稻田稗草对二氯喹啉酸的抗药性研究进展

罗 沙, 余柳青, 刘都才, 何可佳

(1.中国水稻研究所,杭州 310006; 2.湖南省植物保护研究所,长沙 410125;3.湖南农业大学生物安全科学技术学院,长沙 410125)

稗草(Echinochloa spp.)是世界性恶性杂草[1],危害水稻、大豆、棉花、玉米、小麦等农作物,造成作物减产,对水稻的影响尤为严重。以杂交稻为例,每穴3～4株秧苗中若夹带有1株稗草,水稻将减产42.64%～93.59%,平均减产62.90%[2]。因此,国内外都十分重视防治稗草的各种除草剂的开发和研究,各种新的除稗剂也在不断出现,二氯喹啉酸是稻田应用最为广泛的除稗剂之一[3]。

二氯喹啉酸(quinclorac),化学名称为3,7-二氯-8-喹啉羧酸(3,7-dichloro-8-quinolinecarboxylic acid),是德国巴斯夫公司于1984年开发的一种新型选择性苗后处理除草剂,属于激素型喹啉羧酸类药剂。对陆生动物急性毒性试验结果显示,二氯喹啉酸是一种低毒农药。其原药大鼠经口LD50为2 190 mg/kg(雌),3 060 mg/kg(雄),大鼠急性经皮 LD50为 2 000 mg/kg,大鼠急性吸入LC50＞5.17 mg/m3(4 h)。二氯喹啉酸对水生植物生物量和生产力有一定影响,并对水生动物种群可产生不利影响[4]。

二氯喹啉酸主要用于防治水稻田中的稗草和部分阔叶类杂草,对4～6叶期稗草有特效,具有用量少、残效期长、施用适期宽等优点,已在亚洲、南美洲、北美洲、欧洲稻区应用多年[5-6]。随着使用年限的增加,部分地区稻田稗草因选择压力和遗传因素对二氯喹啉酸产生了抗药性,且情况日益严重,世界各主要稻区均有抗性稗草产生的相关报道。目前,二氯喹啉酸抗性问题已经引起广泛关注,对其作用机理、抗性产生原因以及抗性遗传基因等有了一定的研究,为抗性稗草的防治打下了基础。

1 二氯喹啉酸作用机理和选择机制

1.1 二氯喹啉酸的作用机理

二氯喹啉酸是一种典型的激素类型除草剂,杂草中毒后症状与过量生长素作用类似。高浓度时表现为对细胞、节间延伸乃至叶、茎生长的抑制,并最终使植株黄萎、坏死[7],低浓度时则会促进植物生长。

对于二氯喹啉酸的作用机理,目前仍存在一些争论。Koo等用14C标记稗草根部细胞中细胞壁合成的主要成分葡萄糖,发现在二氯喹啉酸处理6 h后稗草根部的细胞壁生物合成减少了60%～73%,因此他认为二氯喹啉酸是一种细胞壁生物合成抑制剂[8]。但Klaus Grossmann等人在稗草3叶期时施用二氯喹啉酸后发现,植株嫩芽生长受到抑制与其体内ACC(1-氨基环丙烷-1-羧酸)合成酶的活性、乙烯及氰化物的浓度有密切的关联,说明二氯喹啉酸通过影响植株体内的乙烯生物合成过程达到防治的效果;而进一步的研究也证明,对靶标植物施用后,二氯喹啉酸能快速地被植物的芽、根、叶片及嫩枝吸收进入体内并能同时向上、向下传导,刺激植株体内ACC合成酶的活性,在该酶的催化下,ACC被迅速氧化成乙烯,并产生一种副产物——氰化物,氰化物对植物有毒,当其快速累积到一定量时,便会使植株特别是幼嫩组织发黄、枯萎直至死亡[9-11]。而且Klaus Grossmann等还认为二氯喹啉酸对稗草根部的抑制效果应该是氰化物毒害植物细胞的次生效应,而不是二氯喹啉酸作用机理的一部分[12]。

1.2 二氯喹啉酸的选择机制

二氯喹啉酸具有高度的选择性,对水稻十分安全。研究表明,对分离出来的稗草的芽和根用二氯喹啉酸处理后,只有根部组织中的ACC合成酶活性提高,且芽、根组织中二氯喹啉酸的新陈代谢并无质量和数量上的不同。因此,二氯喹啉酸在稗草中的主要作用位点为根部,其产生的乙烯和氰化物却通过向顶端传输在芽组织中积累;而不论是完整的水稻植株或分离的水稻根、芽组织,二氯喹啉酸都没有引起乙烯或是ACC酶活性的改变。说明靶标作用位点对于ACC合成酶不同的灵敏度造成了二氯喹啉酸在稗草和水稻之间的选择性。另外,水稻体内最主要的氰化物解毒酶β-氰丙氨酸(β-cyanoalanine)合成酶的活性更高,也有可能是水稻对二氯喹啉酸具有耐受性的原因之一[8,13-15]。

2 稗草对二氯喹啉酸的抗药性现状

二氯喹啉酸在世界范围内广泛应用多年,各地均有抗药性产生的相关报道。1992年,西班牙南部单季稻区发现两种对二氯喹啉酸产生抗性的稗草生物型R型和I型和另一种对二氯喹啉酸及阿特拉津均有抗性的稗草生物型X型,三者的抗性倍数分别为26、6、10倍[16]。美国和欧洲南部部分地区多种稗草生物型或稗属杂草对二氯喹啉酸的敏感度也大大降低[17]。

2001年,哥伦比亚水稻产区发现至少3种对二氯喹啉酸有一定抗性的稗草生物型;而在南美洲最主要的水稻生产国巴西,二氯喹啉酸应用非常广泛,其抗性情况更加严重。到2001年,巴西全国大约70%的水稻产区使用二氯喹啉酸进行稗草防除,二氯喹啉酸抗性杂草在其国内泛滥成灾,其中最严重的是 Santa Vitoria do Palmar、Jaguarao、Camaqua、Mostardas 4个地区,这些地区二氯喹啉酸的使用年限均在10年以上,目前二氯喹啉酸对该地区稗草已基本失效[18-20]。

20世纪80年代后期,我国开始引进二氯喹啉酸防除稻田杂草,因其对大龄稗草防除效果好且易于管理,很快开始大面积推广使用,至今已连续广泛使用20余年[21]。近年来,随着使用年限增加和人为过量施用等因素影响,稗草对其产生了抗药性,国内各主要水稻产区均有二氯喹啉酸抗性产生的报道。

李拥兵等连续2年对湖南省稻区部分地区稗草对二氯喹啉酸的抗性水平进行测定,3种不同的生物测定方法(琼脂法、茎叶喷雾法、田间小区测定法)结果表明湖南安乡稗草生物型已对二氯喹啉酸产生了极为明显的抗性;琼脂法测定后发现常德市郊、汉寿县、长沙县高桥镇和春华镇的稗草生物型对二氯喹啉酸也有一定的抗性,相对抗性倍数比值在2.15～2.78;而湖南省其他地区稗草生物型对二氯喹啉酸仍较敏感[22]。

吴声敢等用琼脂法测定了长江中下游43个稻区稗草对二氯喹啉酸的抗性,进一步验证了湖南安乡稗草对二氯喹啉酸的抗药性已达高抗水平,而2003年采自浙江陶堰和塘下的稗草对二氯喹啉酸的抗性比更是分别高达718.48和695.84,远高于我国早期报道的有关稗草对二氯喹啉酸的抗性程度,其余如江苏、安徽等地区的稗草对二氯喹啉酸的敏感性也正逐年下降[23-24]。

董海等的试验结果表明辽宁省部分稻区的长芒稗(E.caudata Roshev.)、稻稗[E.oryzicola(Ard.)Fritsch]及无芒稗[E.crusgalli(L.)Beauv.var.mitis(Pursh.)Petrm.]对二氯喹啉酸都产生了一定程度的抗性,但抗性水平不高[25];另外陆保理等发现上海市嘉定地区直播稻田中的稗草对二氯喹啉酸也产生了一定程度的抗药性,其强度可能属于中抗水平[26]。

3 稗草对二氯喹啉酸的抗性机理及遗传学分析

关于稗草对二氯喹啉酸产生抗性的机理,目前存在两种观点：一种观点认为抗性稗草和敏感稗草对二氯喹啉酸的吸收、传导、新陈代谢等方面并无差异[10,29],是抗性稗草靶标位点的ACC合成酶对二氯喹啉酸的刺激产生钝性,导致ACC合成酶活性下降,从而无法积累足够的氰化物使植物中毒。

另一种观点则认为稗草对二氯喹啉酸产生抗性与β-氰丙氨酸合成酶的活性有关,该酶是植物体内自行降解氰化物的关键性酶,在它的催化下,氰化物与半胱氨酸反应生成硫化氢和β-氰丙氨酸。因此,β-氰丙氨酸合成酶活性越高,氰化物代谢越快。Ibrahim Abdallah等人研究发现,抗性杂草的β-氰丙氨酸合成酶的活性是敏感性杂草的4倍,从而有力地证明了这一观点[27]。

一般来说,杂草的抗药性遗传大多为单独的1对显性或共显性的等位基因控制[31],但二氯喹啉酸的抗性遗传却不同。L L Van Eerd等人用经典孟德尔实验方法对抗性杂草作遗传学分析,发现F2代中 R(resistance,抗性生物型)：S(susceptible,敏感生物型)为1∶3,表明二氯喹啉酸抗性基因为单一的隐性基因;当以抗性生物型为亲本自花授粉时,其后代中没有敏感生物型出现,而当以敏感生物型为亲本自花授粉,后代中也没有抗性生物型出现,因此,该抗性基因应为纯合子[7]。

4 我国稻田稗草抗药性治理的对策

稗草是我国稻田危害最严重的杂草。其难以防控的原因,一是水稻栽培方式的改变,旱直播、机械插秧、抛秧等都采用了前期土壤湿润无水层或浅水层的水管理方式,这非常有利于稗草的萌发、出苗和生长;二是普遍使用一次性除草剂,即二元或三元复配剂,这类产品中的杀稗草的有效成分使用剂量通常明显低于相同单剂的使用剂量,导致对稗草的防效明显低于单剂,造成残存稗草的再次危害;三是防除稗草的苗后茎叶处理除草剂品种少,除二氯喹啉酸外,其他杀稗剂如敌稗、禾草敌、杀草丹等由于各种原因使用量很少。

长期单一使用二氯喹啉酸,导致稗草对二氯喹啉酸的抗性水平日趋严重。农民为了提高防治稗草的效果,只好增加使用剂量。但增加使用剂量后,一方面成本增加,另一方面造成对水稻的药害,导致水稻减产。

近几年引进和投放市场的新除草剂氰氟草酯和五氟磺草胺可以防除抗二氯喹啉酸的稗草。但氰氟草酯对稗草的防除效果不稳定,仅对1.5～4叶期稗草有效,使用适期短。五氟磺草胺的成本较高,以667 m2田计算,二氯喹啉酸的成本为9元左右,而五氟磺草胺则高达16～24元,农民难以承受。

我国稻田杂草的抗药性治理应从以下几方面着手：

加强适合我国新型水稻栽培方式的杂草防控技术的研究。调查掌握直播、机械插秧、抛秧等栽培方式条件下杂草的发生规律,水管理与杂草的关系,研究形成既有利于水稻生长又有利于杂草防控的水管理技术。

加强稗草对二氯喹啉酸抗性的监测。在全国水稻主要产区开展稗草抗药性生物型及其分布的调查,采集样品,评价其抗性水平,确定其分布范围。

开展稗草对二氯喹啉酸抗性机理的研究。采用酶分析技术探明抗性稗草主要作用酶的种类和变化趋势,采用分子生物学方法探明抗性稗草主要酶结构的变化规律。

加强抗性稗草及其种群的防控技术研究与示范。评价确定适用于水稻新型栽培方式的苗前处理(pre-emergence)除草剂,这类除草剂对萌芽期和幼龄的抗药性稗草活性很高,防治效果稳定,杀草谱较宽,成本较低,具有很广阔的应用前景。同时,研究形成有利于水稻高产和杂草防控的农艺配套技术,如直播最佳播种量、机械插秧和抛秧的最佳栽插苗数、最佳水层深度和控制时间等。

推广除草剂的轮用。对已产生抗性的稻区,采用新型除草剂品种及其他不同作用方式的除草剂轮换使用,避免新型除草剂产生抗药性;而未产生抗药性的稻区,也应提倡不同作用方式的除草剂的轮用,保持稗草作用位点的敏感性,延缓抗性的产生。

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