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杂草对2,4-滴等合成生长素类除草剂的抗性分析 qrcode

2019-01-22

作者:叶萱 上海市农药研究所
 
合成生长素类除草剂(SAH,HRAC 分类体系的O 组)模拟了天然植物激素吲哚-3-乙酸(IAA)的作用。第 1 个这种作用机制的除草剂 2,4-滴已被广泛使用 70 多年。SAH 主要用于选择性防治禾本科作物田中的阔叶杂草,但二氯喹啉酸和氯氟吡啶酯防治一些禾本科和沙草科杂草。SAH 被分为 7 种:⑴ 苯氧羧酸类;⑵  苯甲酸类;⑶  吡啶羧酸类;⑷  吡啶氧羧酸类;⑸  喹啉羧酸类;⑹  嘧啶羧酸类和⑺ 芳基吡啶甲酸类(arylpicolinate)(表 1)。每一种都具有独特的化学结构(图 1)。自 1945 年 2,4-滴引入后 SAH就一直被商业化使用到现在,在 2018 年氯氟吡啶酯引入(表 1)。2,4-滴引入用于农业给杂草管理带来了革命,持续性创新发现和开发了数个新颖的 SAH。 
 
SAH 的全球施用面积仅次于 ALS 抑制剂(508×106  hm2)和 EPSP 合酶抑制剂(477×106  hm2)除草剂,位列第三(366×106 hm2)(信息来自陶氏益农,2014年)。除草剂2,4-滴的全球使用面积为161.7×106 hm2,是使用最广泛的 SAH,其次依次为麦草畏(50.0×106 hm2)和 2-甲基-4-氯苯氧乙酸(MCPA)(31.3×106 hm2) (图 3)。 
 
表 1  不同种类合成生长素类除草剂
 
 

 
图 1   7 种类别合成生长素除草剂代表性产品结构


 图 2   2014 年报道的前 17 种作用机制(HRAC 分类体系)除草剂使用面积(×106 hm2)



图 3   2014 年报道的特定合成生长素类除草剂活性成分施用面积(×106 hm2)
 
1  杂草品种对 SAH 的抗性
 
在 1957 年,首例 2,4-滴抗性被报道,即在夏威夷节节草(Commelina  diffusa)和在加拿大胡罗卜(Daucus carota L.)对 2,4-滴产生了抗性。根据“国际抗性杂草调查”,现在有 36 种抗 SAH 的杂草品种(30 种阔叶杂草、5 种禾本科杂草和 1 种类似禾本科杂草)(图 4)。包括止血马塘(Digitaria ischaemum)和 4种稗属杂草[稗草(Echinochloa  crus-galli)、孔雀稗(Echinochloa crus-pavonis)、西来稗(Echinochloa zelayensis)和芒稗(Echinochloa  colona)]的 5 种禾本科杂草已对二氯喹啉酸产生了抗性。有人提出其为氰化物介导的抗性机制,不同于 SAH 的。 
 
对SAH产生抗性的经济重要性杂草有澳大利亚抗2,4-滴和抗MCPA的野萝卜(Raphanus raphanistrum)、欧洲抗苯氧除草剂的虞美人(Papaver rhoeas),加拿大和美国抗麦草畏的地肤(Kochia  scoparia),美国抗 2,4-滴、麦草畏和 MCPA 的刺莴苣(Lactuca serriola)。此外,内布拉斯加州和伊利诺斯州的长芒苋(Amaranthus tuberculatus) 生物型和阿根廷的绿穗苋(Amaranthus hybridus )被确定对一些 SAH 有抗性。经济重要性稍差的抗性杂草有加拿大和美国抗 2,4-滴的胡罗卜,新西兰抗 2,4-滴的麝香飞廉(Carduus  nutans)和意大利蓟(Carduus pycnocephalus),以及在加拿大对 SAH 多抗的野芥(Sinapis  arvensis  L.)和抗二氯喹啉酸的猪殃殃 (Galium spurium)。
 

注:星号表示对合成生长素类除草剂产生抗性的经济重要性杂草 
图 4   到 2017 年已报道对合成生长素类除草剂产生抗性的杂草品种
 
与其他作用机制除草剂特别是乙酰基辅酶 A 羧化酶(ACCase)和乙酰乳酸合酶(ALS)抑制型除草剂相比,考虑到广泛使用 SAH 所形成的选择压程度,其抗性发生程度较低(图 5)。虽然 SAH 使用的时间要长于其他作用机制的除草剂,但相对来说没有对农业生产造成广泛的不利影响的抗 SAH 杂草案例(图 4)。
 
SAH 抗性发生低的原因可能有以下几种:⑴  这些除草剂具有潜在的多个作用位点;⑵  一些抗性事例是由隐性基因所致,其扩展比显性性状更慢;⑶ 在除草剂和作物竞争存在的情况下,抗性基因型的适合度降低。杂草交互抗性的发生可能是管理策略开发的 1 个挑战。
 
2 一些杂草品种对 SAH 的抗性机制
 
2.1 虞美人
 
虞美人是欧洲冬季谷物中最常见的阔叶杂草。此杂草品种专性异花授粉,种子产量高,种子库具有高度持久性,适合种子萌发的时间长,故难以防治。
 
抗性植物中 2,4-滴迁移的缺少可能是抗性产生的原因。此外,用 2,4-滴处理的敏感植物产生的乙烯是抗性植物的 4~8 倍。2,4-滴在抗性植物中可能没有到达核蛋白受体复合体,压制了生长素反应性基因,其中一些基因负责乙烯的产生。乙烯的积累可能抑制光合作用,产生 H2O2 和反应性氧,导致植物死亡。
 
有能够降解甲氧咪草烟的对 ALS 抑制型和苯氧羧酸类除草剂有抗性的虞美人生物型。是否相同的细胞色素 P450 降解这些作用机制的除草剂,或是否其他酶参与其中,这些仍未知。发现除草剂 2,4-滴能诱导敏感和抗性虞美人表达糖苷水解酶(GH3)和谷胱甘肽 S-转移酶(GST3),因此这些酶表达的增加好像与 2,4-滴的抗性没有关系。需要确定虞美人抗除草剂的基因和更充分地了解其抗性机制。
 
2.2 地肤 
 
地肤为侵染北美大平原作物地和非作物地的一年生夏季杂草。抗麦草畏地肤被首次发现于 20 世纪 90 年代的科罗拉多州和内布拉斯加州。到 2016 年,抗除草剂生物型已普遍,特别是在科罗拉多州和堪萨斯州的休耕小麦田中。到目前为止,在科罗拉多州还没有发现对氟草烟产生交互抗性,虽然报道蒙大拿州有。在 25 年中使用先进的选择技术,培育了抗性地肤品系 9425,与敏感品系 7710 相比其对麦草畏的抗性增加了 30 倍。性状为显性或半显性。与敏感品系相比 9425 品种对麦草畏的迁移性降低了。RNA-序列表明品系 9425 体内影响生长素运输的一组独特基因被下调了,这可能是导致抗性植物中麦草畏迁移性下降的原因。 
 
已发现少量的抗氟草烟地肤种群。虽然氟草烟是有效的可靠的防治各种环境中地肤的除草剂,但由于其杂草防治谱窄,不被看作是“可独立使用”的产品。由于地肤对其他除草剂的抗性广泛,而用氟草烟防治地肤日益增加,管理地肤对氟草烟抗性的进化将非常重要。 
 
2.3 刺莴苣 
 
刺莴苣是菊科一年生、冬性一年生或二年生杂草,是美国西北部的一大问题杂草。美国西北部种植的约 80%小麦在生长过程中至少被施用 1 种 SAH  1 次。在 2004 年夏天在美国华盛顿普尔曼附近,应用 840 g/hm2草甘膦和 540 g/hm2 2,4-滴 2 次后刺莴苣还能够存活。此外调查发现对2,4-滴的差异反应可遗传,防治失败不是草甘膦抗性所致。在被处理后 3 周抗性植物从花冠再次长出的部分被用 2,4-滴处理后 2~3 周受到伤害。抗性水平是敏感生物型的 9~10 倍。此 2,4-滴抗性生物型似乎对苯氧羧酸类和苯甲酸类包括 MCPA 和麦草畏在内的其他 SAH 已发展交互抗性。
 
2.4 野萝卜 
 
野萝卜是澳大利亚南部种植系统中最成问题的双子叶杂草,每年给种植者造成的作物产量损失至少达 5700 万澳元,增加了杂草防除费用。在澳大利亚西部,此杂草已对 ALS 抑制型除草剂的磺酰脲类和咪唑啉酮类产生了广泛的抗性,种植者要依赖SAH 特别是 2,4-滴来防除。在 1999 年,首次确定野萝卜在田间对 2,4-滴发展了抗性的事例。随后在2003、2010 和 2015 年进行的随机杂草种群调查表明对 2,4-滴产生抗性的植物种群比例从 2003 年的 60%增加到2010 年的74%。在2015年抗性水平保持没变。
 
有一些化合物能够阻碍基因或基因产品改变抗性植物对 SAH 的反应或再次激活除草剂的正常迁移能力,发现这些替代性分子可能延长 SAH 防治作物田中野萝卜的时间。到目前为止,没有发现抗性野萝卜对 2,4-滴解毒代谢的证据(细胞色素 P450 依赖或独立型)。需要持续检测种群进化代谢抗性,来调整抗性管理策略,更好防治这些杂草。
图 5   自引入后到 2017 年期间 ALS 抑制剂、ACCase 抑制剂、草甘膦和合成生长素类除草剂的抗性杂草品种的数量和杂草抗性相对发展率排序
 
3 SAH 发现的最近创新 
 
在 20 世纪 90 年代晚期氯氨吡啶酸的发现促进了陶氏益农对吡啶羧酸 SAH 结构-活性关系的研究。这导致发现 1 类新颖 SAH,即吡啶羧酸的衍生物芳基吡啶甲酸类。SAH 的酸部分功能对其在植物韧皮部中的移动和通过离子捕获在细胞中的累积重要。对于吡啶羧酸除草剂二氯吡啶酸、氨氯吡啶酸、氯氨吡啶酸和芳基吡啶甲酸类除草剂[氟氯吡啶酯(ArylexTM Active)和氯氟吡啶酯(RinskorTM Active)],羧酸为与 TIR1 和 AFB1-5 受体进行主要结合的功能团。芳基吡啶甲酸被制剂化为酯,这些酯在植物体内可能迅速水解为游离羧酸。 
 
芳基吡啶甲酸具有独特的除草活性,与吡啶羧酸除草剂相比相对低的使用剂量(相当于 30  g 酸/hm2或更少)防效增加。类似物 DAS402 除草活性显著高于氯氨吡啶酸(图 8),但其土壤半衰期太长(大于 240 d),不能满足预期商业用途的法规要求。在 DAS402 结构中加入可代谢的部分,可增加其在土壤中的降解。这导致发现了 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)(图 8)。氟氯吡啶酯是活性高的广谱 SAH,对小麦和大麦高度安全,土壤半衰期为 10-30 d,比 DAS402 的半衰期少很多。在 2015 年被首次商业化用于谷物。 
 
在氟氯吡啶酯的开发过程中,  吡啶甲酸骨架的数个重要特征被确定:分子的 2-羧酸和 4-氨基功能团对高活性和广谱性重要;3-氯功能团进一步增强了除草活性。对氟氯吡啶酯的吡啶甲酸部分 5-位的SAR 的研究发现了另一有商业用途的芳基吡啶甲酸类除草剂。氟氯吡啶酯的 5-氟类似物不但具有高活性和广谱性,而且对水稻有优异的选择性。其相对应的羧酸[4-氨基-3-氯-6-(4-氯-2-氟-3-甲氧基苯基)-5-氟-2-吡啶甲酸]的土壤半衰期为 10~30 d。进一步优化开发了氯氟吡啶酯,用于水稻和其他作物田防治一年生禾本科杂草稗草和一些莎草科杂草(莎草属)。在 2017 年首次获批登记。
 
芳基吡啶甲酸除草剂的发现有力地表明有许多机会来开发新的 SAH。芳基吡啶甲酸活性的多样性使 SAH 更广泛地用于杂草管理市场,如谷物、水稻、牧场和道路用地。
 
 
图 6   在相隔 43 年中发现了氨氯吡啶酸和氯氨吡啶酸
 
 
4 管理耐 SAH 作物的抗性 
 
已开发了新的除草剂制剂用于陶氏益农最近开发的耐 2,4-滴作物和孟山都开发的耐麦草畏作物。Enlist  DuoTM  (2,4-滴-胆碱+草甘膦)和 Enlist  OneTM (2,4-滴-胆碱)除草剂被开发用于 EnlistTM杂草防治系统和采用 VaporGrip®技术生产的 Xtendimax(麦草畏)被用于 Roundup Ready® Xtend 作物系统。陶氏益农和孟山都已开发了管理项目以确保这些耐除草剂作物系统能被长期持续地使用,为把其整合入除草剂抗性管理项目提供指导。此外,美国环保局(USEPA)正在制定规章制度,强调需要种植者采用最好的除草剂抗性管理措施以进一步持续使用这些作物系统。 随着抗 SAH 作物的引入,从监管和管理角度广泛考虑了除草剂的抗性管理。这些工具将有助于进行杂草管理项目和防治一些抗除草剂杂草品种。广泛采用的延缓杂草种群除草剂抗性选择和管理现有抗性杂草种群的最好的管理措施形成管理这些技术的基础。这些最好的管理措施是美国 USEPA 规定的登记条件的重点。 
 
从 20 世纪 50 年代到 2001 年,在美国,除草剂登记者必须满足有关除草剂抗性管理的少许要求。在 2001 年后登记者被要求用不利影响报告程序(Adverse Effects Reporting process)向 USEPA 报告已确认的抗除草剂杂草品种。此外,USEPA 表明登记者可能自发地在除草剂产品标签上表明作用机制,标明除草剂抗性和阻止或延缓除草剂抗性进化的最好管理措施。在 2014 年,USEPA 首次发布了 Enlist Duo 除草剂登记条件,要求要具有除草剂抗性管理计划。在 2016 年,发布了 Xtendimax (采用 Vaporgrip技术生产)除草剂的相似批准条件。这些 SAH 杂草管理系统的 USEPA 除草剂抗性管理计划由田间检测和补救,培训和信息,评估,最好的管理措施报告组成。 
 
需要利益相关者间加强合作来开发和实施有效的除草剂管理项目,限制田间抗性进化,确保除草剂能被长期持续地使用。同时除草剂开发者和登记者、农民、管理者、推广者、专家、作物顾问、经销商和零售商也要进行技术管理。行业鼓励杂草管理相关利益方继续促进把除草剂作为综合的杂草管理方法的一部分,通过延迟田间除草剂抗性进化使这些有价值的工具被继续使用。
 

本文首登于《世界农药》杂志,有编辑删减。

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