《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Herbicide resistance in rice weeds: Mechanistic insights into an evolving threat
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## 专业摘要翻译
水稻（*Oryza sativa*）是全球不可或缺的谷类粮食作物，在世界各地广泛种植于多种环境和条件之下。然而，水稻生产系统的可持续性可能受到多种生物和非生物因素的影响，如昆虫、病原体和杂草侵害。其中，杂草竞争是任何种植系统（包括水稻）面
## 专业摘要翻译
水稻（*Oryza sativa*）是全球不可或缺的谷类粮食作物，在世界各地广泛种植于多种环境和条件之下。然而，水稻生产系统的可持续性可能受到多种生物和非生物因素的影响，如昆虫、病原体和杂草侵害。其中，杂草竞争是任何种植系统（包括水稻）面临的主要挑战，可导致显著产量损失。除草剂在控制广谱杂草方面发挥了至关重要的作用。因其有效性、施用简便和便捷性，使用除草剂一直是水稻种植者控制杂草的主要方法。然而，对相同作用机制类别的除草剂进行广泛和/或单独使用，已导致全球水稻田中众多杂草生态型演化出除草剂抗性。稗草（*Echinochloa crus-galli*）、异型莎草（*Cyperus difformis*）、直立丁子草（*Limnophila erecta*）、千金子（*Leptochloa chinensis*）、杂草稻（*Oryza sativa* var. *sylvatica*）和蒙氏慈姑（*Sagittaria montevidensis*）是水稻田中最难防除且已对常用除草剂演化出抗性的杂草种类。本综述旨在总结和概述水稻田抗除草剂杂草生态型所具备的抗性机制。了解除草剂抗性机制对于理解杂草如何演化出对除草剂的抗性以及制定替代防控策略至关重要。本综述还讨论了一些新兴的抗性机制以及延缓抗性、延长除草剂在水稻系统中有效性的策略。
## 论文解读文章
### 研究背景与问题
水稻（*Oryza sativa*）是全球最重要的主粮作物，提供约20%的全球膳食能量，并支撑着近10亿以水稻种植、加工和贸易为生的人口生计。2024/25年度世界水稻产量达到创纪录的5.515亿吨（精米计），同比增长0.9%。然而，水稻生产受到众多农艺因素的影响，其中杂草侵害对谷物产量和品质的降低作用尤为关键。水稻田中最难防除的杂草包括稗（*Echinochloa crus-galli*）、光头稗（*E. colona*）、莎草属（*Cyperus* spp.）、千金子（*Leptochloa chinensis*）、杂草稻（*Oryza sativa* var. *sylvatica*）等多种单子叶和双子叶杂草。尽管除草剂为控制这些杂草提供了有效手段，但乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）抑制剂、乙酰乳酸合酶（ALS）抑制剂、合成生长素类和光系统II（PSII）抑制剂等主要除草剂类别在水稻生产系统中的广泛使用，特别是对相同作用机制除草剂的过度依赖，已推动抗除草剂杂草种群的广泛演化。除草剂抗性被定义为杂草物种或大类群内某一生物型对通常能有效控制野生型的除草剂剂量所产生的可遗传的存活能力。自1983年菲律宾水稻田报道首个对2,4-D产生抗性的双子叶杂草——尖瓣花（*Sphenoclea zeylanica*）以来，全球水稻生产系统中已有194个杂草生态型被记录为抗除草剂。抗性机制广义上分为靶标位点抗性（target-site resistance, TSR）和非靶标位点抗性（non-target-site resistance, NTSR）两大类。理解抗性如何演化对于制定可行的管理策略、避免对作物产量产生负面影响，以及预测抗性演化趋势以制定主动的区域和国家层面抗性管理策略至关重要。
### 研究内容与主要结论
研究人员开展了一项系统性综述，全面总结了水稻田抗除草剂单子叶和双子叶杂草中已确认的TSR和NTSR机制。该综述得出以下主要结论：单子叶杂草（包括禾草、莎草和水生阔叶单子叶植物）构成了全球水稻生产中最具危害性的杂草区系。仅在稗一个物种中，1986年至2022年间就在16个国家记录了85个独立的抗性案例，涉及六种除草剂作用机制类别。抗性演化并非通过单一途径进行，而是通过多种机制——有些是可预测的，有些是结构新颖的——在平行选择中发生，且通常在同一种群内共存。在双子叶杂草中，由于对ALS抑制类除草剂的严重依赖，包括水苋菜属（*Ammannia* spp.）、无柄花属（*Lindernia* spp.）在内的多种双子叶杂草也演化出了抗性，且抗性水平差异显著，如日本*Lindernia dubia* var. *dubia*对苄嘧磺隆的抗性倍数高达5110倍。该综述还探讨了表观遗传调控、微生物组介导的抗性等新兴机制，并提出了基于机制诊断的杂草管理策略。这项研究的意义在于系统梳理了水稻田杂草除草剂抗性的分子机制图谱，为制定合理的抗性治理策略提供了关键的机制层面的科学依据。
### 主要关键技术方法
研究人员主要采用文献综述的方法，系统整合了全球范围内已发表的关于水稻田杂草除草剂抗性机制的研究成果。涉及的关键技术方法包括：靶标基因测序（如*ALS*、*ACCase*基因的PCR扩增与测序）、体外酶活性测定（如ALS酶活性分析）、代谢抑制剂协同增效实验（如马拉硫磷、增效醚PBO、NBD-Cl处理）、转录组学分析（RNA-seq）、基因功能验证（如异源表达于拟南芥*Arabidopsis thaliana*）、基于同位素示踪的药剂吸收与转运分析（如1?C-草甘膦）、以及分子标记诊断工具（如dCAPS、KASP、SNAP、PACE及RAA-CRISPR/Cas12a系统）。样本来源涵盖全球主要水稻种植区域，包括美国、中国、日本、韩国、菲律宾、意大利、巴西、希腊等地的抗性杂草种群。
### 研究结果
#### 2. 抗除草剂水稻单子叶杂草及其机制
水稻田单子叶杂草的抗性机制涵盖TSR和NTSR两大类别。TSR方面，ALS抑制剂类除草剂的抗性主要由*ALS*基因中的点突变导致，其中Pro-197位点取代最为常见，已在稗、晚水草（*E. phyllopogon*）、异型莎草（*C. difformis*）、萤蔺（*Schoenoplectus juncoides*）等多种单子叶杂草中确认；Trp-574-Leu是另一种广泛存在的突变，赋予对SU、IMI、TP、PTB四类ALS抑制剂最广谱的交互抗性。值得注意的是，多倍体物种中突变优先固定于高表达的同源基因拷贝中，如异源四倍体鸭舌草（*Monochoria vaginalis*）中抗性突变几乎只发生在高表达的*MvALS1*和*MvALS3*拷贝中。研究还发现，六倍体稗中Trp-574-Leu突变位于优势亚基因组C转录本时赋予的抗性水平比位于次要亚基因组A时高22倍，首次直接证明了亚基因组表达优势调控多倍体杂草的TSR水平。
ACCase抑制剂类除草剂的靶标抗性由质体ACCase羧基转移酶（CT）结构域内的点突变赋予，稗中的Trp-1999-Cys、Trp-2027-Cys、Ile-2041-Asn主要赋予芳氧苯氧丙酸酯类（FOP）抗性，Cys-2088-Arg扩展至FOP和环己二酮类（DIM）抗性，Asp-2078-Glu同时赋予FOP和苯基吡唑啉类（DEN）抗性。千金子（*L. chinensis*）和毛鞘千金子（*L. fusca* var. *fascicularis*）共享相似的CT域突变谱。部分稗种群中ACCase1和ACCase3的过量表达是一种不依赖靶标突变的额外抗性机制。
草甘膦抗性在单子叶杂草中主要由EPSPS基因的Pro-106取代和基因扩增引起。牛筋草（*Eleusine indica*）可表现28-62倍的EPSPS拷贝数扩增，而光头稗中不存在该机制；部分高度抗性的牛筋草种群中Pro-106-Ala突变和基因扩增同时存在。PSII抑制剂靶标抗性方面，异型莎草和萤蔺均通过叶绿体基因*psbA*编码的D1蛋白Val-219-Ile取代获得对敌稗的抗性及其对敌稗、敌草隆、嗪草酮和溴苯腈的交互抗性。
NTSR方面，细胞色素P450单加氧酶（P450s）是代谢性NTSR的主要驱动力。晚水草中的CYP81A12和CYP81A21被鉴定为能通过O-脱甲基作用中和多种化学结构、赋予对ALS和ACCase抑制剂等多达15种以上除草剂的交互抗性。稗中CYP81A21介导对氰氟草酯的代谢抗性，CYP72A385启动子去甲基化驱动对氟氯吡啶酯的抗性。异型莎草中功能性表征的CdCYP71FL1能同时解毒ALS抑制剂和PSII抑制剂灭草松，展示了单个基因介导跨作用机制解毒的能力。牛筋草中的CYP81A104通过转基因拟南芥实验确认赋予对ALS、PSII、HPPD和合成生长素类除草剂的广谱交互抗性。
谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）催化谷胱甘肽与除草剂分子或其I相代谢产物结合，完成两相解毒系统。晚水草中的EpGST1已被功能验证可直接代谢五氟磺草胺。千金子中GSTF1和GSTU6被鉴定为氰氟草酯抗性的关键因子。此外，若干物种已演化出除草剂特异的代谢机制：敌稗抗性通过增强的芳基酰基酰胺酶（AAase）活性快速水解敌稗为无毒代谢物；喹草酸抗性主要通过降低ACC合酶活性减少乙烯和氰化氢的生成；光头稗中的醛酮还原酶EcAKR4-1可将草甘膦转化为氨甲基膦酸（AMPA）；异型莎草通过减少除草剂向地下块茎的基部分流实现抗性。表观遗传调控方面，稗中CYP81A68启动子的差异DNA甲基化激活P450过表达；微生物组介导的抗性中，种子伴生 bacterium Pantoea deleyi可通过诱导宿主解毒途径介导稗对氰氟草酯的抗性。此外，光头稗中功能性验证的ABC转运蛋白EcABCC8通过转运体介导的外排降低细胞质草甘膦积累。
#### 3. 抗除草剂水稻双子叶杂草及其机制
双子叶杂草的抗性记录始于20世纪90年代末期，日本（1996年）、美国（1997年）和韩国（1999年）先后报道了防治失败案例。TSR方面，水苋菜属杂草中鉴定出Pro-197-Leu/Ala/Ser/His及Asp-376-Glu等多种ALS突变；母草属杂草的突变主要位于ALS1中；宾夕法尼亚蓼（*Persicaria pensylvanica*）同时携带Pro-197-Ser和Ala-122-Ser。部分物种如印度水猪母乳（*Rotala indica*）和墨西哥水猪母乳（*R. pusilla*）的ALS酶生化分析显示除草剂敏感性降低，确认为靶标机制，但尚未报道具体点突变。NTSR方面，水苋菜中马拉硫磷预处理可将苄嘧磺隆抗性从138.1倍显著降低至19.5倍，表明P450介导的代谢是功能性抗性组分。对中国水苋菜种群中合成生长素类除草剂（如氟草烟和氟氯吡啶酯）的抗性研究提示P450介导的代谢可能是主要NTSR机制。
#### 4. 新兴除草剂抗性机制
新兴研究揭示了表观遗传调控和结构基因组重排的动态景观。稗和加拿大蓬（*Conyza canadensis*）中的差异DNA甲基化使杂草能够过表达CYP81A68或EPSPS1等解毒基因而不改变DNA序列。异源四倍体鸭舌草中的串联重复序列显著富集于除草剂代谢相关功能，提示串联重复在抗性演化中的潜在作用。晚水草中单一反式作用因子可驱动多个基因的协同过表达；稗中的种子伴生菌P. deleyi形成的“防御生物群落”触发宿主解毒；光头稗中EcABCC8转运蛋白介导的主动外排、UVR8受体介导的环境启动效应等也构成新兴机制。这些发现将研究焦点从简单的基因组突变转向植物信号传导和全生物响应的复杂架构。
#### 5. 未来展望
为延缓抗除草剂杂草种群的快速演化，必须通过精准施用和不同作用机制除草剂的策略轮换来确保现有化学药剂的 efficiently use。然而，仅靠化学管理是不够的，需要将多种非化学策略纳入综合杂草管理（IWM）框架以降低选择压力。成功实施IWM的关键在于放弃盲目的化学轮换，转而通过诊断测试明确潜在的分子抗性机制来指导田间操作。功能性诊断筛选工具如RISQ琼脂平板分析法可评估种群对除草剂的敏感性；分子基因分型工具（如dCAPS、KASP、AS-PCR、SNAP和PACE）可将诊断时间从数周压缩至数天，并能区分纯合敏感、杂合突变和纯合突变个体。RAA-CRISPR/Cas12a系统结合等温扩增与Cas核酸内切酶可实现飞克级灵敏度的单碱基特异性检测，无需集中式实验室基础设施，可在田边进行可视化侧向层析读数。针对靶标位点IMI抗性杂草稻的验证为转向Provisia?或Max-Ace?等替代系统提供了依据；而代谢性NTSR的确认则意味着标准化学手段的失效，需将IWM的重心转向物理和文化防控策略。在机械化水稻系统中，收获期杂草种子控制（HWSC）作为关键的非化学基线措施，通过专用冲击磨机（如iHSD）可物理破坏超过95%的捕获杂草种子。
### 结论
综上所述，水稻田单子叶杂草中的NTSR是一个多层适应性系统，涵盖P450的协同过表达、GST介导的缀合、特化代谢途径、转运改变以及表观遗传和微生物组介导的解毒网络调控。TSR与NTSR在同一群体中的频繁共存进一步加剧了防控失败的风险。有效的长期控制需要综合杂草管理策略，在多个层面破坏选择压力，并以机制引导的分子诊断为支撑，以指导及时、有针对性的干预。最终，采用多学科方法并利用现代技术和基因组工具，将为理解除草剂抗性的复杂机制和确保农业长期可持续性铺平道路。
