咪唑啉酮类除草剂及其抗性作物的发展现状

宋 慧，李海峰，付 楠，魏萌涵，邢 璐，刘金荣

（安阳市农业科学院，河南省谷子育种工程技术研究中心，河南 安阳 455000）

随着我国农业供给侧结构性改革的深入推进，土地流转速度的加快，作物生产急需向规模化、轻简化方向发展[1，2]。常规除草剂受杀草谱及其作用机理的影响，很难防除作物田中的恶性杂草以及在分类学和生理学上与作物本身十分相似的杂草，如油菜田的野生芥菜和臭草，水稻田的稗草和赤米稻，小麦田的雀麦和山羊草等。通常恶性杂草暴发的田块只能选择人工除草，效率低下，难以适用于规模化生产，再加上如果苗期遇到连阴雨天气，易发生草荒造成减产甚至绝收。同时，除草剂的残留易对后茬作物造成药害，严重阻碍了规模化生产中轮作制度的正常进行。通过除草剂与抗除草剂作物的组合应用，可以很好地解决这一难题。

国内外科学家对抗除草剂作物育种进行了大量研究，先后采用常规手段培育出抗拿扑净、抗阿特拉津、抗氟乐灵作物新品种和新品系，但由于抗性低、产量损失大等原因，均未在生产上大面积推广应用。咪唑啉酮类除草剂是一类高活性、低毒、广谱性除草剂，独具兼杀单双子叶杂草的优势，抗咪唑啉酮类除草剂作物的成功开发大大地扩展了该类除草剂的杀草谱，二者组合能有效防除一些作物田中其他除草剂无效的杂草，极大地满足了作物规模化、轻简化发展的需求[3]。对我国目前咪唑啉酮类除草剂作物的发展现状及抗咪唑啉酮类除草剂作物的选育进行了梳理和分析，并对咪唑啉酮类除草剂及其抗性作物未来的研究方向提出了展望。

1 咪唑啉酮类除草剂的推广和应用

20世纪80年代初期，美国氰胺公司成功开发出了咪唑啉酮类除草剂。该类除草剂既可做土壤处理剂，又可茎叶喷施，具有除草效率高、使用剂量低、毒性小、使用方便等特点[4]，可用于大豆、苜蓿、花生等旱田作物防除众多的1 a生和多年生禾本科杂草以及阔叶杂草和莎草科杂草。20世纪90年代，我国开始批量进口咪唑乙烟酸，并在东北地区大面积推广。近年来，国产咪唑乙烟酸研制成功，其价格低廉，且除草效果良好，因此消费量大增，已成为我国东北和内蒙地区干旱半干旱区大豆田的主导除草剂产品。甲咪唑烟酸是花生田防除杂草的理想除草剂之一，尤其是对花生田1 a生禾本科杂草、莎草及阔叶杂草有较好防效[5]，对恶性杂草香附子防除效果也较好[6]。

咪唑啉酮类除草剂虽然是一类高效低毒性的除草剂，但在土壤中残留易对后茬作物造成药害。如甲咪唑烟酸在土壤中残留会导致小麦干物质积累减少，根冠比下降，光合速率降低[7]。种植抗咪唑啉酮类除草剂的作物可避免除草剂残留药害的发生，如含XA17基因的抗咪唑啉酮玉米不仅可以抵抗咪唑啉酮类除草剂的药害，还可以防止磺酰脲除草剂的残留药害。因此，加强对咪唑啉酮类除草剂抗性作物的选育，对于该类除草剂的推广应用大有裨益。

2 抗咪唑啉酮类除草剂作物的选育

咪唑啉酮类除草剂作用机理是在作物体内产生乙酰乳酸合成酶，阻止植株支链氨基酸和蛋白质的合成，进而干扰DNA合成以及细胞分裂与生长，导致植株死亡[8]。正是由于咪唑啉酮类除草剂作用位点单一，长期使用极易让杂草产生抗药性，因此，研究者将其作为诱变剂诱导作物产生抗性，为选育非转基因抗除草剂品种提供了思路[9，10]。

François Tardif和Hugh Beckie等从野生青狗尾草中发现一系列具有咪唑乙烟酸（Imazethapyr） 抗性的突变材料。这些野生青狗尾草材料引入中国后，通过抗咪唑乙烟酸狗尾草与谷子进行远缘杂交，创制出抗咪唑乙烟酸的谷子育种材料，然后通过回交转育到常规品种，经多代自交回交，淘汰分离单株直至性状稳定，从而获得抗咪唑乙烟酸且农艺性状优良的新品系[11]。以抗咪唑乙烟酸谷子材料为母本、抗单子叶杂草除草剂的谷子材料为父本，通过杂交选育，获得双抗除草剂的优质新品系。河北省农林科学院谷子研究所于2015年最先育成了抗咪唑乙烟酸谷子品种冀谷33和冀谷35，之后又育成了冀谷系列抗除草剂优质谷子新品种冀谷39等[12，13]。目前已有多家育种机构成功选育出了抗咪唑乙烟酸谷子品种，如承谷14、承谷15、沧谷7、九谷26和辽谷62等，其中安阳市农业科学院谷子研究所选育出了10多个抗咪唑乙烟酸苗头品系，有1份材料正在参加河南省区试试验，综合性状表现良好。

目前，在油菜[14]、水稻[15]、小麦和向日葵[16]等作物上均已成功开发出了抗咪唑啉酮类除草剂新品种，另外在甜菜、莴苣、大豆等作物中也发现了抗咪唑啉酮类除草剂的突变体[17]，这些商品化的抗除草剂作物都是利用自然突变或化学诱变等常规育种技术选育而成的。

大多数欧盟成员国以及日本、韩国和新西兰等反对转基因抗除草剂作物，尤其反对抗草甘膦作物的引进，但对于抗咪唑啉酮类除草剂作物基本上持宽容态度[18]。欧共体禁止转基因作物食品进入，但对花粉诱变、离体选择而成的抗除草剂作物的进入没有严格限制。抗咪唑啉酮类除草剂作物是通过细胞培养、花粉诱变、小孢子诱变、种子化学诱变等常规杂交方法，诱导靶标抗性AHAS基因突变选育而成的，而非转基因选育。其是非转基因抗（耐）除草剂作物选育和推广中最成功的案例，特别是耐咪唑啉酮水稻，在美国、加拿大和巴西等国家均已大面积种植[19，20]，2008年在美国阿肯色州的种植面积已占该区水稻种植总面积的1/3，在哥斯达黎加的种植面积占其水稻种植总面积的22%。由此可见，抗咪唑啉酮类除草剂作物的应用前景十分广阔。

3 抗咪唑啉酮基因标记的开发和应用

分子标记辅助选择（marker-assisted selection，MAS）技术已广泛应用于品种纯度鉴定和抗性资源选育过程，可缩短育种时间，节省成本。

Hattori等[21]和Swanson等[22]对油菜小孢子进行化学诱变，获得了2个抗咪唑啉酮类除草剂的突变体PM1和PM2，这2个突变体都是由于ALS基因点突变而成，其中，PM1的BnALS1基因第653位Ser发生突变，PM2的BnALS3基因第574位Trp发生突变。有研究报道，PM2的耐药性水平明显高于PM1，当它们同时存在于同一植株上且为纯合子时，其表现出对咪唑啉酮类除草剂最大的抗性[23]。除了化学诱变，自然突变也是获得抗ALS类除草剂突变体的途径，油菜株系M9的咪唑啉酮抗性是由除草剂诱发的自然突变获得[24，25]，其获得途径与向日葵抗性突变体IMISUN-1、IMISUN-2和RW-B的获得途径相同[26]。胡茂龙等[14]从M9中克隆到抗性基因BnALS1R，发现有一处碱基突变，导致ASL1的第638位丝氨酸残基被天冬酰胺酸替代，根据该处点突变，开发的AS-PCR标记将促进油菜抗除草剂分子标记辅助选择育种。

王芳权等[15]保留F2中ALS-A纯合单株，连续自交，快速获得了除草剂抗性稳定的水稻材料。师志刚等[27]开发的抗咪唑乙烟酸基因的CAPs分子标记有利于筛选抗性纯合单株，能够建立精准鉴定抗、感、杂合咪唑乙烟酸谷子的方法，为分子标记辅助育种培育抗咪唑乙烟酸谷子新品种奠定了基础。陈涛等[28]利用四引物扩增受阻突变体系PCR技术，设计出能区分3种不同基因型的分子标记，通过一步简单扩增实现了对抗咪唑啉酮类除草剂水稻的快速、准确鉴定。

4 展望

咪唑啉酮类除草剂具有高效广谱的特点，应用前景十分广阔。但是其在土壤中残留活性较长，长期使用会对作物造成药害，制约后茬作物的种植。抗咪唑啉酮类除草剂作物的选育可有效解决咪唑啉酮类除草剂残留的问题。未来对于咪唑啉酮类除草剂及其抗性作物的研究，还可以从以下几个方面进行：

（1）开展微生物降解土壤中残留咪唑啉酮类除草剂的研究。微生物降解是土壤中残留咪唑啉酮类除草剂的主要降解途径，因此，加快构建多功能高效降解菌群，筛选高活性的新菌种，对于解决其残留药害问题和改善土壤环境具有重要意义。

（2）开展抗咪唑啉酮类除草剂突变体的研究。所有商品化的抗咪唑啉酮类除草剂作物的选育方法虽然各有不同，但其抗性机制都是靶标抗性AHAS基因突变。据此，可进一步开发出更多的抗咪唑啉酮类除草剂作物。

（3） 开展抗咪唑啉酮类作物应用管理规范的研究。随着抗咪唑啉酮类作物的广泛应用，亲缘杂草与抗咪唑啉酮类作物间交互授粉，可能引起抗性基因的流动。因此，如何合理、规范地应用抗咪唑啉酮类作物，防止杂草产生抗药性是未来研究的一个重要方向。