俄勒冈榛园一年生早熟禾对四种作用机制除草剂的多重抗性首次揭示及快速检测技术开发

本研究针对俄勒冈榛园中一年生早熟禾(Poa annua)对clethodim、pendimethalin、paraquat和glyphosate出现田间防控失效的问题，通过种子和整株剂量反应实验，首次证实了全球首例clethodim抗性、美国首例paraquat抗性及俄勒冈首例pendimethalin和glyphosate抗性。研究开发了快速（2周）种子检测技术，为抗性早期诊断和综合治理提供了关键工具，对多年生作物系统杂草抗性治理具有重要警示意义。

　　

在俄勒冈州威拉米特河谷，一片片郁郁葱葱的榛子树下，一场悄无声息的战争正在上演。交战一方是种植高价值榛子（Corylus avellana L.）的果农，另一方则是一种看似柔弱却极具侵略性的杂草——一年生早熟禾（Poa annua L.）。这种全球分布的冬季禾草，凭借其生态可塑性、高繁殖力和短生命周期，在草坪、路旁、果园和葡萄园中肆意生长。更令人担忧的是，它是全球仅有的两种对12种作用机制除草剂都产生了抗性的杂草物种之一。近年来，俄勒冈榛农们沮丧地发现，即使按照推荐的最大剂量和最佳时机施用烯草酮（clethodim）、二甲戊灵（pendimethalin）、百草枯（paraquat）和草甘膦（glyphosate），一年生早熟禾依然能够“逃逸”存活。这些田间防控失效的报告，敲响了新的除草剂抗性案例的警钟，对严重依赖化学除草的生产系统构成了重大威胁。俄勒冈的榛子产业年产值超过1.7亿美元，维系着许多家庭农场的生计。洁净的果园地面便于机械采收并减少病虫害，但榛园杂草管理却因有效的防控选择有限而充满挑战。非化学除草策略很少被采纳或实施起来存在逻辑困难，导致种植者只能依赖少数几种作用机制的除草剂。标准管理方案通常包括休眠季施用草甘膦和草铵膦，晚秋或早春施用烯草酮、草铵膦、砜嘧磺隆和百草枯，以及配合施用二甲戊灵、茚草氟胺（indaziflam）或其他芽前除草剂来抑制杂草萌发。面对这一严峻形势，由Joshua W. A. Miranda和Marcelo L. Moretti领导的研究团队在《Weed Science》上发表了一项重要研究，旨在查明俄勒冈榛园中一年生早熟禾的抗性现状，并探索快速诊断方法。

为回答上述问题，研究人员主要应用了以下几项关键技术：首先，他们于2022至2023年间在俄勒冈威拉米特河谷的榛园中有针对性地采集了疑似抗性的田间一年生早熟禾种子样本，并通过单粒传代方法进行表型纯化。其次，研究建立了快速（14天）、低成本的种子生物测定法，用于检测对烯草酮、二甲戊灵、百草枯和草甘膦的抗性。第三，研究人员在温室条件下进行了整株剂量反应实验，以验证种子测定结果并量化抗性水平（计算LD₅₀和抗性指数RI）。最后，他们还对已确认抗性的种群进行了交叉抗性评估，例如测试对二甲戊灵抗性种群对另一种微管抑制剂——拿草特（pronamide）的敏感性。

ACCase抑制型除草剂（烯草酮和精吡氟禾草灵）抗性

通过种子和整株剂量反应实验，研究确认了所有四个疑似烯草酮抗性的一年生早熟禾种群（CLR.OAK, CLR.AA, CLR.16, CLR.ST）均存在抗性。种子测定中，抗性种群的LD₅₀值为1.6至2.7 μM，而敏感种群为0.4-0.5 μM，抗性指数（RI）为3.2-6.8。整株实验进一步证实了这一趋势，抗性种群的LD₅₀值为41-217 g ha^-1，而敏感种群为14-19 g ha^-1，RI为2-10。这是全球首次确认的一年生早熟禾对烯草酮的抗性案例。对CLR.16种群进行交叉抗性测试发现，其对另一种ACCase抑制剂精吡氟禾草灵（fluazifop）未表现出一致的敏感性变化，即未观察到明确的交叉抗性。

微管抑制型除草剂（二甲戊灵和拿草特）抗性

对两个疑似二甲戊灵抗性种群（PER.14和PER.20）的评估确认了其抗性。种子测定中，抗性种群的LD₅₀值为22至42 μM，远高于敏感种群的0.9-1.3 μM，RI高达17-47。整株实验同样证实了抗性，抗性种群的LD₅₀值为1,800-3,550 g ha^-1，敏感种群为360-590 g ha^-1，RI为3-10。此外，这两个种群对另一种微管抑制剂拿草特（pronamide）表现出交叉抗性，其LD₅₀值（4,500-8,800 g ha^-1）显著高于敏感种群（550-600 g ha^-1），RI为7-16。尽管二甲戊灵（二硝基苯胺类）和拿草特（苯甲酰胺类）属于不同化学家族，但都抑制微管聚合，因此交叉抗性的出现对榛园早期杂草管理构成了严重挑战。

PS-I电子转移抑制剂类除草剂（百草枯和敌草快）抗性

三个疑似百草枯抗性种群（PQR.10, PQR.11, PQR.12）在种子和整株水平均表现出抗性。种子测定中，抗性种群LD₅₀为1.8至51 μM，敏感种群为0.6-1 μM。在整株实验中，由于百草枯的高毒性，研究使用另一种联吡啶类PSI抑制剂敌草快（diquat）进行替代，抗性种群对敌草快的LD₅₀值为180-640 g ha^-1，敏感种群为30-50 g ha^-1，RI范围在2至85之间。这是美国首次确认的一年生早熟禾对百草枯的抗性案例。观察到的对敌草快的交叉抗性与其他物种的报道一致。

EPSPS抑制型除草剂（草甘膦）抗性

对Gly.R种群的测试确认了其对草甘膦的抗性。种子测定中，其LD₅₀为2100 μM，是敏感种群（340-490 μM）的3-6倍。整株实验中，抗性种群的LD₅₀为190 g ae ha^-1，敏感种群为60-95 g ae ha^-1，RI为3-4。这是俄勒冈首次记录的一年生早熟禾对草甘膦的抗性。

本研究揭示了四个重要且前所未有的除草剂抗性案例：一年生早熟禾对烯草酮的全球首例抗性、俄勒冈首例二甲戊灵和草甘膦抗性、以及美国首例百草枯抗性。这些结果凸显了一年生早熟禾快速的进化潜力，并强调了在多年生作物系统中实施综合杂草管理策略的紧迫性。尽管一年生早熟禾通常被认为与榛树竞争力不强，有时甚至用作地被植物，但其存在通过与其他作物交叉污染构成重大风险。许多俄勒冈榛农也生产草籽，一年生早熟禾的污染会危及种子纯度标准和出口市场。将抗性一年生早熟禾生物型引入草籽生产系统将产生严重的经济后果。在此背景下，种子生物测定等快速诊断工具有助于早期识别抗性种群，使种植者能够调整管理策略，防止其在生产系统中扩散。这项研究也为俄勒冈榛园中的一年生早熟禾抗性提供了首个基线，便于未来监测、趋势分析和主动管理规划。此外，本研究首次应用种子生物测定法检测一年生早熟禾对烯草酮和百草枯的抗性，也是首次在任何杂草物种中通过种子测定确认百草枯抗性。这些测定方法快速（少于2周）、经济高效且可扩展，非常适合农场抗性诊断。从长远来看，种子测定可以补充分子诊断，特别是在抗性机制未知的情况下。对于俄勒冈榛子生产而言，对烯草酮、二甲戊灵、草甘膦和百草枯的抗性，在一个本就受限于有限登记除草剂的系统中，消除了几种关键的化学选择。短期策略应优先考虑轮换除草剂作用机制、桶混以及整合非化学方法（如耕作、修剪和覆盖作物）。长期策略应包括开发和采用诊断工具（包括种子测定和分子工具），以及采纳非化学杂草管理技术。尽管取得了这些发现，本研究仍存在一些局限性，例如未研究抗性机制，未评估抗性的适合度代价，调查范围有限等。未来的研究应优先关注：（1）通过测序和基因表达分析进行机制表征；（2）适合度代价研究；（3）扩大全州范围内的调查；（4）在商业果园条件下评估非化学策略。这些努力对于实现多年生系统可持续杂草管理至关重要，因为这些系统正面临除草剂抗性带来的日益严峻的挑战。