《Plants》：Herbicide Resistance Genes in Crops: Mechanisms, Progress, and Future Perspectives
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杂草危害是作物生产面临的严重制约因素。化学除草面临着除草剂抗性进化和生态风险等挑战。培育抗除草剂品种是实现绿色可持续杂草管理的根本途径。本综述从除草剂分类、抗性机制和作物育种应用三个方面系统总结了除草剂抗性基因的研究进展，并重点阐述了四种主要谷类作物（水稻、玉
杂草危害是作物生产面临的严重制约因素。化学除草面临着除草剂抗性进化和生态风险等挑战。培育抗除草剂品种是实现绿色可持续杂草管理的根本途径。本综述从除草剂分类、抗性机制和作物育种应用三个方面系统总结了除草剂抗性基因的研究进展，并重点阐述了四种主要谷类作物（水稻、玉米、小麦和高粱）在抗性基因发掘和转化进展方面的关键差异。水稻拥有最丰富的靶标抗性基因资源；玉米在转基因抗除草剂商业化方面处于领先地位；小麦由于基因组复杂性和监管限制，侧重于内源基因精准编辑；高粱则依赖特定突变服务于谷类–豆科间作体系。基于上述比较，本综述指出了抗性育种的核心趋势：从单基因向多基因聚合发展，从外源基因导入向内源基因编辑转变。同时指出了共性瓶颈，包括抗性基因资源系统挖掘不足、非靶标抗性调控网络解析滞后以及遗传转化中强烈的基因型依赖性。未来工作应着力于发掘广谱抗性基因、优化精准编辑技术以及制定可持续的抗性管理策略。本综述为抗除草剂作物的分子育种提供了理论框架和实践参考。
1. 引言
杂草是制约全球农业生产力的主要因素。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，全球约50%的陆地面积适宜农业生产。杂草与作物竞争养分、空间、光照和水分等关键资源，根据植物生长阶段和杂草侵染持续时间的不同，可使作物减产20%–50%。目前可用的杂草管理策略包括物理、机械、生物和化学方法。物理除草如火焰除草和激光除草可实现高效精准除草，但火焰除草存在碳排放高和火灾风险，激光除草的高能光束可能对人和动物造成意外伤害。传统机械除草易造成作物损伤。生物除草主要利用植物提取物和病原体生产生物除草剂，但生产成本高，部分制剂对哺乳动物有毒。综合考虑防治成本、田间机械化作业适应性以及快速除草、降本增效的核心生产目标，化学除草仍是当前全球应用最广泛、最有效的杂草管理策略。然而，长期依赖化学除草剂也带来了严重问题。除草剂释放到环境中对人类健康和自然生态系统构成严重威胁。不当或过量施用除草剂会促进土壤和植物中的残留积累，诱发作物药害，并加速抗除草剂杂草种群的进化。因此，平衡有效除草与减少作物和环境损害是除草剂开发的核心挑战。为此，近年来提出了多种策略，包括开发新型除草剂、培育抗除草剂作物、增强作物竞争能力以及应用内吸性和芽前除草剂。其中最具环境可持续性和有效性的方法仍是在不同作物中培育抗除草剂品种。通过分子生物学技术鉴定除草剂抗性基因、阐明其功能和机制以及培育抗性品种，是可持续杂草管理的主要研究方向。
2. 常见田间杂草的分类
田间杂草通过竞争水分、养分和光照对作物生产构成重大威胁，同时还是病虫害的寄主。根据形态学和分类学特征，杂草大致分为双子叶（阔叶）杂草和单子叶杂草。双子叶杂草如藜、反枝苋和苍耳是农业生态系统中最多样化和危害最大的类群。单子叶杂草主要包括禾本科和莎草科，其中稗草和千金子是稻田中最主要的恶性杂草。值得注意的是，长期重复使用除草剂导致双子叶和单子叶物种中抗性生物型的显著增加，从而提高了化学防治的难度，并推动了对抗性基因发掘的迫切需求。
3. 除草剂的分类
根据国际除草剂抗性行动委员会（HRAC）建立的国际公认分类体系，结合中国登记的有效成分，除草剂分为光合作用抑制剂和生物合成抑制剂两大类。
3.1 光合作用抑制剂
光合作用抑制型除草剂主要通过阻断光合电子传递链和抑制光合磷酸化来发挥作用。根据靶标位点，进一步分为光系统II抑制剂、光系统I抑制剂和色素合成抑制剂。光系统II抑制剂主要靶向类囊体膜上光系统II反应中心，其作用方式涉及除草剂分子与D1蛋白上的QB结合位点竞争。根据结合位点分为丝氨酸264结合类（包括三嗪类、脲类、三嗪酮类等）和组氨酸215结合类（包括腈类和苯并噻二嗪酮类）。光系统I抑制剂阻断光系统I向铁氧还蛋白的电子传递，导致高能电子积累并与氧反应产生活性氧（ROS），损伤细胞膜磷脂双分子层，代表性除草剂包括敌草快等吡啶鎓类化合物。色素合成抑制剂阻断叶绿素或类胡萝卜素的生物合成，导致植物白化死亡，主要包括类胡萝卜素合成抑制剂、叶绿素合成抑制剂和质体醌生物合成抑制剂。类胡萝卜素合成抑制剂的主要靶标是八氢番茄红素脱氢酶（PDS）和番茄红素环化酶。叶绿素合成抑制剂的靶标是原卟啉原氧化酶（PPO）。
3.2 生物合成抑制剂
生物合成抑制型除草剂通过干扰植物核心生化代谢途径发挥除草作用，分为氨基酸合成抑制剂、脂肪酸合成抑制剂、微管抑制剂、生长素类抑制剂和其他生物合成抑制剂。氨基酸合成抑制剂是最广泛使用的类型之一，根据靶标酶主要分为三类：靶向乙酰乳酸合酶（ALS，又称乙酰羟酸合酶AHAS）的抑制剂，阻断支链氨基酸（BCAAs）的生物合成，代表包括咪唑啉酮类、磺酰脲类等；靶向5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶（EPSPS）的抑制剂，阻断芳香族氨基酸合成，代表为草甘膦及其盐类；靶向谷氨酰胺合酶（GS）的抑制剂，代表为草铵膦。脂肪酸合成抑制剂主要包括靶向乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）的抑制剂，用于禾本科杂草防治；靶向极长链脂肪酸（VLCFA）延长酶的抑制剂，阻断碳链长度大于18的VLCFA合成；以及靶向脂肪酰基-ACP硫酯酶的抑制剂。微管抑制剂通过破坏微管影响细胞分裂和扩张，分为微管组装抑制剂和微管解聚剂。生长素类抑制剂分为生长素模拟物和生长素运输抑制剂，主要用于单子叶作物。其他关键生物合成抑制剂包括纤维素生物合成抑制剂（CBIs）、二氢蝶酸合酶抑制剂和二氢乳清酸脱氢酶抑制剂。
4. 除草剂抗性基因的分类
杂草对除草剂的抗性是在长期选择压力下进化出的遗传适应能力，根据潜在机制分为靶标抗性（TSR）和非靶标抗性（NTSR）两大类。靶标抗性源于除草剂靶标蛋白的结构或表达水平改变，导致除草剂与靶标结合减少或丧失。其分子机制分为两类：靶标蛋白编码基因的突变，如ALS、ACCase和EPSPS中的单基因突变；以及靶标基因的过表达，通过增加靶标蛋白丰度来降低除草剂的毒性效应。非靶标抗性不涉及靶标蛋白的改变，而是通过增强除草剂代谢、减少吸收和转运以及区室化隔离等生理生化过程降低到达靶标位点的除草剂有效浓度。增强代谢能力涉及细胞色素P450酶、谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）、醛酮还原酶和ABC转运蛋白等核心代谢相关基因的上调表达。
5. 主要作物除草剂抗性基因研究进展
5.1 水稻除草剂抗性基因研究进展
水稻是全球主要粮食作物。在靶标抗性方面，ACCase基因的特定突变赋予对氰氟草酯和噁唑酰草胺等ACCase抑制型除草剂的抗性，但多数突变来源于诱变育种，抗性谱通常较窄。OsALS基因W548M和G628W位点突变赋予对咪唑啉酮类等ALS抑制型除草剂的抗性，但常伴随产量代价。OsEPSPS基因T173I和A174V突变以及靶标基因扩增可增强水稻对草甘膦的抗性。OsDNR1基因敲除通过调控尿黑酸积累提高水稻对HPPD抑制型除草剂的耐受性。在非靶标抗性方面，水稻内源UDP-糖基转移酶基因GRGT1通过催化草甘膦糖基化减少残留，ABC转运蛋白基因OsABCC8通过将草甘膦从细胞质外排至质外体降低胞内浓度。水稻在四种谷类作物中拥有最丰富的靶标抗性基因资源，但内源非靶标抗性基因单独表达时抗性水平相对较弱，未来育种可能依赖将强效靶标抗性等位基因与互补的非靶标抗性模块相结合的多基因聚合策略。
5.2 玉米除草剂抗性基因研究进展
玉米是全球重要的粮食和饲料作物。早期抗除草剂育种主要采用转基因策略。草甘膦抗性主要通过导入和稳定表达编码草甘膦不敏感EPSPS蛋白的EPSPS基因实现。草铵膦抗性主要依赖pat基因，其编码的膦丝菌素乙酰转移酶通过乙酰化使草铵膦失活，该基因已成功应用于商业化转基因玉米品种，常与Bt抗虫基因及其他抗除草剂基因进行性状聚合。近年来研究焦点逐渐从外源基因导入转向内源基因的靶向修饰。CYP81A9基因编码细胞色素P450单加氧酶，是调控玉米烟嘧磺隆抗性的关键基因，其表达水平与靶标酶ALS活性正相关，揭示了一种P450介导的代谢解毒机制，属于非靶标抗性。此外，GST等代谢酶基因在玉米多种除草剂解毒中的作用正逐步被阐明，但多数研究仍停留在转录组水平。基因编辑技术已实现对玉米内源基因的精准修饰，可在不含外源转基因成分的情况下创制抗除草剂种质。总体而言，玉米在转基因抗除草剂商业化方面领先于其他三种作物。
5.3 小麦除草剂抗性基因研究进展
小麦是全球种植面积最大的谷类作物。在靶标抗性方面，研究集中于TaEPSPS和TaALS两个关键基因的突变发掘与精准编辑。TaEPSPS的P106S突变降低草甘膦与靶标酶的亲和力，但单独赋予的草甘膦耐受性仅为中等水平。TaALS的P174S、G631D和G632S等突变显著增强小麦对多种ALS抑制型除草剂的耐受性，已用于抗性品种选育。小麦中已报道的抗性突变数量仍少于水稻，且多数仅在体外酶活性测定或温室盆栽试验中验证。小麦的多倍体特性要求同时编辑所有同源拷贝，技术挑战较大。在非靶标抗性方面，CYP72A397、CYP72A14和GSTDHAR1的上调表达显著增强小麦对吡嘧磺隆的耐受性，CYP81Q32-like基因过表达降低小麦对磺草唑胺的敏感性。此外，全基因组关联分析（GWAS）在小麦1A和6A染色体上鉴定出主要草甘膦耐受性QTL（qGlyT-1A和qGlyT-6A），但这些QTL内的候选基因尚未进行精细定位和功能验证。小麦因其庞大、多倍体且复杂的基因组，在抗性基因克隆和QTL精细定位方面面临独特挑战。
5.4 高粱除草剂抗性基因研究进展
与水稻、玉米和小麦相比，高粱除草剂抗性基因研究起步较晚。在靶标酶突变方面，通过EMS诱变鉴定出ALS基因的A93T和S624N突变。Sbals-1（A93T）突变体在高剂量咪唑啉酮下表现出优异的酶活性和表型，已应用于谷类–豆科间作育种。谷类–豆科间作在中国北方旱作农业中广泛使用，但高粱对咪唑啉酮的敏感性长期限制了除草剂选择，Sbals-1为这一瓶颈提供了遗传解决方案。在转基因抗性方面，bar（草铵膦抗性）和CP4-EPSPS（草甘膦抗性）已在高粱中稳定表达。共转化bar/mcry1Ab/mvip3A的品系可耐受4倍田间剂量的草铵膦，同时表现出抗虫性。然而，高粱转基因研究仍处于早期阶段，极低的转化效率和强烈的基因型依赖性严重限制了转基因和基因编辑性状的快速应用。
5.5 跨作物比较综合与展望
四种谷类作物在抗性基因资源、转化进展和应用场景方面存在显著差异。水稻拥有最丰富的靶标等位基因库，但实验室非靶标抗性验证与田间应用之间的差距仍然较大。玉米在商业化应用方面最为先进，但转基因的监管和公众接受度问题正推动其向内源基因编辑转变。小麦因异源多倍体基因组导致克隆效率滞后，其发展路径在于同源基因精准编辑和标记辅助聚合。高粱在间作体系中占据专门生态位，但转化效率低和基因型依赖性严重制约性状转化。四种作物的共同趋势是从单基因向多基因聚合转变，从外源转基因向内源等位基因精准编辑转变。共性瓶颈包括野生近缘种抗性资源系统挖掘不足、非靶标抗性调控网络认识不足以及转化中的强烈基因型依赖性。
6. 挑战
目前除草剂抗性基因在遗传资源、作用机制、技术应用和生态安全四个关键领域存在突出瓶颈。遗传资源方面的主要挑战包括可用性有限、结构同质化以及发现和验证体系效率低下。规模化抗性基因集中在少数靶标上，来源狭窄、类型趋同，长期使用易失效。从野生近缘种中发掘新型、高水平、广谱基因的工作仍然不足。抗性机制解析仍不充分，靶标研究多集中于单点突变，对突变蛋白稳定性、底物结合及与内源代谢的兼容性关注有限。非靶标抗性涉及多条途径，但其协同互作、时空调控和信号传导尚不清楚。技术瓶颈包括CRISPR/Cas9的脱靶效应、嵌合现象、位点特异性整合效率低以及在甲基化或复杂基因组区域表现不佳等问题。基因型依赖性转化严重限制优良品种的改良。生态安全方面，大规模抗除草剂作物种植加速杂草进化，产生超级杂草并降低基因持久性。花粉介导的基因流将抗性扩散至野生近缘种并造成生态干扰。当前评估多为短期和实验室水平，缺乏长期多点监测。
7. 展望
未来研究应优先考虑抗除草剂作物开发中的安全性、有效性、持久性和环境兼容性。育种策略应从单一性状改良转向多基因聚合、多性状协同和可持续利用。首先，应从微生物、野生近缘种和作物种质资源中系统发掘新型、广谱、高水平的抗性基因，重点创制具有自主知识产权的非靶标和多靶标复合抗性基因。其次，应全面阐明除草剂抗性的分子机制，包括靶标突变、代谢解毒和转运隔离，研究多基因调控网络及其与环境适应的互作。第三，应优化基于CRISPR的基因组编辑、多基因位点特异性整合和高效率转化等先进生物技术工具，克服基因型依赖性，建立无标记、安全高效的抗性改良平台。第四，应建立全面的生物安全评估框架和生态风险监测体系，开展基因流、杂草抗性进化、环境归趋和生态影响的长期研究。第五，应将多性状和聚合抗性品种与科学的除草剂管理策略相结合，包括轮换和混用，建立遗传改良与合理除草剂使用相结合的环境可持续管理框架。
