18 胞合成芳香族氨基酸 ( 色氨酸酪氨酸和苯丙氨酸 ), 并最终合成激素和许多次生代谢物如类黄酮木质素泛醌维生素 K 植物保卫素和其他酚类化合物的关键 ( 图 1) 草甘膦的作用机理是以竞争 PEP 和非竞争 S3P 的方式同植物体内 EPSPS 2017 进行绑定, 形成结构稳定的 EP

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胜雍
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1 犘犾犪狀狋犘狉狅狋犲犮狋犻狅狀专论与综述犚犲狏犻犲狑狊草甘膦作用机制和抗性研究进展陈世国, 强胜, 毛婵娟 ( 南京农业大学生命科学学院, 南京 ) 摘要草甘膦是迄今为止最为重要应用最广泛和最优秀的除草剂之一然而, 由于抗草甘膦转基因作物的广泛商业化导致草甘膦使用量迅速增长, 杂草抗药性发生, 这不仅对草甘膦的药效发挥和未来可持续应用造成了严重影响, 而且对现代农业生产安全构成了威胁本文通过对草甘膦的作用机理草甘膦抗性杂草发展现状和抗性机制进行系统的总结和分析, 以期为我国草甘膦的抗性研究和科学使用提供参考关键词除草剂 ; 草甘膦 ; 作用机制 ; 抗性中图分类号 : S482.4 文献标识码 : A 犇犗犐 : /j.issn 犕犲犮犺犪狀犻狊犿狅犳犪犮狋犻狅狀狅犳犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲犪狀犱狉犲狊犲犪狉犮犺犪犱狏犪狀犮犲狊犻狀犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲狉犲狊犻狊狋犪狀犮犲犆犺犲狀犛犺犻犵狌狅, 犙犻犪狀犵犛犺犲狀犵, 犕犪狅犆犺犪狀犼狌犪狀 ( 犆狅犾犲犵犲狅犳犔犻犳犲犛犮犻犲狀犮犲, 犖犪狀犼犻狀犵犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔, 犖犪狀犼犻狀犵 , 犆犺犻狀犪 ) 犃犫狊狋狉犪犮狋犌犾狔狆犺狅狊犪狋犲犺犪狊犫犲犮狅犿犲狅狀犲狅犳狋犺犲犿狅狊狋犻犿狆狅狉狋犪狀狋, 犱狅犿犻狀犪狀狋犪狀犱狆犲狉犳犲犮狋犺犲狉犫犻犮犻犱犲犳狅狉狑狅狉犾犱犪犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲狊狅犳犪狉. 犎狅狑犲狏犲狉, 狋犺犲狅狏犲狉狉犲犾犻犪狀犮犲犪狀犱犻狀狋犲狀狊犻狏犲狌狊犲狅犳犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲犪犾狅狀犲狋狅犿犪狀犪犵犲狑犲犲犱狊犺犪狊狊犲犾犲犮狋犲犱狆狅狆狌犾犪狋犻狅狀狊狋犺犪狋犪狉犲犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲狉犲狊犻狊狋犪狀狋. 犜犺犻狊狋犺狉犲犪狋犲狀狊狀狅狋狅狀犾狔犲犳犻犮犪犮狔犪狀犱犳狌狋狌狉犲狊狌狊狋犪犻狀犪犫犻犾犻狋狔狅犳犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲犪狊犪狆狉犲犮犻狅狌狊犺犲狉犫犻犮犻犱犲, 犫狌狋犪犾狊狅狋犺犲狊犪犳犲狋狔狅犳犿狅犱犲狉狀犪犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾狆狉狅犱狌犮狋犻狅狀. 犐狀狋犺犻狊狉犲狏犻犲狑, 狑犲犳狅犮狌狊狅狀狋犺犲犪犮狋犻狅狀犿犲犮犺犪狀犻狊犿狅犳犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲, 狋犺犲犮狌狉狉犲狀狋狊狋犪狋狌狊狅犳犲狏狅犾狏犲犱犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲狉犲狊犻狊狋犪狀狋狑犲犲犱狊狑狅狉犾犱狑犻犱犲犪狀犱狉犲狊犻狊狋犪狀犮犲犿犲犮犺犪狀犻狊犿狊犻狀犱犻犳犲狉犲狀狋狑犲犲犱狊. 犜犺犻狊狑犻犾狆狉狅狏犻犱犲狌狊犲犳狌犾狉犲犳犲狉犲狀犮犲狊犳狅狉犆犺犻狀犲狊犲狉犲狊犲犪狉犮犺犲狉狊犻狀狋犺犲狊狋狌犱狔狅犳犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲狉犲狊犻狊狋犪狀犮犲犪狀犱狊狌狊狋犪犻狀犪犫犾犲狌狊犲狅犳犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲犻狀狋犺犲犳狌狋狌狉犲. 犓犲狔狑狅狉犱狊犺犲狉犫犻犮犻犱犲 ; 犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲 ; 犿犲犮犺犪狀犻狊犿狅犳犪犮狋犻狅狀 ; 狉犲狊犻狊狋犪狀犮犲自从 1946 年开始使用 2,4 D, 化学除草剂已走过 60 多年的历程, 为全球粮食生产和农业现代 [1] 化做出了巨大贡献其中草甘膦(N ( 膦羧基甲基 ) 甘氨酸 ) 是迄今为止最为重要应用最为广泛 [2] 和最优秀的除草剂自 1974 年美国孟山都公司开发草甘膦以来, 由于其具有广谱低毒安全无土壤残留的特点, 迅速占据了世界除草剂的主导地位尤其是 1996 年后, 随着抗草甘膦转基因作物 ( 如大豆玉米和油菜 ) 的问世和大面积推广 [3] 应用, 草甘膦的使用更是出现了迅猛增长目前, 已成为全球销售量最大和增长最快的农药 [4] 品种 1 草甘膦的作用机制草甘膦是唯一一个以植物叶绿体中 5 烯醇式丙酮酰莽草酸 3 磷酸合成酶 (5 enolypyruvylshiki mate 3 phosphatesynthase,epsps,ec ) [2] 为靶标的除草剂 EPSPS 广泛存在于植物和一些真菌及细菌体内, 是莽草酸代谢途径的第 6 个酶莽草酸途径在植物的生长点最为活跃, 对植物极其重要, 它贡献了植物体干重生物量的 35% 以 [5] 上在莽草酸途径中,EPSPS 负责催化磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 和磷酸莽草酸 (S3P) 生成 5 烯醇式丙酮酰莽草酸 3 磷酸 (EPSP) 这个步骤是植物细收稿日期 : 修订日期 : 基金项目 : 转基因生物新品种培育重大专项 (2016ZX ); 中央高校基本科研业务费专项资金 (KYZ201530) 通信作者 E mail:chenshg@njau.edu.cn

2 18 胞合成芳香族氨基酸 ( 色氨酸酪氨酸和苯丙氨酸 ), 并最终合成激素和许多次生代谢物如类黄酮木质素泛醌维生素 K 植物保卫素和其他酚类化合物的关键 ( 图 1) 草甘膦的作用机理是以竞争 PEP 和非竞争 S3P 的方式同植物体内 EPSPS 2017 进行绑定, 形成结构稳定的 EPSPS-S3P- 草甘膦复合物从而引起 EPSPS 活性的丧失, 大量碳源流向 S3P, 进而造成莽草酸在组织中快速积累另一方面, 蛋白质生物合成所必需的芳香族氨基酸的 [6] 合成则严重受阻最终导致植物生长受到抑制图 1 莽草酸途径和草甘膦作用位点犉犻犵.1 犜犺犲狊犺犻犽犻犿犪狋犲狆犪狋犺狑犪狔犪狀犱狋犺犲犪犮狋犻狅狀狊犻狋犲狅犳犵犾狔狆犺狅狊犪狋犲然而, 草甘膦是如何通过抑制莽草酸途径杀死植物的至今仍不十分清楚许多研究认为蛋白质合成所需芳香族氨基酸的缺乏是草甘膦作用的最初影响, 这符合草甘膦作用缓慢的特点同时, 大量碳源流向莽草酸途径必然导致其他基本代谢所需碳源的匮乏, 引起植物体内代谢的紊乱大量证据已经表明草甘膦对其他许多生理生化过程都有明显的影响, 例如降低光合作用效率导致叶绿素降解抑制叶绿素和胡萝卜素合成减少光合作用和光呼吸蛋白丰富度抑制铁还原酶 (ferricreductase) 活性抑

3 43 卷第 2 期陈世国等 : 草甘膦作用机制和抗性研究进展 19 [79] 制生长素传导和增加生长素氧化等有研究显示草甘膦处理甜菜犅犲狋犪狏狌犾犵犪狉犻狊 L. 叶片后, 叶片中 1,5 二磷酸核酮糖 (RuBP) 含量急剧下降气孔导度迅速减小碳同化完全停止光合作用效率显著降 [1011] 低, 但是对蔗糖的合成和转运没有影响 Oles en 等也发现在喷洒草甘膦 1d 后, 大麦犎狅狉犱犲狌犿 [12] 狏狌犾犵犪狉犲叶片的 CO2 同化完全停止了来自非草甘膦抗性玉米的结果表明, 随着草甘膦使用浓度的 [13] 增加, 叶绿素含量株高和干生物量逐渐降低草甘膦能够和一些金属离子 ( 如 Mg 2+ ) 发生螯合, 引起一些酶结构和功能发生改变, 可能是叶绿素合成 [4] 受阻的重要原因而 Zobiole 等发现, 草甘膦抑制转基因大豆 ( 抗草甘膦 ) 光合作用并导致生物量和谷物产量减少的原因在于它显著降低了大豆的叶面积 [14] 及根茎对营养的吸收和积累此外, 草甘膦也被 [15] 证明能够抑制核酸的生物合成正是由于这样的作用特点使草甘膦成为研究植物学的优秀工具之一 2 草甘膦抗性杂草的现状草甘膦能够抑制几乎所有高等植物的 EPSPS 活性, 这种非选择性特点使它在很长一段时间内不能够直接在作物田中使用随着抗草甘膦转基因作物的发展, 使得草甘膦既能杀死所有杂草又不伤害 [2] 作物的目标得以实现草甘膦的大量使用减少了其他除草剂的用量, 降低了生产投入和管理成本, 同时也减少了对水体和土壤的污染然而, 过度依赖和长期大量使用单一除草剂, 导致了杂草抗药性的产生和发展, 直接威胁到除草剂的继续使用和农业 [16] 生产安全据最新统计, 全世界已有 249 种 (144 种双子叶,105 种单子叶 ) 杂草的 467 个生物型对 22 类作用位点的 160 种化学除草剂产生了抗药性 [17] 对于草甘膦而言, 由于在投入市场的最初 20 年间一直没有发现抗性植物的存在, 加上科学家对植物代谢草甘膦分子机制认识的缺乏, 以及草甘膦抗性作物必须转入外源细菌基因才能获得的事实, 人们曾 [18] 一度认为在田间不可能出现抗草甘膦植物这个神话在 1996 年被彻底打破,Pratley 等首次报道在澳大利亚发现了抗草甘膦的硬直黑麦草犔狅犾犻狌犿 [1920] 狉犻犵犻犱狌犿 1999 年,Tran 等发现, 在马来西亚连续 10 年使用草甘膦后, 牛筋草犈犾犲狌狊犻狀犲犻狀犱犻犮犪对 [21] 草甘膦的抗性提高了 8~12 倍同年末, 在连续使用草甘膦 8~10 年的智利果园发现其对多花黑麦 [22] 草犔狅犾犻狌犿犿狌犾狋犻犳犾狅狉狌犿的防治效果很差 2000 年, 在美国东部特拉华州连续 3 年种植抗草甘膦大豆的农田中发现小飞蓬犆狅狀狔狕犪犮犪狀犪犱犲狀狊犻狊对草甘 [23] 膦的抗性提高了 8~13 倍 2001 年, 在南非及美国的加州也发现了抗草甘膦的硬直黑麦草生物 [2425] 型 2003 年, 在南非发现了抗草甘膦的长叶车前犘犾犪狀狋犪犵狅犾犪狀犮犲狅犾犪狋犪和香丝草犆狅狀狔狕犪犫狅狀犪狉犻犲狀 [26] 狊犻狊 2004 年, 在美国发现豚草犃犿犫狉狅狊犻犪犪狉狋犲 [17] 犿犻狊犻犳狅犾犻犪对草甘膦产生了抗药性 2005 年, Culpepper 等对美国佐治亚州传统棉花花生和大豆田怀疑具有草甘膦抗性的长芒苋犃犿犪狉犪狀狋犺狌狊狆犪犾犿犲狉犻进行了抗性鉴定, 结果显示其抗性生物型半致死浓度是敏感生物型的 12 倍, 在大田有效防除抗性长芒苋的用药量也是推荐剂量的 12 倍, 证明长 [27] 芒苋已经对草甘膦产生了抗性此后, 在美国还发现了抗草甘膦的具瘤苋犃犿犪狉犪狀狋犺狌狊狉狌犱犻狊和三裂叶豚草犃犿犫狉狅狊犻犪狋狉犻犳犻犱犪在巴西和阿根廷分别发现了抗草甘膦的猩猩草犈狌狆犺狅狉犫犻犪犺犲狋犲狉狅狆犺狔犾犪和假高粱犛狅狉犵犺狌犿犺犪犾犲狆犲狀狊犲在中国发现了抗草甘膦的野芥菜和小飞蓬犆. 犮犪狀犪犱犲狀狊犻狊以及田旋花犆狅狀狏狅犾狏狌犾狌狊犪狉狏犲狀狊犻狊在澳大利亚发现了抗草甘膦的光头稗犈犮犺犻狀狅犮犺犾狅犪犮狅犾狅狀狌犿在巴西和巴拉圭发现了抗草甘膦的马唐属杂草 Sourgrass 犇犻犵犻狋犪狉犻犪 [2834] 犻狀狊狌犾犪狉犻狊迄今为止, 在全球不同国家和地区 [17] 不同栽培方式下共发现了 34 种抗草甘膦杂草草甘膦抗性植物的出现, 将草甘膦这个百年一遇的优秀除草剂置于危险的境地, 更是给全球作物和粮 [35] 食生产安全带来了巨大威胁 3 植物对草甘膦的抗性机制植物对除草剂的抗性至少有三类不同机制 : 作用靶点抗性非靶点抗性和代谢解毒前 2 种机制 [18,3637] 在草甘膦抗性植物中已得到广泛确认 3.1 靶点抗性机制草甘膦的靶点抗性包括 2 种类型 : 靶点犈犘犛犘犛基因突变和靶点犈犘犛犘犛基因扩增根据对草甘膦敏感性的不同, 来自生物体的 EPSPS 可以被分成两类 :Ⅰ 型和 Ⅱ 型几乎所有植物和许多革兰氏阴性细菌 ( 如大肠杆菌犈狊犮犺犲狉犻犮犺犻犪犮狅犾犻和沙门氏菌犛犪犾犿狅狀犲犾犪狋狔狆犺犻犿狌狉犻狌犿 ) 的 EPSPS 对草甘膦非常敏感, 属于 I 型从天然草甘膦抗性微生物 ( 如农杆菌

4 20 犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 sp.cp4 无色杆菌犃犮犺狉狅犿狅犫犪犮狋犲狉 sp.lbaa 假单胞菌犘狊犲狌犱狅犿狅狀犪狊 sp.pg2982) 和一些革兰氏阳性细菌 ( 如金黄色葡萄球菌犛狋犪狆犺狔犾狅犮狅犮犮狌狊犪狌狉犲狌狊 ) 中分离的 EPSPS 则属于 Ⅱ 型, 对草甘膦的抗性非常强根据最新的 EPSPS 三维晶体结构解析草甘膦与 Ⅰ 型 EPSPS(PDB:1g6s) 和 Ⅱ 型 (PDB:2gga)EPSPS 相互作用的分子模型发现,EP SPS 的活性位点高度保守,2 种 EPSPS 仅有几个氨基酸位点存在差异 [3839] Ⅰ 型 EPSPS 多肽序列的和 106 位氨基酸的突变会对草甘膦产生 [18] 较高抗性, 受单核编码基因控制 Stalker 等发现草甘膦抗性沙门氏菌的 EPSPS 发生了点突变,101 位脯氨酸被丝氨酸取代 (Pro101Ser) 而大肠杆菌 EPSPS 的 97 位甘氨酸被丙氨酸取代 (Gly97Ala) 可 [18] 对草甘膦产生 500 倍抗性抗草甘膦的硬直黑麦草不同种群的 EPSPS 的 106 位脯氨酸有 2 种不同突变, 被苏氨酸或丙氨酸取代 (Pro106Thr/ Ala) [4142] 牛筋草犈. 犻狀犱犻犮犪之所以对草甘膦的抗性提高了 8~12 倍, 在于其 EPSPS 的编码基因发生了变化, 使第 106 位脯氨酸变成了丝氨酸或苏氨酸 (Pro106Ser/Thr) [4344] 来自智利果园的多花黑麦草犔. 犿狌犾狋犻犳犾狅狉狌犿由于 EPSPS 的 106 位脯氨酸被 [45] 丝氨酸取代 (Pro106Ser), 对草甘膦敏感性变差研究发现, 与脯氨酸不同的是, 丝氨酸苏氨酸含有极性基团 - 羟基, 具有亲水性随着氨基酸种类的改变,EPSPS 的结构和功能发生变化, 从而使其与底物的亲和力增加, 导致草甘膦无法再占据 PEP 结 [37,46] 合位点, 植物因此形成对草甘膦的抗性 Kaundun 等指出, 除了 Pro106Ser/Thr/Ala/Leu 突变外,EPSPS 的 106 位脯氨酸的其他突变也会产生 [47] 草甘膦抗性最近,Mao 等发现 3 种百合科植物麦冬犗狆犺犻狅狆狅犵狅狀犼犪狆狅狀犻犮狌狊山麦冬犔犻狉犻狅狆犲狊狆犻犮犪狋犪和阔叶山麦冬犔. 狆犾犪狋狔狆犺狔犾犪对草甘膦有较强的抗性, 它们的犈犘犛犘犛基因和氨基酸序列同已知 Ⅰ 型 EPSPS 存在明显差异, 而且其突变位点不在已有专利的保护范围里, 属新型抗性基因 [48] 基于靶点抗性的第二种机制是犈犘犛犘犛基因的扩增早期, 当科学家们企图利用组织培养方法筛选抗草甘膦植物时发现, 矮牵牛烟草胡萝卜大豆和紫花苜蓿抗性细胞系的犈犘犛犘犛基因拷贝数至少增加了 20 倍但是, 其抗性在后代的遗传具有非常高的不确定性因此, 科学家不得不放弃用这种策 2017 略来培育抗草甘膦植物, 并认为这种抗性机制不可 [18,4950] 能在田间发生然而,Gaines 等在研究草甘膦抗性长芒苋犃. 狆犪犾犿犲狉犻时发现, 抗性和敏感型植株的 EPSPS 对草甘膦都非常敏感, 没有明显差异但抗性植株的犈犘犛犘犛基因拷贝数增加了 100 倍, 导致犈犘犛犘犛表达量增加了 40 倍犈犘犛犘犛基因的表达量蛋白的增加水平与基因组中犈犘犛犘犛基因的拷贝数呈正相关来自荧光原位杂交 (FISH) 证据进一步显示, 每条染色体上均存在犈犘犛犘犛基因可见, 犈犘犛犘犛基因的扩增不可能是由染色体的不均等交换引起的长芒苋的这种扩增特性在后代是可 [35,5053] 以遗传的, 并符合拟 F2 群体的抗性而且, 这种抗性机制可以部分传递给近缘种刺苋犃. 狊狆犻 [54] 狀狅狊狌狊最近, 犈犘犛犘犛基因扩增引起草甘膦抗性的产生在意大利黑麦草犔. 狆犲狉犲狀狀犲 ssp. 犿狌犾狋犻犳犾狅 [55] [5657] 狉狌犿糙果苋犃. 狋狌犫犲狉犮狌犾犪狋狌狊地肤犓狅犮犺犻犪 [5859] [60] 狊犮狅狆犪狉犻犪和牛筋草犈. 犻狀犱犻犮犪中也相继被确认今天, 靶基因犈犘犛犘犛扩增已成为一类普遍的 [37] 草甘膦抗性机制 3.2 非靶点抗性机制草甘膦的非靶点抗性机制主要包括吸收障碍传导受阻屏蔽作用或隔离作用氧化代谢和其他解毒代谢作用 1 吸收障碍草甘膦主要通过植物叶片表皮组织被快速吸收而进入体内, 这可能和植物细胞内存 [61] 在特殊的草甘膦载体有关与敏感性相比, 除草剂抗性生物型植物可能具有不同的叶表面超微结构和组织解剖结构特征, 如叶面积减小蜡质层增厚表皮气孔数减少等, 因而造成对除草剂吸收的减少最近有研究表明叶片吸收量减少是假高粱犛. 犺犪犾犲狆犲狀狊犲和硬直黑麦草对草甘膦产生抗性的原因之一, 且这 [6263] 种抗性机制容易受温度的影响 2 传导受阻草甘膦通过植物叶片吸收后, 伴随光合产物蔗糖的运输通过韧皮部运到分生组织, [1] 这对草甘膦发挥毒性至关重要然而, 草甘膦传导到韧皮部的生化和分子机制仍不清楚推测可能是先通过扩散或渗透作用进入叶肉细胞, 然后通过胞间连丝运动到木质部或韧皮部一旦进入筛管, 草甘膦独特的化学结构和特性使它能顺利传导到分 [18] 生组织因此, 降低草甘膦向分生组织的传导能够增加植物的抗性 Loraine Colwil 等发现一个抗草甘膦生物型硬直黑麦草 EPSPS 序列与敏感生物型

5 43 卷第 2 期陈世国等 : 草甘膦作用机制和抗性研究进展 21 的完全相同, 叶片对草甘膦的吸收也没有明显不 [64] 同两者之间最大的差异是草甘膦在体内的传导速度不同, 敏感型体内的草甘膦汇聚在植物的根部, 而抗性生物型体内的草甘膦则汇聚在叶尖 [65] 随后, 同样的抗性机制在几个草甘膦抗性假高粱生物型中 [1,62] 也得到证实 3 屏蔽作用或隔离作用指的是在除草剂到达作用靶点前被固定在植物组织或细胞内某个特殊区域, 从而失去毒性 Ge 等利用 31 P 核磁共振 (NMR) 技术研究草甘膦在细胞内的分布时发现, 草甘膦快速在液泡中隔离是小蓬草犆狅狀狔狕犪犮犪狀犪犱犲狀狊犻狊和澳大利亚黑麦草犔狅犾犻狌犿 spp. 产生抗性的主要 [6669] 原因分子证据表明, 液泡膜相关蛋白如 ATP 结合盒 (ABC) 转运蛋白和液泡膜内在蛋白 (TIP) 可 [37,69] 能参入了这种抗性机制的形成 4 氧化代谢在植物体内除草剂的氧化作用是非常普遍的, 常是导致除草剂解毒或活化的主要代谢反应在草甘膦氧化酶 (GOX) 的作用下, 草甘膦氧化产生磷酸和肌氨酸, 或者形成氨甲基磷酸 (AM [70] PA) 和乙醛酸, 从而失去除草活性在转基因油菜中就成功应用了 GOX 来增加对草甘膦的抗 [6,71] 性最近, 一个来自黄素蛋白家族的氨基乙酸氧化酶 (GO) 也被证实能够将草甘膦氧化成 AMPA [37,39,72] 和乙醛酸, 但是代谢途径和 GOX 有所不同 5 其他解毒代谢作用 2004 年,Castle 和他的合作者从土壤微生物地衣芽胞杆菌犅犪犮犻犾狌狊犾犻犮犺犲狀犻犳狅狉犿犻狊体内分离到一种草甘膦犖乙酰转移酶 (GAT), 该酶能有效地将草甘膦乙酰化生成无细胞毒性的犖乙酰草甘膦转入犵犪狋基因的大肠杆菌拟南芥烟草和玉米对草甘膦有明显的抗性这个发现为转基因 [39,7375] 抗草甘膦植物的开发提供了一个全新的思路此外, 细胞色素 P450s 能通过羟基化或脱烷基化来代谢乙酰辅酶 A 羧化酶 (ACCase) 乙酰乳酸合成酶 (ALS) 和光系统 Ⅱ(PSⅡ) 抑制剂类除草剂, 达到解除细 [76] 胞毒性的目的谷胱甘肽转移酶(GSTs) 也被证明 [7778] 参入了除草剂的解毒代谢过程目前, 对细胞色素 P450s 和 GSTs 解除除草剂毒性的分子机制仍然知之甚少, 在草甘膦抗性植物中还没有关于此类抗性机制的报道不过, 越来越多的研究表明在自然界中任 [35] 何抗性机制都是可能发生的事实上, 非靶点抗性机制比靶点抗性机制更为普遍, 容易产生更高的抗性水平, 而且不同植物间抗性机制存在差异, 有些植物还具有多抗性机制非靶点抗性机制已成为当前除草剂抗性研究的前 [1] 沿问题 4 草甘膦抗性基因的研究现状及展望将草甘膦抗性基因通过生物技术手段转入作物中培养的抗草甘膦转基因作物, 已经成为目前全球播种面积最大的转基因作物但抗草甘膦基因 (5 烯醇式丙酮酰莽草酸 3 磷酸合成酶 EPSPS) 的核心技术和产业化应用的绝大部分专利由孟山都拜耳 [79] 先锋先正达巴斯夫等跨国公司拥有更严峻的事实是, 这些跨国公司一直通过对基因序列进行小范围改动和修饰的手段对其核心专利进行延长保护, 使其变为新专利, 从而有效规避所谓的 20 年专利使用期, 试图达到独占这些功能基因和转化技术的目的根据中国农业部的统计, 犈犘犛犘犛基因已在 50 多个国家和地区被授予 140 多件专利 ( 截止到 2013 年 ), 而且, 近几年申请数量仍在迅速增加其中, 中国已获得 14 件犈犘犛犘犛基因专利授权, 位于美国法国之后但是, 我们的专利总量仍然较少, 保护范围也太窄并且我们多数专利都是建立在国外核心专利的基础之上, 如果想要使转基因产业化, 国外掌握的专利使用权是一道绕不过去的坎因此, 加强除草剂作用机理和植物抗性机制的研究发掘新的具有完全自主知识产权的除草剂抗性基因资源, 对于推动我国杂草科学进步和保障农业生产安全具有十分重要的意义我国是草甘膦生产和应用大国, 从 20 世纪 80 年代开始, 草甘膦在我国的茶园桑园果园得到了广泛使用目前, 我国正处在农业现代化和实现社会可持续发展的重要时期, 经济高效环保型除草剂的推广和应用是其中的关键技术环节如果转基因抗草甘膦作物在我国被批准商业化, 草甘膦在我国将有着良好的发展前景和巨大的产业潜力 20 年来, 由于转基因抗草甘膦作物的成功商业化应用而使草甘膦一跃成为全球最主要的除草剂品种同时, 关于草甘膦抗性的研究也已成为国际上植物科学和杂草科学研究的热点之一我国对草甘膦抗性的研究才刚起步因此, 在生产实践中发掘新的抗草甘膦材料, 全面系统地阐明其对草甘膦产生抗性的机制具有重要的理论和现实意义一方面, 草甘膦抗性机制的阐明有助于我们对基础植物

6 22 生化过程和植物对有毒化学物质防卫机制的理解 ; 另一方面, 为将来克服杂草抗性的发生和杂草的科学管理提供坚实的理论依据 ; 同时, 具有完全自主知识产权抗性新基因的发掘, 将为开发抗草甘膦转基因植物提供新的研究思路和方法参考文献 [1] PowlesSB,YuQin.Evolutioninaction:plantsresistanttoherbi cide[j].annualreviewofplantbiology,2010,61: [2] DukeSO,PowlesSB.Glyphosate:aonce in a centuryherbi cide[j].pestmanagementscience,2008,64(4): [3] PradoJR,SegersG,VoelkerT,etal.Geneticalyengineered crops:fromideatoproduct[j].annualreviewofplantbiol ogy,2014,65: [4] BaylisA D.Whyglyphosateisaglobalherbicide:strengths, weaknessesand prospects[j].pest ManagementScience, 2000,56(4): [5] RobertsF,RobertsC W,JohnsonJJ,etal.Evidenceforthe shikimatepathwayin apicomplexan parasites[j].nature, 1998,393: [6] DilG M.Glyphosate resistantcrops:history,statusandfu ture[j].pestmanagementscience,2005,61(3): [7] OzturkL,YaziciA,EkerS,etal.Glyphosateinhibitionof fericreductaseactivityinirondeficientsunflowerroots[j]. NewPhytologist,2008,177(4): [8] VivancosPD,DriscolSP,BulmanCA,etal.Perturbations ofaminoacidmetabolismassociatedwithglyphosate dependent inhibitionofshikimicacidmetabolismafectcelularredoxho meostasisandaltertheabundanceofproteinsinvolvedinpho tosynthesisandphotorespiration[j].plantphysiology,2011, 157(1): [9] Gomes M P,SmedbolE,ChalifourA,etal.Alterationof plantphysiologybyglyphosateanditsby productaminometh ylphosphonicacid:anoverview[j].journalofexperimental Botany,2014,65(17): [10]GeigerD R,KapitanS W,TucciM A.Glyphosateinhibits photosynthesisandalocationofcarbontostarchinsugarbeet leaves[j].plantphysiology,1986,82(2): [11]ServaitesJC,TucciM A,GeigerDR.Glyphosateefectson carbonassimilation,ribulosebisphosphatecarboxylaseactivi ty,andmetabolitelevelsinsugarbeetleaves[j].plantphysi ology,1987,85(2): [12]Olesen C F,Cedergreen N.Glyphosateuncouplesgasex changeandchlorophylfluorescence [J].Pest Management Science,2010,66(5): [13]ReddyKN,DingWei,ZablotowiczR M,etal.Biologicalre sponsestoglyphosatedriftfrom aerialapplicationin non glyphosateresistantcorn[j].pestmanagementscience,2010, (10): [14]ZobioleL H S,KremerRJ,deOliveiraJr.R S,etal. Glyphosateefectsonphotosynthesis,nutrientaccumulation, andnodulationinglyphosate resistantsoybean[j].journalof PlantNutritionandSoilScience,2012,175(2): [15]FoleyME,NafzigerED,WaxL M,etal.Efectofglypho sateonproteinandnucleicacidsynthesisandatplevelsincom moncocklebur( 犡犪狀狋犺犻狌犿狆犲狀狊狔犾狏犪狀犻犮狌犿 )roottisue[j].weed Science,1983,31(1): [16]GreenJM.Curentstateofherbicidesinherbicide resistantcrops [J].PestManagementScience,2014,70(9): [17]HeapI.TheInternationalsurveyofherbicideresistantweeds [EB/OL].[ ].htp: [18]ShanerDL,LindenmeyerRB,OstlieM H.Whathavethe mechanismsofresistancetoglyphosatetaughtus?[j].pest ManagementScience,2012,68(1):3 9. [19]PratleyJ,BainesP,EberbachP.Glyphosateresistanceinan nualryegrass[c] TheGrasslandSocietyofNSW.Proceed ingofthe11thannualconferenceofthegrasslandsocietyof NSW.Australia:1996:122. [20]PowlesSB,Loraine ColwilDF,DelowJJ,etal.Evolved resistancetoglyphosateinrigidryegrass( 犔狅犾犻狌犿狉犻犵犻犱狌犿 )in Australia[J].WeedScience,1998,46(5): [21] Tran M,BaersonS,BrinkerR,etal.Characterizationof glyphosateresistant 犈犾犲狌狊犻狀犲犻狀犱犻犮犪 biotypesfrom Malaysia [C] TheAsian PacificWeedScienceSociety.Proceedingof the17thasia PacificWeedScienceSocietyConferrence.Bang kok,thailand,1999: [22]PerezA,KoganM.Glyphosate resistant 犔狅犾犻狌犿犿狌犾狋犻犳犾狅狉狌犿 inchileanorchards [J].WeedResearch,2003,43(1): [23]VangesselMJ.Glyphosate resistanthorseweedfromdelaware [J].WeedScience,2001,49(6): [24]CairnsALP,EcksteenFH.Glyphosateresistancein 犔狅犾犻狌犿狉犻犵犻犱狌犿 (Gaud.)inSouthAfrica[C].Proceedingsofresist ance2001.uk:iacr Rothamsted,2001:1 4. [25]SimarmataM,KaufmannJE,PennerD.Progressindetermi ningtheoriginoftheglyphosate resistantryegrassincalifor nia[c] NCWeedScienceSocietyofAmerica.The41stMeet ing.greensboro,2001:95. [26]NandulaVK,ReddyKN,DukeSO,etal.Glyphosate resist antweeds:currentstatusandfutureoutlook[j].outlookson PestManagement,2005,16(4): [27]CulpepperAS,GreyTL,VengilW K.Glyphosate resistant Palmeramaranth( 犃犿犪狉犪狀狋犺狌狊狆犪犾犿犲狉犻 )confirmedingeorgia [J].WeedScience,2006,54(4): [28]QiangS,SongX,WuJiajun.Horseweed( 犆狅狀狔狕犪犮犪狀犪犱犲狀狊犻狊 ) hasevolvedinglyphosateresistanceinchina[j/ol].resist antpestmanagementnewsleter,2006,16:1. [29]Vila AiubM M,BalbiM C,GundelPE,etal.Evolutionof

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