呈降低的趋势，且剂量越大降低幅度也大。喷施噁唑酰草胺后稗草SOD活性变化幅度较大，不敏感种群无芒稗变化幅度较小。喷施氰氟草酯后西来稗变化幅度较大，无芒稗变化幅度较小(图6)。

图4 2种除草剂对不同稗草种群中POD活性的影响Fig.4 POD activities in the stem and leaves of three barnyardgrass species affected by two herbicides

3 讨论

本研究表明，不同稗草种对芳氧苯氧丙酸酯类型不同除草剂存在明显的敏感差异性，稗和长芒稗对噁唑酰草胺为敏感种群，短芒稗、西来稗和孔雀稗为较敏感种群，硬稃稗、光头稗和无芒稗为不敏感种群;对氰氟草酯而言，西来稗、长芒稗、孔雀稗、短芒稗和光头稗为敏感种群，硬稃稗和稗为较敏感种群，无芒稗为不敏感种群。乔丽雅对江苏省稻田稗草发生情况的调查显示，无芒稗、西来稗和稗在全省均有发生［12］，本研究发现这3种稗草对噁唑酰草胺和氰氟草酯存在差异敏感性。无芒稗对2种除草剂均不敏感，稗对噁唑酰草胺敏感，西来稗对氰氟草酯敏感。因此，对于耐药性较强的无芒稗建议使用其他类型的除草剂替换噁唑酰草胺和氰氟草酯。

植物体在受到胁迫过程中，会产生大量活性氧，导致植物体内膜脂过氧化末端产物MDA含量增加和细胞膜结构完整性变差，但植物体内也存在POD、CAT及SOD等保护酶类能够清除过量的活性氧，维持活性氧的代谢平衡，保护膜结构，从而使植物在一定程度上忍耐、减缓或抵御逆境胁迫伤害［13-14］。本研究发现，不同稗草种经2种除草剂处理1 d，稗草植株体内的POD、CAT和SOD活性均随着除草剂剂量的增加先升高然后降低，敏感种群变化幅度较大，不敏感种群变化较为平稳，随着处理时间的延长，POD、CAT和 SOD活性进一步降低，MDA含量增加。POD、CAT和SOD活性先上升的原因可能是由于稗草生物型体内自由基生成过高，诱导植株体内 POD、CAT和 SOD活性提高;三者活性后下降可能是除草剂胁迫作用超过了稗草自身的应激限度，最终导致膜脂质氧化产物MDA含量的增加、膜结构遭到破坏，使植物生长受抑制甚至死亡［15］。不敏感稗草较敏感稗草酶活性变化幅度小表明不敏感种群具有较强的自由基清除能力。

图5 2种除草剂对不同稗草种群茎叶中CAT活性的影响Fig.5 CAT activities in the stem and leaves of three barnyardgrass species affected by two herbicides

本研究还发现，处理后5 d，耐药性较强的无芒稗植株体内的MDA含量低于其他敏感稗草种，POD、CAT、SOD酶活性总体均高于其他敏感稗草种，这与其他研究结果相似［16-17］。推测在芳氧苯氧丙酸酯类型除草剂的胁迫下，不敏感稗属杂草体内较高的SOD、POD和CAT活性是其产生耐药性的重要原因之一。稗草的种及变种间对不同结构的除草剂存在耐药性差异，生产上应该根据不同生态区稗草种的分布，科学合理地选择除草剂及其施用浓度，经济有效地治理稻田稗草危害。

图6 2种除草剂对不同稗草种茎叶中SOD活性的影响Fig.6 SOD activities in the stem and leaves of three barnyardgrass species affected by two herbicides

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