葉 萱 編譯

(上海市農(nóng)藥研究所，上海 200032)

合成生長素類除草劑(SAH，HRAC分類體系的O 組)模擬了天然植物激素吲哚-3-乙酸(IAA)的作用。第1個(gè)這種作用機(jī)制的除草劑2,4-滴已被廣泛使用70多年。SAH主要用于選擇性防治禾本科作物田中的闊葉雜草，但二氯喹啉酸和氯氟吡啶酯防治一些禾本科和沙草科雜草。SAH被分為7種：⑴苯氧羧酸類；⑵ 苯甲酸類；⑶ 吡啶羧酸類；⑷ 吡啶氧羧酸類；⑸ 喹啉羧酸類；⑹ 嘧啶羧酸類和⑺芳基吡啶甲酸類(arylpicolinate)(表1)。每一種都具有獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)(圖1)。自1945年2,4-滴引入后SAH就一直被商業(yè)化使用到現(xiàn)在，在2018年氯氟吡啶酯引入(表 1)。2,4-滴引入用于農(nóng)業(yè)給雜草管理帶來了革命，持續(xù)性創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)和開發(fā)了數(shù)個(gè)新穎的SAH。

SAH的全球施用面積僅次于 ALS抑制劑(508×106hm2)和 EPSP 合酶抑制劑(477×106hm2)除草劑，位列第三(366×106hm2)(信息來自陶氏益農(nóng)，2014年)。除草劑2,4-滴的全球使用面積為161.7×106hm2，是使用最廣泛的SAH，其次依次為麥草畏(50.0×106hm2)和 2-甲基-4-氯苯氧乙酸(MCPA)(31.3×106hm2)(圖 3)。

表1 不同種類合成生長素類除草劑

圖1 7種類別合成生長素除草劑代表性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

圖2 2014年報(bào)道的前17種作用機(jī)制(HRAC分類體系)除草劑使用面積(×106 hm2)

圖3 2014年報(bào)道的特定合成生長素類除草劑活性成分施用面積(×106 hm2)

為了持續(xù)應(yīng)用 SAH，掌握雜草對SAH的抗性機(jī)制、抗性選擇和進(jìn)化知識非常重要。在2017年5月在美國科羅拉多州的丹佛舉辦的“全球除草劑抗性挑戰(zhàn)”會(huì)議期間，進(jìn)行了“雜草對SAH抗性”的專題討論會(huì)。討論會(huì)的主題有雜草品種對SAH抗性的進(jìn)化；熟知的雜草品種對 SAH抗性進(jìn)化的機(jī)制；SAH的感應(yīng)、運(yùn)輸和代謝；SAH發(fā)現(xiàn)的最近創(chuàng)新；耐SAH作物的抗性管理。

1 雜草品種對SAH的抗性

在1957年，首例2,4-滴抗性被報(bào)道，即在夏威夷節(jié)節(jié)草(Commelina diffusa)和在加拿大胡羅卜(Daucus carota L.)對2,4-滴產(chǎn)生了抗性。根據(jù)“國際抗性雜草調(diào)查”，現(xiàn)在有36種抗SAH的雜草品種(30種闊葉雜草、5種禾本科雜草和1種類似禾本科雜草)(圖4)。包括止血馬塘(Digitaria ischaemum)和4種稗屬雜草[稗草(Echinochloa crus-galli)、孔雀稗(Echinochloa crus-pavonis)、西來稗(Echinochloa zelayensis)和芒稗(Echinochloa colona)]的5種禾本科雜草已對二氯喹啉酸產(chǎn)生了抗性。有人提出其為氰化物介導(dǎo)的抗性機(jī)制，不同于SAH的。

對SAH產(chǎn)生抗性的經(jīng)濟(jì)重要性雜草有澳大利亞抗2,4-滴和抗MCPA的野蘿卜(Raphanus raphanistrum)、歐洲抗苯氧除草劑的虞美人(Papaver rhoeas)，加拿大和美國抗麥草畏的地膚(Kochia scoparia)，美國抗 2,4-滴、麥草畏和MCPA的刺萵苣(Lactuca serriola)。此外，內(nèi)布拉斯加州和伊利諾斯州的長芒莧(Amaranthus tuberculatus)生物型和阿根廷的綠穗莧(Amaranthus hybridus )被確定對一些SAH有抗性。經(jīng)濟(jì)重要性稍差的抗性雜草有加拿大和美國抗2,4-滴的胡羅卜，新西蘭抗 2,4-滴的麝香飛廉(Carduus nutans)和意大利薊(Carduus pycnocephalus)，以及在加拿大對SAH多抗的野芥(Sinapis arvensis L.)和抗二氯喹啉酸的豬殃殃(Galium spurium)。

圖4 到2017年已報(bào)道對合成生長素類除草劑產(chǎn)生抗性的雜草品種

與其他作用機(jī)制除草劑特別是乙?；o酶A羧化酶(ACCase)和乙酰乳酸合酶(ALS)抑制型除草劑相比，考慮到廣泛使用SAH所形成的選擇壓程度，其抗性發(fā)生程度較低(圖5)。雖然SAH使用的時(shí)間要長于其他作用機(jī)制的除草劑，但相對來說沒有對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成廣泛的不利影響的抗 SAH雜草案例(圖 4)。

SAH抗性發(fā)生低的原因可能有以下幾種：⑴ 這些除草劑具有潛在的多個(gè)作用位點(diǎn)；⑵ 一些抗性事例是由隱性基因所致，其擴(kuò)展比顯性性狀更慢；⑶在除草劑和作物競爭存在的情況下，抗性基因型的適合度降低。雜草交互抗性的發(fā)生可能是管理策略開發(fā)的1個(gè)挑戰(zhàn)。更完全地了解SAH的抗性機(jī)制應(yīng)該能改進(jìn)抗性管理的措施和更好地應(yīng)用這些除草劑。

2 一些雜草品種對SAH的抗性機(jī)制

2.1 虞美人

虞美人是歐洲冬季谷物中最常見的闊葉雜草。此雜草品種專性異花授粉，種子產(chǎn)量高，種子庫具有高度持久性，適合種子萌發(fā)的時(shí)間長，故難以防治。隨著除草劑抗性的出現(xiàn)和擴(kuò)展，虞美人正成為更難防治的雜草，特別是在歐洲的南部。最近10年在西班牙、法國和希臘，報(bào)道出現(xiàn)抗苯氧羧酸類(2,4-滴和 MCPA)和抗乙酰乳酸合酶抑制劑(苯磺隆)的虞美人生物型。在西班牙，也可能存在對其他苯氧羧酸類、苯甲酸類或吡啶羧酸類有交互抗性的生物型。很少有人研究虞美人對SAH的抗性機(jī)制和基因。

抗性植物中 2,4-滴遷移的缺少可能是抗性產(chǎn)生的原因。此外，用2,4-滴處理的敏感植物產(chǎn)生的乙烯是抗性植物的4～8倍。2,4-滴在抗性植物中可能沒有到達(dá)核蛋白受體復(fù)合體，壓制了生長素反應(yīng)性基因，其中一些基因負(fù)責(zé)乙烯的產(chǎn)生。乙烯的積累可能抑制光合作用，產(chǎn)生H2O2和反應(yīng)性氧，導(dǎo)致植物死亡。

將2,4-滴用于遷移性下降的抗性虞美人種群48 h后，在植物的嫩芽和根中檢測到 2,4-滴的代謝物。在處理后的 168 h，沒有檢測到 2,4-滴，只檢測到HPLC保留時(shí)間顯示為羥基化的2,3-滴和2,5-滴代謝物。用細(xì)胞色素P450抑制劑馬拉硫磷處理，能使基因型從抗性轉(zhuǎn)為敏感型。這表明細(xì)胞色素P450增加了這些抗性種群對 2,4-滴的降解。遷移性降低和除草劑降解的增加可能都是虞美人產(chǎn)生抗性的原因，但哪個(gè)是主要機(jī)制仍未知。一般在韌皮部的移動(dòng)性比 2,4-滴更小的極性代謝物能夠降低遷移性。其他人發(fā)現(xiàn)在 2,4-滴降解前其遷移性就降低了。分化代謝、乙烯反應(yīng)和遷移性可能是相互依賴或獨(dú)立機(jī)制，確切情況還需進(jìn)一步研究。

圖5 自引入后到2017年期間ALS抑制劑、ACCase抑制劑、草甘膦和合成生長素類除草劑的抗性雜草品種的數(shù)量和雜草抗性相對發(fā)展率排序

有能夠降解甲氧咪草煙的對ALS抑制型和苯氧羧酸類除草劑有抗性的虞美人生物型。是否相同的細(xì)胞色素P450降解這些作用機(jī)制的除草劑，或是否其他酶參與其中，這些仍未知。發(fā)現(xiàn)除草劑 2,4-滴能誘導(dǎo)敏感和抗性虞美人表達(dá)糖苷水解酶(GH3)和谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST3)，因此這些酶表達(dá)的增加好像與 2,4-滴的抗性沒有關(guān)系。需要確定虞美人抗除草劑的基因和更充分地了解其抗性機(jī)制。

2.2 地膚

地膚為侵染北美大平原作物地和非作物地的一年生夏季雜草。它出現(xiàn)于早春。雌蕊先熟生物學(xué)確保了高水平的遠(yuǎn)交，導(dǎo)致高的遺傳變異性。成熟的種子沒有硬的外殼，很少休眠。地膚對莠去津、麥草畏、草甘膦和數(shù)種ALS抑制型除草劑產(chǎn)生了抗性。

抗麥草畏地膚被首次發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)90年代的科羅拉多州和內(nèi)布拉斯加州。到2016年，抗除草劑生物型已普遍，特別是在科羅拉多州和堪薩斯州的休耕小麥田中。到目前為止，在科羅拉多州還沒有發(fā)現(xiàn)對氟草煙產(chǎn)生交互抗性，雖然報(bào)道蒙大拿州有。在25年中使用先進(jìn)的選擇技術(shù)，培育了抗性地膚品系 9425，與敏感品系 7710相比其對麥草畏的抗性增加了30倍。性狀為顯性或半顯性。與敏感品系相比 9425品種對麥草畏的遷移性降低了。RNA-序列表明品系 9425體內(nèi)影響生長素運(yùn)輸?shù)囊唤M獨(dú)特基因被下調(diào)了，這可能是導(dǎo)致抗性植物中麥草畏遷移性下降的原因。

已發(fā)現(xiàn)少量的抗氟草煙地膚種群。雖然氟草煙是有效的可靠的防治各種環(huán)境中地膚的除草劑，但由于其雜草防治譜窄，不被看作是“可獨(dú)立使用”的產(chǎn)品。由于地膚對其他除草劑的抗性廣泛，而用氟草煙防治地膚日益增加，管理地膚對氟草煙抗性的進(jìn)化將非常重要。

2.3 刺萵苣

刺萵苣是菊科一年生、冬性一年生或二年生雜草，是美國西北部的一大問題雜草。此植物具有深的主根，能在干旱條件下存活。刺萵苣除了與作物競爭水分、空間和營養(yǎng)外，其產(chǎn)生的黏白乳膠能堵塞收獲設(shè)備，增加谷物濕度。在收獲過程中與谷物混合的花蕾難于去除，降低了谷物的品質(zhì)。

美國西北部種植的約80%小麥在生長過程中至少被施用1種SAH 1次。在2004年夏天在美國華盛頓普爾曼附近，應(yīng)用840 g/hm2草甘膦和540 g/hm22,4-滴 2次后刺萵苣還能夠存活。此外調(diào)查發(fā)現(xiàn)對2,4-滴的差異反應(yīng)可遺傳，防治失敗不是草甘膦抗性所致。在被處理后3周抗性植物從花冠再次長出的部分被用 2,4-滴處理后 2～3周受到傷害?？剐运绞敲舾猩镄偷?～10倍。此2,4-滴抗性生物型似乎對苯氧羧酸類和苯甲酸類包括MCPA和麥草畏在內(nèi)的其他SAH已發(fā)展交互抗性。

刺萵苣對 2,4-滴抗性的遺傳性受單獨(dú)共顯性基因控制。進(jìn)行了環(huán)標(biāo)記的14C-2,4-滴生物動(dòng)力學(xué)研究來了解2,4-滴抗性的機(jī)制。在應(yīng)用后96 h，抗性生物型吸收了較少的 2,4-滴，與敏感生物型相比，處理葉中有較多的放射活性。發(fā)現(xiàn)在處理的抗性和敏感生物型植物葉或花冠中2,4-滴的代謝率沒有差異。

在處理后前4 d，敏感生物型的植物生長受到了刺激，抗性生物型沒有。4 d后，敏感生物型的生長幾乎停止，而抗性生物型繼續(xù)生長。抗性生物型持續(xù)生長可能是生長素信號傳導(dǎo)反應(yīng)發(fā)生改變所致的降解下降引起。也許，抗性生物型體內(nèi)生長素信號傳導(dǎo)的改變和正常生長的維持可能已降低了抗性刺萵苣生物型對 2,4-滴的吸收和遷移。還沒有測定基因精確的作用。轉(zhuǎn)錄物組學(xué)和靶標(biāo)基因表達(dá)研究可能有助于確定引起抗 2,4-滴刺萵苣生長素信號傳導(dǎo)反應(yīng)改變的潛在基因。

2.4 野蘿卜

野蘿卜是澳大利亞南部種植系統(tǒng)中最成問題的雙子葉雜草，每年給種植者造成的作物產(chǎn)量損失至少達(dá)5700萬澳元，增加了雜草防除費(fèi)用。在澳大利亞西部，此雜草已對ALS抑制型除草劑的磺酰脲類和咪唑啉酮類產(chǎn)生了廣泛的抗性，種植者要依賴SAH特別是2,4-滴來防除。在1999年，首次確定野蘿卜在田間對 2,4-滴發(fā)展了抗性的事例。隨后在2003、2010和2015年進(jìn)行的隨機(jī)雜草種群調(diào)查表明對2,4-滴產(chǎn)生抗性的植物種群比例從2003年的60%增加到2010年的74%。在2015年抗性水平保持沒變。

在2001和2002年從田間收集的2個(gè)野蘿卜種群的表型特征表明與敏感種群相比抗性增加了約20倍。賦予這2個(gè)種群2,4-滴抗性的性狀為細(xì)胞核遺傳和不完全顯性。14C-標(biāo)記的2,4-滴從2002年種群和 2010年收集的種群的被處理葉中遷移出的能力很弱。對敏感植物應(yīng)用生長素外排抑制劑1-N-萘基酞氨酸能模仿 2,4-滴遷移受限，在抗性植物中 2,4-滴遷移受限可能是由于ATP-結(jié)合盒型B型(ABCB)長距離生長素外排運(yùn)輸?shù)鞍坠δ軗p失所致。野蘿卜的主要抗性機(jī)制好像是2,4-滴遷移的下降。

從1999、2001和2002年種群收集的2,4-滴抗性生物型也對MCPA有抗性。對1999年種群中抗MCPA生物型的研究表明其抗性遺傳方式相似于抗2,4-滴生物型的。在測定苗根延長的試驗(yàn)中，2002年種群對2,4-滴、MCPA、2甲4氯丙酸、麥草畏和1-萘乙酸有抗性，而2010年種群只對苯氧乙酸、2,4-滴和MCPA有抗性。這表明抗性生物型間存在生長素感知和/或信號傳導(dǎo)的差異。對 2002年種群進(jìn)行的全基因組轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究表明生長素誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄抑制因子和防御基因迅速下調(diào)，此現(xiàn)象在敏感種群中沒有發(fā)現(xiàn)。這可能是第二種抗性機(jī)制，因?yàn)橐恍?,4-滴具有高度抗性的種群如敏感植物一樣能有效地從被處理葉中遷移出14C-標(biāo)記的2,4-滴。

用推薦劑量 2,4-滴處理的和小麥競爭生長的植物與用 2,4-滴處理但沒有競爭生長的植物相比，其生物量減少了75%。這可能有助于確定交互抗性水平和除草劑遷移性變化，和/或抗性基因表達(dá)水平不同的植物種群在沒有進(jìn)行除草劑處理的情況下的適合度。用此信息能夠識別適宜的非化學(xué)措施，如早期作物種植，應(yīng)用高競爭性的作物品種，這有助于更有效的抗性管理策略。

有一些化合物能夠阻礙基因或基因產(chǎn)品改變抗性植物對 SAH的反應(yīng)或再次激活除草劑的正常遷移能力，發(fā)現(xiàn)這些替代性分子可能延長SAH防治作物田中野蘿卜的時(shí)間。到目前為止，沒有發(fā)現(xiàn)抗性野蘿卜對 2,4-滴解毒代謝的證據(jù)(細(xì)胞色素 P450依賴或獨(dú)立型)。需要持續(xù)檢測種群進(jìn)化代謝抗性，來調(diào)整抗性管理策略，更好防治這些雜草。

3 SAH的感知、運(yùn)輸和代謝

3.1 生長素類除草劑的潛在靶標(biāo)位點(diǎn)抗性機(jī)制：生長素受體

對于SAH，抗性候選機(jī)制可能包括靶標(biāo)位點(diǎn)的改變(生長素受體或特異性生長素轉(zhuǎn)運(yùn)體)和如代謝SAH的其他轉(zhuǎn)運(yùn)體和酶的非靶點(diǎn)機(jī)制。除草劑抗性的1個(gè)主要來源為靶標(biāo)位點(diǎn)抗性。靶標(biāo)位點(diǎn)抗性頻繁產(chǎn)生于除草劑結(jié)合的蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)的突變，使蛋白質(zhì)對一些除草劑不敏感。田間應(yīng)用SAH產(chǎn)生抗性還沒有被追溯到核心信號傳導(dǎo)靶標(biāo)位點(diǎn)。然而，許多這些蛋白的突變可對SAH產(chǎn)生抗性，如對SAH有耐性的擬南芥突變篩選確定大多數(shù)生長素信號傳導(dǎo)和運(yùn)輸?shù)鞍住?/p>

科學(xué)家已確定許多生長素受體蛋白，而受體TIR1為典范。對于擬南芥，TIR1為6個(gè)受體組成的家族的一部分，其他 5個(gè)為生長素 F-盒蛋白(AFB1-5)。此家族由3對受體組成：TIR1和AFB1，AFB2和 AFB3，AFB4和 AFB5。所有受體間具有很高程度的序列相似性，很高程度的功能冗余。其中任一基因功能突變所致植物基因型與野生型相比幾乎沒有變化，只有疊加突變才使植物的生長和發(fā)育受到影響。

TIR1受體結(jié)構(gòu)通過結(jié)晶化測定。通過研究TIR1結(jié)合生長素和共受體蛋白 AUX/IAA的特性了解TIR1的作用機(jī)制(圖 6)。通過篩選大量的生長素和類生長素分子已開發(fā)了藥效圖，這些圖能給出每個(gè)受體的活性配體的詳細(xì)特性。

TIR1和AFB1-5生長素受體的序列幾乎不變，在植物界有高度的序列保守性，特別是結(jié)合位點(diǎn)的氨基酸。這表明1處突變會(huì)使植物的適合度下降，任何與野生型的偏離都是不利的。如果這是正確的，那么靶標(biāo)位點(diǎn)抗性不可能產(chǎn)生。受體家族的過多就會(huì)使植物系統(tǒng)靈活，因此一個(gè)受體效力的減少可被其他補(bǔ)償。適合度的降低只存在于對內(nèi)源性生長素IAA敏感的情況。因此，了解是否TIR1家族存在初期階段抗性和是否受體家族不同成員對不同 SAH有不同選擇性很重要。有證據(jù)表明AFB5和TIR1對不同SAH的選擇性不同，AFB5受體是吡啶甲酸除草劑的主要作用位點(diǎn)，也有證據(jù)表明對氨氯吡啶酸不敏感的擬南芥AFB5突變品系對2,4-滴或IAA的敏感性沒變。因此，雜草種群的AFB5同源物可能發(fā)生突變，從而對吡啶甲酸除草劑產(chǎn)生抗性，而對內(nèi)源生長素的敏感性或植物的適合度沒有改變。吡啶甲酸除草劑管理需要說明和阻止此種情況的出現(xiàn)。

共受體 AUX/IAA蛋白應(yīng)被考慮，因?yàn)橐坏┥L素在識別口袋里，共受體蛋白就結(jié)合在生長素的頂部形成共受體復(fù)合體(圖6)。不同AUX/IAA與不同濃度生長素結(jié)合，共受體的突變會(huì)造成對SAH產(chǎn)生抗性這是可能的。基于生長素受體和共受體的靶標(biāo)位點(diǎn)抗性仍沒有被確定，但可能存在?？赡苡捎谑荏w家族的過剩，不同骨架的SAH會(huì)保持活性。

3.2 生長素類除草劑的潛在靶標(biāo)位點(diǎn)抗性機(jī)制：生長素運(yùn)輸?shù)鞍?/h3>

運(yùn)輸?shù)鞍啄軌蛸x予靶標(biāo)位點(diǎn)和非靶標(biāo)位點(diǎn)抗性(圖7)。植物細(xì)胞主要是通過AUXin抗性1(AUX1)載體選擇性吸收生長素。最初從對 2,4-滴抗性的植物體內(nèi)分離到AUX1突變體，已知這個(gè)靶標(biāo)位點(diǎn)易發(fā)生變化。AUX1結(jié)構(gòu)仍沒有被描述，但可用煙草細(xì)胞培養(yǎng)進(jìn)行放射性標(biāo)記的 2,4-滴累積生測來測定AUX1的活性。已研究了多樣的類生長素結(jié)構(gòu)，預(yù)期可得到AUX1選擇性的藥效圖。數(shù)個(gè)SAH骨架不是AUX1的底物，但化合物仍與SAH一樣有活性。所以，SAH抗性好像不可能由AUX1突變產(chǎn)生或質(zhì)膜中AUX1豐度的降低所致。

圖6 與2,4-滴結(jié)合的生長素受體TIR1的結(jié)構(gòu)

圖7 生長素運(yùn)輸?shù)鞍椎呐帕?/p>

選擇性生長素外流產(chǎn)生了極性生長素運(yùn)輸，使植物細(xì)胞產(chǎn)生極性并維持。有2個(gè)重要的外流載體蛋白家族 PIN-FORMED(PIN)和 ABCB蛋白。PIN具有植物特異性，ABCB是引起藥物抗性產(chǎn)生的ATP驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)體家族的一部分。假如PIN和ABCB是復(fù)雜的膜結(jié)合蛋白，那么目前其結(jié)構(gòu)未知。此外，沒有適于研究它們藥理學(xué)的廣泛使用的轉(zhuǎn)運(yùn)生測。已知有少許選擇性運(yùn)輸抑制劑，其中萘基酞基氨酸已被登記為除草劑。

更具有挑戰(zhàn)性的是在已有生化知識基礎(chǔ)上評估外流蛋白作為抗性位點(diǎn)的潛力。外流載體的上調(diào)可能促進(jìn)底物生長素從細(xì)胞中排出，通過清除除草劑產(chǎn)生抗性。在考慮內(nèi)源性生長素濃度和梯度時(shí)，PIN起主要作用。對PIN對不同SAH的選擇性知之甚少，但已知PIN的活性為自我增強(qiáng)型，因此增加生長素劑量可能補(bǔ)充或減少質(zhì)膜中 PIN的損失而增加活性。高劑量SAH能促進(jìn)PIN補(bǔ)充，但它們?nèi)绾斡绊懥鞒龊涂剐詫⑷Q于PIN蛋白對除草劑的選擇性。生長素輸送機(jī)制和PIN蛋白的藥理選擇性的更多知識有助于解釋PIN在SAH作用中的角色。

ABCB運(yùn)輸?shù)鞍自诜侵参镎婧吮磉_(dá)系統(tǒng)中被很好地表征，目前正在不斷地了解植物中ABCB運(yùn)輸?shù)鞍椎闹匾浴Ｖ参顰BCB的初步同源模型已被提出，但還不足以精煉用于了解底物的選擇性。植物ABCB與生長素外流有特異性相關(guān)性，與依賴于它們正確的功能的物理反應(yīng)有關(guān)。此家族具有許多小分子底物和質(zhì)膜的ABCB豐度的變化導(dǎo)致對小分子藥物的抗性。更好地了解此家族植物運(yùn)輸?shù)鞍钻P(guān)系到避免 SAH抗性的進(jìn)化。對 2,4-滴抗性因情形與ABCB轉(zhuǎn)運(yùn)體活性有關(guān)，雖然導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)累積量降低的受損的長距離運(yùn)輸和沒有增加的細(xì)胞外排好像是抗性的基礎(chǔ)。

3.3 生長素類除草劑的潛在非靶標(biāo)位點(diǎn)抗性機(jī)制：生長素的代謝

農(nóng)藥的非靶標(biāo)位點(diǎn)抗性與酶把農(nóng)藥代謝為無害物質(zhì)有關(guān)。使內(nèi)源生長素IAA失活的主要途徑為結(jié)合。結(jié)合IAA的酶可能被認(rèn)為是使合成生長素失活的候選物和抗性的潛在原因。植物體內(nèi)IAA結(jié)合有3種主要途徑：通過GH3蛋白，生長素與氨基酸結(jié)合；通過葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶與糖結(jié)合；通過 GST3與谷胱甘肽結(jié)合。已確定與IAA和水楊酸結(jié)合的GH3蛋白結(jié)構(gòu)。原則上，結(jié)合酶可能是抗性產(chǎn)生的原因，但任何一個(gè)酶識別所有不同 SAH骨架為底物是不可能的。

通常細(xì)胞色素P450酶對小分子的氧化，可能是除草劑和包括殺蟲劑在內(nèi)的其他農(nóng)藥解毒的一個(gè)機(jī)制。植物對二氯喹啉酸抗性與這些酶有關(guān)。主要催化內(nèi)源生長素IAA的途徑被確定為是IAA氧化酶，而不是細(xì)胞色素P450。是否此酶也將以SAH為底物還未知。雖然內(nèi)源性IAA氧化酶可能是抗性產(chǎn)生原因，但對多種SAH的抗性是不可能的。氧化已成為最近開發(fā)耐麥草畏和 2,4-滴作物的機(jī)制。在這些情況下，細(xì)菌來源的2種不同的氧化酶被引入賦予抗性。

4 SAH發(fā)現(xiàn)的最近創(chuàng)新

在20世紀(jì)90年代晚期氯氨吡啶酸的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了陶氏益農(nóng)對吡啶羧酸SAH結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系的研究。這導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)1類新穎SAH，即吡啶羧酸的衍生物芳基吡啶甲酸類。SAH的酸部分功能對其在植物韌皮部中的移動(dòng)和通過離子捕獲在細(xì)胞中的累積重要。對于吡啶羧酸除草劑二氯吡啶酸、氨氯吡啶酸、氯氨吡啶酸和芳基吡啶甲酸類除草劑[氟氯吡啶酯(ArylexTMActive)和氯氟吡啶酯(RinskorTMActive)]，羧酸為與TIR1和AFB1-5受體進(jìn)行主要結(jié)合的功能團(tuán)。芳基吡啶甲酸被制劑化為酯，這些酯在植物體內(nèi)可能迅速水解為游離羧酸。

芳基吡啶甲酸具有獨(dú)特的除草活性，與吡啶羧酸除草劑相比相對低的使用劑量(相當(dāng)于30 g酸/hm2或更少)防效增加。類似物DAS402除草活性顯著高于氯氨吡啶酸(圖8)，但其土壤半衰期太長(大于240 d)，不能滿足預(yù)期商業(yè)用途的法規(guī)要求。在DAS402結(jié)構(gòu)中加入可代謝的部分，可增加其在土壤中的降解。這導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了 4-氨基-3-氯-6-(4-氯-2-氟-3-甲氧基苯基)-2-吡啶甲酸甲酯(氟氯吡啶酯)(圖8)。氟氯吡啶酯是活性高的廣譜SAH，對小麥和大麥高度安全，土壤半衰期為10-30 d，比DAS402的半衰期少很多。在2015年被首次商業(yè)化用于谷物。

在氟氯吡啶酯的開發(fā)過程中， 吡啶甲酸骨架的數(shù)個(gè)重要特征被確定：分子的2-羧酸和4-氨基功能團(tuán)對高活性和廣譜性重要；3-氯功能團(tuán)進(jìn)一步增強(qiáng)了除草活性。對氟氯吡啶酯的吡啶甲酸部分5-位的SAR的研究發(fā)現(xiàn)了另一有商業(yè)用途的芳基吡啶甲酸類除草劑。氟氯吡啶酯的5-氟類似物不但具有高活性和廣譜性，而且對水稻有優(yōu)異的選擇性。其相對應(yīng)的羧酸[4-氨基-3-氯-6-(4-氯-2-氟-3-甲氧基苯基)-5-氟-2-吡啶甲酸]的土壤半衰期為 10～30 d。進(jìn)一步優(yōu)化開發(fā)了氯氟吡啶酯，用于水稻和其他作物田防治一年生禾本科雜草稗草和一些莎草科雜草(莎草屬)。在2017年首次獲批登記。

芳基吡啶甲酸除草劑的發(fā)現(xiàn)有力地表明有許多機(jī)會(huì)來開發(fā)新的SAH。芳基吡啶甲酸活性的多樣性使SAH更廣泛地用于雜草管理市場，如谷物、水稻、牧場和道路用地。

圖8 在相隔43年中發(fā)現(xiàn)了氨氯吡啶酸和氯氨吡啶酸

5 管理耐SAH作物的抗性

已開發(fā)了新的除草劑制劑用于陶氏益農(nóng)最近開發(fā)的耐 2,4-滴作物和孟山都開發(fā)的耐麥草畏作物。Enlist DuoTM(2,4-滴-膽堿+草甘膦)和 Enlist OneTM(2,4-滴-膽堿)除草劑被開發(fā)用于EnlistTM雜草防治系統(tǒng)和采用VaporGrip?技術(shù)生產(chǎn)的Xtendimax(麥草畏)被用于Roundup Ready?Xtend作物系統(tǒng)。陶氏益農(nóng)和孟山都已開發(fā)了管理項(xiàng)目以確保這些耐除草劑作物系統(tǒng)能被長期持續(xù)地使用，為把其整合入除草劑抗性管理項(xiàng)目提供指導(dǎo)。此外，美國環(huán)保局(USEPA)正在制定規(guī)章制度，強(qiáng)調(diào)需要種植者采用最好的除草劑抗性管理措施以進(jìn)一步持續(xù)使用這些作物系統(tǒng)。

隨著抗SAH作物的引入，從監(jiān)管和管理角度廣泛考慮了除草劑的抗性管理。這些工具將有助于進(jìn)行雜草管理項(xiàng)目和防治一些抗除草劑雜草品種。廣泛采用的延緩雜草種群除草劑抗性選擇和管理現(xiàn)有抗性雜草種群的最好的管理措施形成管理這些技術(shù)的基礎(chǔ)。這些最好的管理措施是美國USEPA規(guī)定的登記條件的重點(diǎn)。

從20世紀(jì)50年代到2001年，在美國，除草劑登記者必須滿足有關(guān)除草劑抗性管理的少許要求。在 2001年后登記者被要求用不利影響報(bào)告程序(Adverse Effects Reporting process)向USEPA報(bào)告已確認(rèn)的抗除草劑雜草品種。此外，USEPA表明登記者可能自發(fā)地在除草劑產(chǎn)品標(biāo)簽上表明作用機(jī)制，標(biāo)明除草劑抗性和阻止或延緩除草劑抗性進(jìn)化的最好管理措施。在2014年，USEPA首次發(fā)布了Enlist Duo除草劑登記條件，要求要具有除草劑抗性管理計(jì)劃。在2016年，發(fā)布了Xtendimax (采用Vaporgrip技術(shù)生產(chǎn))除草劑的相似批準(zhǔn)條件。這些 SAH雜草管理系統(tǒng)的 USEPA除草劑抗性管理計(jì)劃由田間檢測和補(bǔ)救，培訓(xùn)和信息，評估，最好的管理措施和報(bào)告組成。

需要利益相關(guān)者間加強(qiáng)合作來開發(fā)和實(shí)施有效的除草劑管理項(xiàng)目，限制田間抗性進(jìn)化，確保除草劑能被長期持續(xù)地使用。同時(shí)除草劑開發(fā)者和登記者、農(nóng)民、管理者、推廣者、專家、作物顧問、經(jīng)銷商和零售商也要進(jìn)行技術(shù)管理。行業(yè)鼓勵(lì)雜草管理相關(guān)利益方繼續(xù)促進(jìn)把除草劑作為綜合的雜草管理方法的一部分，通過延遲田間除草劑抗性進(jìn)化使這些有價(jià)值的工具被繼續(xù)使用。

6 總 結(jié)

本文目的是介紹SAH的植物抗性知識，為未來開發(fā)SAH產(chǎn)品帶來更好的機(jī)會(huì)。SAH藥理學(xué)獨(dú)特、復(fù)雜。其復(fù)雜的作用機(jī)制，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有益的影響和持久性是其用于雜草管理體系的自白書。

SAH在商業(yè)使用 70多年后可被繼續(xù)應(yīng)用，部分原因?yàn)樗鼈円话悴槐蛔鳛殡s草防除的唯一工具。最近對SAH的作用機(jī)制和作用位點(diǎn)的觀點(diǎn)，有過剩的生長素受體、生長素反應(yīng)型基因的改變和多個(gè)生化途徑的動(dòng)態(tài)平衡的中斷，這說明不能以簡單假說解釋許多田間抗性生物型產(chǎn)生的原因。這也說明靶標(biāo)位點(diǎn)抗性發(fā)展慢的原因，以及可能和適合度代價(jià)有關(guān)。最近采用最新分子和生化工具進(jìn)行的新抗性雜草生物型的調(diào)查為未來抗性風(fēng)險(xiǎn)(特別是非靶標(biāo)位點(diǎn)抗性機(jī)制)提供了信息和為新 SAH提供了潛在的延緩風(fēng)險(xiǎn)的策略。

目前也難以證實(shí)簡單的作用位點(diǎn)改變導(dǎo)致對SAH親和性下降而產(chǎn)生抗性。代謝增加和植物吸收降低的假設(shè)常不足以解釋生物型對SAH的反應(yīng)。在對化學(xué)、蛋白質(zhì)和基因調(diào)節(jié)間相互作用的了解下和應(yīng)用改進(jìn)的分析工具，現(xiàn)在了解了運(yùn)輸?shù)慕档涂赡転?SAH抗性產(chǎn)生的潛在原因，增加的代謝(例如虞美人)可能或不可能(例如刺萵苣和野蘿卜)與 SAH抗性有關(guān)。對這些機(jī)制每一種影響的了解已證明是困難的，因?yàn)樵趶?fù)雜生長素反應(yīng)途徑中存在多個(gè)和冗余的變量。

在筆者收集的觀點(diǎn)中，由于靶標(biāo)位點(diǎn)(結(jié)合蛋白，TIR1/AFB1-5))改變導(dǎo)致的抗生物型的風(fēng)險(xiǎn)相對低。筆者也認(rèn)為生長素感知和反應(yīng)途徑的復(fù)雜相互作用通過靶標(biāo)蛋白的過度表達(dá)(抗草甘膦地膚和長芒莧)形成的抗性可能性也低。由于 SAH的使用繼續(xù)增加，抗性選擇風(fēng)險(xiǎn)將也增加。筆者認(rèn)為螯合作用和/或抗性運(yùn)輸機(jī)制的改變(例如 ABCB轉(zhuǎn)運(yùn)體，其他)可能發(fā)展和擴(kuò)展。需要重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)致對其他除草劑作用機(jī)制共進(jìn)化抗性的對 SAH運(yùn)輸改變的性狀的選擇，這在多抗藥細(xì)菌已發(fā)現(xiàn)。SAH的差異代謝也已在一些雜草生物型發(fā)現(xiàn)，了解這些抗性機(jī)制對開發(fā)和實(shí)施更有效抗性管理策略重要。

通過增加知識和分析能力可能獲得這些見識。但是，對細(xì)胞的藥理學(xué)和植物體內(nèi)長距離運(yùn)輸機(jī)制了解的少。雜草科學(xué)和聯(lián)合學(xué)科為更好地了解這些機(jī)制提供了機(jī)會(huì)。在使用70多年后，具有獨(dú)特的雜草防治譜和不同化學(xué)特性新 SAH繼續(xù)被發(fā)現(xiàn)的事實(shí)支持此觀點(diǎn)，即未來有很多機(jī)會(huì)來進(jìn)一步對SAH進(jìn)行創(chuàng)新。

另一經(jīng)驗(yàn)為整個(gè)雜草防除專家群體包括行業(yè)科學(xué)家、學(xué)術(shù)界、管理機(jī)構(gòu)和農(nóng)民需要意識到和充分支持實(shí)施最好的除草劑抗性管理措施?！岸鄻有浴笔蔷S持有效長期雜草管理的最主要的原因。例如合用不同作用機(jī)制的土壤殘留除草劑和芽后除草劑以及非化學(xué)雜草管理方法(即覆蓋作物、策略耕作、作物輪作和收獲時(shí)雜草種子防治措施)將可能會(huì)使雜草管理工具切實(shí)可行，能使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)蓬勃發(fā)展，為后代提供安全的糧食。