不同菜豆基因型对除草剂甲磺草胺（sulfentrazone）的耐受性

《Canadian Journal of Plant Science》：Tolerance of bean genotypes to the herbicide sulfentrazone

　　

菜豆（Phaseolus vulgaris L.和Vigna spp.）对杂草竞争力弱，使除草剂成为其主要杂草防治工具。甲磺草胺（sulfentrazone）作为一种原卟啉原氧化酶（PPO, protoporphyrinogen oxidase）抑制剂，在菜豆作物苗前施药中显示出良好潜力，因其具有持久的土壤残留活性，能有效控制阔叶杂草和部分禾本科杂草。然而，关于菜豆不同基因型对甲磺草胺的特异性耐受性及剂量-反应关系的研究仍较有限。本研究通过温室剂量-反应试验和田间固定剂量试验，评估了甲磺草胺在八种菜豆基因型（IPR Tangará、Pérola、BRS Esteio、IPR Uirapuru、IAC Esperan?a、IAC Harmonia、Bico de Ouro和Moyashi）中的选择性。结果显示，不同基因型间甲磺草胺耐受性存在显著差异。温室条件下，Bico de Ouro和Pérola表现出最高的相对耐受性（RT）、叶面积（LA）和地上部干质量（SDM）；而IPR Uirapuru、IPR Tangará和Moyashi最为敏感。田间条件下，甲磺草胺显著降低了敏感基因型（IPR Uirapuru、IPR Tangará和BRS Esteio）的最终植株密度（FPS），但对耐受基因型（Bico de Ouro、Pérola、Moyashi和IAC Harmonia）无显著影响。甲磺草胺的使用干扰了作物生长发育，尤其在较敏感基因型中表现明显。然而，施药处理与未施药对照之间籽粒产量（GY）无显著差异，表明各基因型能够从甲磺草胺的初期药害中恢复。研究结果表明，在黏土中甲磺草胺剂量不超过400 g a.i. ha^-1时可安全用于耐受基因型。基因型选择对于将甲磺草胺战略性整合入菜豆化学杂草管理方案至关重要。

本研究围绕菜豆对甲磺草胺的耐受性展开系统研究，发表于《Canadian Journal of Plant Science》。菜豆（包括普通菜豆P. vulgaris和豇豆属Vigna spp.）对杂草竞争力较弱，杂草存在可导致产量和籽粒品质显著下降，因此除草剂应用成为许多国家菜豆作物杂草管理的主要策略。然而，有效防治阔叶杂草的除草剂数量有限，加之该作物对这些化合物高度敏感，构成了化学杂草控制的主要挑战。与主要作物不同，菜豆目前仍缺乏通过遗传转化开发的耐除草剂技术。甲磺草胺作为一种原卟啉原氧化酶（PPO）抑制剂，因其持久的土壤残留活性及对阔叶杂草和某些禾本科杂草的长期有效防治效果，在菜豆栽培中显示出良好应用前景。为将甲磺草胺纳入菜豆苗前杂草管理方案，理解不同基因型对 varying 除草剂剂量的差异化耐受性至关重要。除草剂耐受性可分为生理耐受性和农艺耐受性：生理耐受性是基因型的固有属性，由解剖、生理和形态机制决定，可减少到达作用位点的除草剂量或增强对药害的解毒与修复能力；农艺耐受性则指作物在特定除草剂剂量下，其视觉药害程度不会造成经济相关的产量或品质损失。选择性则源于基因型、除草剂、环境和管理措施之间的相互作用。研究人员基于"甲磺草胺耐受性在不同菜豆基因型间存在差异"这一假设，旨在识别各基因型对苗前甲磺草胺处理的耐受水平及其对发育的影响，并评估甲磺草胺对产量构成因素和籽粒生产力的效应。

研究采用的关键技术方法包括：温室剂量-反应试验与两年田间试验相结合的方法体系；完全随机与随机区组相结合的试验设计；利用校正赤池信息准则（AICc）进行模型选择；采用三参数log-logistic模型拟合剂量-反应曲线，计算LD₅₀（半数致死剂量）、LA₅₀（叶面积抑制50%的剂量）和GR₅₀（生长抑制50%的剂量）等参数；计算耐受性因子（TF）进行基因型间耐受性比较；运用混合效应模型（lme4程序包）进行田间数据统计分析，采用Type III Satterthwaite法进行方差分析；应用Tukey法进行多重比较。

**剂量-反应曲线结果**：温室试验显示，各基因型对甲磺草胺的相对耐受性（RT）在14天和28天处理后存在差异，28天处理后的RT值低于14天。从400 g a.i. ha^-1剂量开始，耐受性急剧下降。Bico de Ouro和Pérola表现出高耐受性，其LD₅₀值在14天时分别为674.48和584.66 g a.i. ha^-1；而Moyashi和IPR Uirapuru更为敏感，LD₅₀值分别为253.30和259.39 g a.i. ha^-1。叶面积（LA）分析显示，IPR Tangará（LA₅₀ = 150.92）和IPR Uirapuru（LA₅₀ = 166.54）最为敏感，Pérola（LA₅₀ = 348.84）和Bico de Ouro（LA₅₀ = 327.40）敏感性较低。地上部干质量（SDM）分析中，Bico de Ouro、BRS Esteio、IAC Esperan?a、IAC Harmonia和Pérola的GR₅₀值高于300 g a.i. ha^-1，而IPR Uirapuru、IPR Tangará和Moyashi低于此阈值。综合RT、LA和SDM结果，IPR Uirapuru、Moyashi和IPR Tangará对甲磺草胺更敏感，Bico de Ouro和Pérola则具有高耐受性。

**田间响应结果**：两年田间试验数据合并分析显示，初始评估中仅Bico de Ouro在施药与未施药处理间无显著差异，14天和28天均保持高RT。施药条件下，Bico de Ouro和Moyashi RT最高，IPR Tangará和IPR Uirapuru最敏感。甲磺草胺使平均叶面积降低20%，Moyashi的LA比Bico de Ouro、IAC Esperan?a、IAC Harmonia、IPR Uirapuru和Pérola低45%。甲磺草胺使平均SDM降低29%，Bico de Ouro SDM最高，Moyashi低53%。最终评估显示，甲磺草胺与基因型对最终植株密度（FPS）存在显著交互作用：Bico de Ouro、IAC Harmonia、Moyashi和Pérola施药后FPS未降低，而BRS Esteio、IAC Esperan?a、IPR Tangará和IPR Uirapuru施药后FPS显著下降。Bico de Ouro在施药条件下FPS最高，比BRS Esteio、IPR Tangará和IPR Uirapuru高36%。对于每株荚数（NPP）、每荚籽粒数（NSP）、千粒重（TSW）和籽粒产量（GY），未观察到显著的除草剂与基因型交互作用。甲磺草胺使NPP平均增加14%，但对NSP、TSW和GY无显著影响。Pérola的NPP最高，比Bico de Ouro高76%。Moyashi和Bico de Ouro的NSP最高，比IAC Esperan?a和IAC Harmonia高64%。IAC Esperan?a和IAC Harmonia的TSW最高，比Moyashi高80%。BRS Esteio的GY最高，比Bico de Ouro高72%。

**讨论**：研究结果表明菜豆基因型间甲磺草胺耐受性存在显著变异，温室和田间条件下表现一致，证实了控制实验作为筛选耐受基因型有效手段的可靠性。Bico de Ouro（V. unguiculata）和Pérola（P. vulgaris）在温室中表现出最高的LD₅₀、LA₅₀和GR₅₀值，田间也保持最高RT；而IPR Uirapuru和IPR Tangará在两种环境下均表现敏感。这种差异可能与形态生理特征如角质层厚度、根系结构和初期活力有关，也可能涉及除草剂代谢能力和区隔化机制。田间试验中，最终植株密度成为耐受性的主要指标之一，Bico de Ouro、Moyashi、IAC Harmonia和Pérola施药后仍能维持FPS，而BRS Esteio、IAC Esperan?a、IPR Tangará和IPR Uirapuru则出现FPS降低。值得注意的是，尽管甲磺草胺施药造成了初期药害，但各基因型表现出补偿能力，施药与未施药处理间GY无显著差异。BRS Esteio虽FPS降低且有视觉药害症状，却表现出最高GY，说明生理耐受性并不总是转化为农艺耐受性，作物可能通过同化物优先分配和生殖效率等补偿机制维持产量。14天RT与GY呈负相关（r = -0.19; p = 0.0317），表明早期耐受性高的基因型反而倾向于较低生产力。此外，NPP、NSP和TSW的变异主要反映基因型固有特性，而非除草剂效应。研究同时指出，土壤-气候条件影响残留除草剂的选择性，需在不同生态区验证结果以确保甲磺草胺的安全使用。

**研究结论**：剂量-反应曲线研究揭示了菜豆属间及P. vulgaris种内对相对耐受性、叶面积和地上部干质量的差异化响应，随甲磺草胺剂量增加这些变量呈渐进式降低。田间研究中，甲磺草胺干扰了作物发育，尤其在较敏感基因型中表现明显，但施药与未施药处理间籽粒产量无显著差异（基因型平均值），表明各基因型通过补偿反应从初期药害中恢复。田间条件下，最终植株密度是耐受性的主要指标之一；Bico de Ouro（V. unguiculata）、Moyashi（V. radiata）、IAC Harmonia和Pérola（P. vulgaris）施药后仍能维持植株密度，而BRS Esteio、IPR Tangará和IPR Uirapuru（P. vulgaris）的植株密度显著降低。鉴于观察到的变异性，针对非靶标机制（吸收、转运、区隔化、代谢和抗氧化活性）的额外研究是必要的，因本研究限于以黏土为主的土壤。研究结果仅限于黏土条件，因此必须在不同地点的不同土壤气候条件下重复试验，以确保甲磺草胺在菜豆种植区的安全使用。