杂草对ALS抑制剂抗药性概述

黄兆峰，刘 倩，王园园，姜翠兰，周欣欣

(1.中国农业科学院植物保护研究所，北京 100193；2.北京市园林科学研究院，北京 100102；3.驻马店市农业技术推广站，河南 驻马店 463000；4.农业农村部农药检定所，北京 100125)

杂草降低了作物产量和品质，增加了农民投入，制约了农业的持续发展，是农业生产中的一大类生物灾害[1]。目前，化学除草是当前农业生产中最主要的除草手段。除草剂防除杂草相对于人工除草具有高效、省工等优点，为农业生产带来了巨大的经济效益，但是随之带来抗药性杂草的发生与发展等负面问题日趋严重。近年来，抗药性杂草生物型数量近乎呈直线上升的趋势，若不加以控制，抗性杂草演变为农田优势种，不仅加重农田杂草的危害，也会加大对农田杂草的防除难度。抗药性杂草的发生和快速发展成为我国粮食增产的制约因素之一，这对以化学除草为主的杂草综合治理体系发起了挑战。目前，关于杂草抗药性机制的研究已经成为近年来杂草科学研究热点。从生态经济学角度科学防控杂草，合理使用除草剂，延缓杂草抗药性的发生与发展，保障杂草的有效防控以及农业生态系统的可持续发展。

1 杂草抗药性现状

第二次世界大战期间，MCPA和2，4-D的发现和使用，拉开了人类化学除草的序幕。除草剂的使用显著降低了田间工作量，并且提高了作物的产量。在保障农业增效、粮食增产、农民增收做出了积极的贡献。同时，由于长期使用同一种或者多种但作用方式或代谢降解途径相同的化学除草剂，导致抗药性杂草不断发生和发展。杂草抗药性问题越来越严重，已经影响了粮食生产，受到了全球广泛的关注[2]。1950年，在美国和加拿大发现抗2,4-D的铺散鸭跖草(Commelinadiffusa)和野胡萝卜(Daucuscarota)标志着抗药性杂草的产生。随后，欧洲千里光(Seneciovulgaris)对三氮苯类除草剂西玛津和莠去津产生抗药性也被报道[3]。抗药性杂草不断出现与发展，截止到2018年12月，全球范围内，有255种杂草(单子叶杂草107种和双子叶杂草148种)的496个杂草生物型对不同作用方式的除草剂产生了抗性(表1)[4]。我国田园杂草有1 400多种，已报道有27种共43个生物型的抗药性杂草(表2)。

表1 全球抗药性杂草生物型

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表2 中国所报道的抗药性杂草

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注：A：乙酰辅酶A 羧化酶抑制剂；B：乙酰乳酸合成酶抑制剂；C：光合系统II抑制剂；D：5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合酶抑制剂；E：类脂合成抑制剂 ；F：合成激素类抑制剂；G：其他

杂草对ALS抑制剂抗药性概况 乙酰乳酸合成酶(Acetolactate synthase，简称ALS，EC 2.2.1.6)，广泛存在于植物、真菌、细菌以及藻类等生物体中[5]。它是合成支链氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸的关键酶[6]。ALS抑制剂是指以ALS酶为靶标的除草剂。现己开发的ALS抑制剂种类较多，主要包括磺酰脲类(sulfonylureas，SU)、咪唑啉酮类(imidazolinones，IMI)、嘧啶硫代苯甲酸酯类(pyrimidinylthiobenzoates，PTB)、三唑并嘧啶类(triazolopyrimidines，TP)和磺酰胺羰基三唑啉酮类(sulfonylaminocarbonyltriazolinone，SCT)。杂草受药后，除草剂与ALS酶相结合使其活性被抑制，支链氨基酸合成被阻，最终导致死亡[7]。由于具有高效、低毒、对环境污染小等优点，该类除草剂迅速成为全球应用最为广泛和最重要的除草剂之一。自1982年美国杜邦公司注册登记首例ALS抑制剂除草剂氯磺隆以来，全球现已开发ALS抑制剂类除草剂50余种，其中SU类除草剂商品化品种近40种[8]。但由于作用位点单一，抗ALS抑制剂杂草发生速度极快。截止到2018年12月，对ALS抑制剂产生抗性的有160个杂草生物型[4]，约占总数的32%，涉及禾本科、菊科、十字花科、莎草科、雨久花科等十几个科。

2 杂草对ALS抑制剂的抗性机理

杂草对ALS抑制剂类除草剂的抗药性可以分为靶标抗性和非靶标抗性两方面。其中，靶标ALS基因突变或代谢作用增强导致抗药性占主要部分。

2.1 靶标ALS基因突变 研究表明，高等植物的ALS氨基酸序列上存在5个不连续的高度保守区域，导致杂草抗药性的产生的氨基酸突变位点主要有8个，且均在这5个保守区内。这些位点表达的氨基酸主要有：Ala122、Pro197、Ala205、Asp376、Arg377、Trp574、Ser653、Gly654(相对于拟南芥ALS)[9～10]。靶标基因保守区域发生错义突变，改变靶标酶蛋白结构，致使靶标酶对除草剂的敏感性下降，使除草剂不能与靶标酶有效结合，除草活性不能很好的发挥，这是到目前为止报道最多的抗性机制。

一般情况下，靶标基因保守区域不同位点突变所造成的交互抗药性类型不一[11](Yu & Powles，2014)。比如，Ala122和Ala205氨基酸突变一般会导致对IMI类除草剂有抗性；Pro197位氨基酸突变会导致对SU类除草剂有抗性，由于杂草种类和突变类型的差异，也会对TP类除草剂和SCT类除草剂有交互抗性，对IMI类除草剂敏感或者有较低水平抗性；Asp376位氨基酸突变一般会导致对五类ALS抑制剂有广谱交互抗性；Trp574位氨基酸突变会导致对SU类和IMI类除草剂都有抗性，这是因为Trp574残基决定着ALS活性位点通道的形状，而且在ALS与SU类和IMI类除草剂结合中起到很重要的作用；Ser653位氨基酸突一般会造成对IMI类除草剂有抗性，也会对PTB类除草剂有抗性；Gly654位氨基酸突变一般会造成对IMI类除草剂有抗性(表3)[11～12]。

表3 部分杂草ALS突变位点与交互抗性

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2.2 代谢作用增强 植物体对 ALS 抑制剂的代谢作用增强是产生抗药性一个重要原因。在植物体内，细胞色素P450单加氧酶(P450s)、谷胱甘肽还原酶(GSTs)、超氧化物歧化酶(SOD)等解毒代谢酶类可提高将除草剂代谢为无毒化合物的能力，导致杂草抗药性的发生[12]。P450s 介导的杂草对除草剂的抗药性研究主要集中在禾本科杂草上[11]，如硬直黑麦草(Loliumrigidum)、鼠尾看麦娘(Alopecurusmyosuroides)、旱雀麦(Bromustectorum)、水稗(Echinochloaphyllopogon)、野燕麦(Avenasterilis)。研究硬直黑麦草对氯磺隆的抗性机制，结果显示抗药性生物型体内细胞色素P450s含量或活性的提高，是导致抗药性发生的原因[13]。研究旱雀麦(BromustectorumL.)对丙苯磺隆的抗性机制，结果显示细胞色素 P450s 提高对除草剂的代谢能力是导致抗药性发生的原因[14]。研究水稗对双草醚的抗性机制，结果表明：细胞色素P450s对除草剂的代谢能力的增强是导致抗药性产生的原因[15]。其中，硬直黑麦草、鼠尾看麦娘和水稗是研究非靶标代谢抗性最多的禾本科杂草。在阔叶杂草方面，研究有关P450s介导产生非靶标抗性研究较少。主要有白芥菜(Sinapisarvensis)、绿穗苋(Amaranthushybridus)、糙果苋(Amaranthustuberculatus)。

植物的P450s基因家族庞大，多数由300～400个基因所构成，分离鉴定单个P450s基因的作用较为困难[16]。Iwakami等[17]报道，从抗双草醚水稗鉴定的两个P450基因CYP81A12和CYP81A21，转到拟南芥和酵母后，表达的CYP81A12和CYP81A21酶可代谢除草剂。研究黑麦草的代谢抗性发现，CYP72A和CYP81A1基因表达差异显著，使得黑麦草降解除草剂水平提高[16]。

3 结语

化学除草剂是机械化、规模化作物种植模式不可缺少的除草措施，对于粮食安全具有重要的意义。除草剂也是目前和未来很长时间田间除草的主要手段，由此带来的抗性杂草问题不可避免。由于过度依赖除草剂，抗药性杂草不断发生发展，必须采取有效措施阻止或延缓杂草抗药性发生和蔓延，延长除草剂使用年限，确保粮食安全[18]。我国杂草抗药性研究起步较晚，研究技术和仪器设备相对落后，研究力量相对薄弱。鉴于目前我国农业逐步向集约化、规模化和现代化方向发展，必须针对我国杂草抗药性现状，特别是抗ALS抑制剂类杂草，避免ALS抑制剂的高风险抗性问题。需借鉴国外先进的抗药性研究及监控技术，建立抗药性杂草预测预报、快速检测、抗性杂草的综合治理体系，在杂草治理中要科学合理地应用除草剂，避免连续使用同一种或同一类作用机制的除草剂；充分发挥农艺措施，通过合理的轮作改变田间杂草群落的组成。延缓杂草抗药性的发生。