《Journal of Xenobiotics》：Environmental Occurrence, Toxicity Concerns, Degradation Behavior, and Plant Resistance of Glufosinate-Ammonium
摘要：过去十年间，传统非选择性除草剂的市场格局发生了剧烈变化。作为一种新兴除草剂，草铵膦（glufosinate-ammonium）的市场份额持续增长。然而，随着其广泛应用，全球许多地区的河流和农产品中已检测到草铵膦残留。此外，多项毒理学研究证实，草铵膦对非靶标生物具有毒性效应，其危害不容低估。迄今为止，关于草铵膦的毒性、降解行为及抗性状况的综合评述仍较为匮乏。本文重点阐述了草铵膦的毒理学性质和降解行为，并深入探讨了植物对草铵膦产生抗性的机制。本综述加深了研究人员对草铵膦降解与抗性机制的理解，并为草铵膦污染环境的修复提供了理论依据和实践参考。
1. 引言
随着农业现代化的快速发展，效率优先成为首要目标。除草剂的使用显著降低了劳动力和经济成本，且随着人工费用上涨，除草剂的应用日益广泛。然而，过量使用已对生态环境和土壤健康造成严重损害。作为农业投入品，除草剂在控制杂草、保障作物产量方面发挥关键作用，可减少作物损失20%至50%。目前，除草剂占全球农药用量的47.5%，这主要归因于农业杂草防治中除草剂应用范围的扩大。总体而言，除草剂消费量在全球农药用量中占比最大，是最关键的农药类别之一。
草铵膦[2-氨基-4-[羟基(甲基)磷酰基]丁酸铵盐]是拜耳公司于20世纪80年代成功开发的广谱非选择性除草剂。它是一种手性分子，通常以L型和D型异构体的外消旋混合物形式存在，但只有L型异构体具有除草活性。草铵膦属于有机磷化学家族中的膦酸酯类。近年来，草铵膦的生产和消费量显著增加；2023年全球产能达到12.18万吨，呈现快速增长态势。作为具有部分内吸性的谷氨酰胺合成酶抑制剂，其毒理机制在于抑制植物谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase, GS），从而扰乱氮代谢、引起铵离子积累并导致叶绿体解体。这些过程损害光合作用，最终导致植物死亡。草铵膦的除草机制如图1所示。
草铵膦含有一个手性中心，存在L型和D型两种光学异构体。目前市场上的草铵膦大多是含有等量D型和L型草铵膦的外消旋混合物。由于草铵膦的手性选择性，L型草铵膦在生物活性、毒性和环境行为方面与外消旋混合物存在显著差异；例如，L型草铵膦除草活性更强，但对非靶标生物的毒性也更高。研究表明，与D型草铵膦相比，只有L型草铵膦具有除草活性。
1999年，联合国粮农组织/世界卫生组织农药残留联合专家会议（JMPR）报告指出，草铵膦的三种主要代谢产物——3-甲基膦丙酸（MPP）、N-乙酰草铵膦（NAG）和2-甲基膦丙酸（MPA）——均为有毒物质。欧盟、日本和国际食品法典委员会（CAC）将草铵膦残留定义为草铵膦及其盐类、MPP和NAG之和，以草铵膦表示。然而，由于这些化合物具有离子性、低挥发性、低分子量且缺乏易检测的化学基团，难以在低浓度下测定草铵膦及其代谢物。因此，环境和食品中大多数草铵膦残留通过衍生化方法检测。
由于除草剂在全球的大规模使用，近年来开展了大量除草剂毒理学研究。这些研究发现，存在于自然生态系统中的除草剂可导致显著的生态变化，如土壤肥力丧失，严重时对人类和动物健康构成风险。此外，除草剂还可通过食物链污染和地下水污染严重威胁生态系统安全。草铵膦除具有除草活性外，还表现出杀虫和杀菌活性，可与杀虫剂等产品混用以有效防治作物病虫害。它在提高粮食、水果和蔬菜产量、保护植物免受病虫害方面做出了重要贡献。尽管产生了显著的农业效益，其使用也带来了不利的环境和人类健康后果。草铵膦在土壤中分解迅速且残留极少，但可能对水生环境产生不利影响。由于其高水溶性（1370 g/L），施用于农田后易转移进入水体，造成水污染。根据欧洲食品安全局（EFSA）的报告，MPP在水中具有高迁移性，MPA在水中具有高至中等迁移性；此外，MPP在脆弱地区存在污染地下水风险。MPP和MPA在土壤中具有低至中等持久性。如果收获后大部分作物残体留在田间，其环境影响无法估算。因此，草铵膦的潜在生态风险值得高度关注和警惕。
除草剂修复主要包括物理、化学和生物分解方法。在自然环境中，这些除草剂可积累到高浓度，对人类和动物构成生命威胁。虽然物理和化学分解方法能有效去除残留，但其高成本和易造成二次环境污染限制了其实际应用和发展。因此，微生物分解是控制外源污染物最安全有效的策略之一。迄今为止，已分离出多种能有效降解草铵膦残留的微生物，包括细菌和藻类，它们在降解过程中发挥关键作用。
然而，针对草铵膦降解机制和途径的综合评述仍然明显缺乏。这一空白阻碍了高效生物修复策略的开发。为此，本综述系统总结了：（1）草铵膦在环境中的归趋与残留；（2）草铵膦对生态系统的毒性效应；（3）草铵膦的代谢途径和降解机制；（4）植物对草铵膦抗性的分子机制。
2. 草铵膦在环境中的归趋与残留
除草剂的使用是世界各地现代农业的重要组成部分。近年来，随着抗草铵膦转基因植物品种数量的稳步增加和转基因植物的广泛采用，该除草剂的使用量逐年上升。因此，这也推动了草铵膦市场的增长，销售额逐年增加。然而，田间应用表明，该化合物的持续使用也造成了环境危害，包括农药在土壤中的残留、在水体中的迁移以及对非靶标生物的毒性。例如，Thompson等人分析了加拿大西部200份蜂蜜样品，结果显示其中125份样品检出草铵膦，最高浓度达33.0 μg/kg。所有这些因素都对生态系统健康和公共健康构成直接威胁。
据报道，草铵膦还可通过大气沉降、灌溉水和动植物残留等途径进入土壤。目前，通过田间喷施的绝大多数草铵膦可通过微生物活动和降水被消除；留在植物中的部分可在叶片脱落后进入土壤，其中一部分被微生物降解。然而，由于其高水溶性，剩余的草铵膦容易进入水体，造成水生环境污染。意大利北部河流中检出高达0.72 μg/L的草铵膦浓度，超过了欧盟规定的河流水中农药最大允许浓度（0.1 μg/L）。中国17个省市的农田地表水样品显示，草铵膦最大浓度高达13.15 μg/L。根据加拿大进行的环境浓度评估，环境中草铵膦浓度估计可达1 mg/L。
草铵膦在自然环境中的循环和流动始于农田，并沿“土壤-水-生物”路径形成多介质迁移循环。农田施用后，大部分草铵膦首先保留在表层土壤中：一部分被土壤颗粒吸附并暂时固定，另一部分通过土壤淋溶向下渗透进入地下水系统。在降雨或灌溉期间，被吸附的草铵膦随农田径流进入地表水，成为水生环境中草铵膦的主要来源。
进入水体后，部分草铵膦将被水生植物吸收或随水流扩散到更远水域；另一部分可能沉降到底泥中，与底泥中的微生物接触并发生降解。土壤和水体中的草铵膦还可通过生物迁移进入食物链：作物吸收土壤中的残留后，通过收获进入畜禽养殖环节，或通过粮食作物直接影响人类；水生生物从水中摄取草铵膦后被更高营养级生物捕食，实现跨营养级循环。
根据草铵膦在斑马鱼中的生物累积研究，在2 mg/L草铵膦暴露14天后，D型和L型草铵膦在斑马鱼体内的生物累积量均随暴露时间增加。D型草铵膦浓度在第1天为0.036 mg/kg，第14天增至0.17 mg/kg；L型草铵膦从第1天的0.014 mg/kg增至第14天的0.21 mg/kg。在10 mg/L草铵膦浓度组中，L型和D型草铵膦浓度分别从初始的0.12 mg/kg和0.11 mg/kg增至0.85 mg/kg和0.75 mg/kg；整个实验期间，L型草铵膦浓度始终高于D型，表明L型草铵膦表现出更强的生物累积效应。此外，由于草铵膦的潜在健康风险，人们对此农药及其代谢物的暴露日益关注。人类通过食物和水摄入草铵膦后，主要通过粪便和尿液排出；JMPR已将草铵膦的急性参考剂量设定为0.01 mg/kg·bw。因此，草铵膦可通过食物和饮用水对人类和动物造成伤害。草铵膦在环境中的残留情况如图3所示。
除草剂的使用是提高农业产量和农民收入的重要手段。随着除草剂品种数量的不断增加、栽培作物面积的扩大以及除草剂施用量的增长，除草剂使用引发的一系列环境问题逐渐引起关注。草铵膦作为最常用的有机磷除草剂之一，其应用过程中造成的环境问题一直是关注焦点。自20世纪80年代草铵膦开发以来，其使用量持续上升。已有报道表明，世界各地多种水环境中均检出该农药残留。研究发现，草铵膦可通过径流进入水体，在热带雨林地区油棕种植园的径流中检出残留。中国甘肃、广西、河北等10个省份的地表水中草铵膦浓度为2.38至13.15 μg/L。
此外，水体中的草铵膦残留可对水生植物、动物及其他生物产生一定影响。作为水生生态系统中的生产者和消费者，藻类和鱼类对水环境变化表现出各种生理响应。随着人类生活水平的提高，人们更加关注食品和环境中的农药残留。目前，世界各国已制定了草铵膦在食品中的最大残留限量（MRLs）。例如，国际食品法典委员会（CAC）将草铵膦限量设定为0.02–8 mg/kg；美国和日本设定为0.05–6 mg/kg；加拿大设定为0.1–2 mg/kg；欧盟设定为0.1–5 mg/kg。不同国家草铵膦的MRLs如表2所示。
环境中残留的草铵膦对土壤、水体及生态系统产生多维影响。土壤中残留的草铵膦会抑制土壤微生物活性并扰乱土壤碳氮循环。例如，它降低脲酶和磷酸酶等关键酶的活性，导致土壤肥力下降。长期积累还可能改变土壤微生物群落结构，影响土壤生态功能的稳定性。
然而，上述研究方法存在一定局限性。不同国家草铵膦的环境残留差异显著。例如，加拿大的环境评估模型预测环境中草铵膦浓度可达1 mg/L，比其他国家的测定结果高2–3个数量级；模型预测浓度与实际监测结果之间存在明显差异。此外，生物累积试验是在室内实验室条件下进行的，与真实田间环境差异较大。斑马鱼生物累积试验设定的暴露浓度（2 mg/L和10 mg/L）远高于全球地表水实测水平。因此，不能直接证明田间条件下会发生相同规模的生物累积效应，结果存在不确定性。总之，由于草铵膦的长期使用，其残留已在世界多国水体和土壤系统中检出，对非靶标生物和土壤质量构成显著风险。因此，研究人员鼓励对草铵膦进行适当管理，以减轻其对环境和人类健康的潜在风险。
3. 草铵膦的非生物降解
农药为全球粮食生产做出了巨大贡献。然而，随着农药使用量逐年增加，农药易通过漂移、雨水冲刷和地表径流等多种途径进入水生环境，从而破坏水生生态系统，对水生生物造成严重危害，并威胁人类健康。农药在水环境中的水解和光解是化学降解的常见现象，是非生物降解的主要形式之一，也是评价农药在水体中残留特性的重要指标。
已有实验表明，D型草铵膦和L型草铵膦的半衰期不同。例如，实验显示，在无菌土壤条件下，草铵膦D型和L型对映体的半衰期分别约为12.2天和8.0天。此外，在水中100天后，草铵膦L型对映体浓度从4.99 mg/L降至4.20 mg/L，降解率为21.4%；D型对映体浓度从4.94 mg/L降至4.20 mg/L，降解率为15.0%。在降解过程中未观察到对映体之间的相互转化。
实验室研究发现，北京大兴、山东济南、湖南长沙和广西南宁土壤样品中L型草铵膦的半衰期为3.40至12.20天。Chen等人发现草铵膦半衰期随室温和季节变化。在4 °C室温下半衰期为21.00天；在25 °C下缩短至14.40天。夏季和秋季土壤中草铵膦半衰期分别为2.50天和6.60天。此外，草铵膦降解速率与土壤pH、光照强度、土壤有机质（SOM）、黏粒含量和阳离子交换量（CEC）相关。
在弱酸性条件下，草铵膦的水解半衰期略短于弱碱性条件下的降解速率，而草铵膦在中性条件下降解最慢。在pH值分别为5.0、6.9和9.3的缓冲溶液中，草铵膦水解半衰期长达400天。在对映体水平上进行的实验结果表明，在pH值为5、7和9的无菌缓冲溶液中，D型和L型草铵膦对映体的半衰期均可超过400天。在天然池塘水中，L型草铵膦降解略快于D型草铵膦。在100天时，L型草铵膦降解率为21.4%，D型为15%。
此外，将溶解于砾石坑地表水中的草铵膦在25 °C下暴露于紫外线（UV）辐射118小时（相当于33天日光照射）。在此条件下，草铵膦几乎不降解，仅3–5%转化为3-甲基膦丙酸（MPP）。可以得出结论，自然水生环境中草铵膦的光降解是一种效率较低的降解途径，这使得该化合物能够在系统中长期存在，从而对水生生物产生毒性效应。
除草剂在水环境中的水解和光解是除草剂化学降解的常见现象，是非生物降解的主要形式之一，也是评价除草剂在水体中残留特性的重要指标。上述研究表明，L型草铵膦的降解速率普遍快于D型草铵膦；环境因素可影响草铵膦的降解速率。
然而，上述实验中的pH梯度过窄，证据不足以支持草铵膦在中性条件下降解最慢的结论。此外，不同实验中草铵膦土壤半衰期差异显著，推测可能是由于其他因素（如区域土壤差异、季节和温度）的相对贡献尚未被定量分离。总之，草铵膦在水环境中的水解和光解过程缓慢，表明其易成为持久性污染物。因此，需要采取适当措施规范草铵膦的应用。
4. 草铵膦的生物降解
关于土壤和水体中的农药残留，微生物降解是这些残留代谢的主要途径之一。影响降解的因素包括农药的理化性质、土壤条件、环境条件以及土壤微生物的多样性。微生物降解农药具有应用范围广、代谢途径多样等优点；此外，与物理和化学降解方法相比，更安全、更环保、更有效。因此，具有广阔的研究和应用前景。
研究表明，微生物降解在土壤中手性化合物的对映选择性降解中发挥重要作用；因此，土壤微生物活性可直接影响草铵膦的降解速率。例如，在非无菌条件下，草铵膦L型和D型对映体的半衰期为1.4至4.3天，显著短于无菌土壤条件下的半衰期。此外，草铵膦的使用对土壤理化性质、酶活性和微生物有一定程度的影响。草铵膦残留可改变土壤微生物多样性，其代谢物可能与土壤有机质和重金属相互作用，从而间接影响微生物活性。研究发现，与机械除草相比，草铵膦不仅能除草，还能改变葡萄根际的养分组成，并显著影响根际微生物群落的形成。Pattison等人在香蕉田中建立了刈割和不刈割两种处理。在每个处理小区中，分别施用不施草铵膦、推荐剂量（1 kg a.i./ha）或两倍推荐剂量（2 kg a.i./ha）的草铵膦。结果表明，施用草铵膦（在有杂草存在时）不影响土壤细菌和真菌多样性；然而，在刈割杂草后单独施用草铵膦间接影响了土壤微生物活性和功能。因此，推测反复高剂量施用草铵膦可能影响土壤微生物。
Wang等人分离出一株能高效降解草铵膦的细菌菌株，鉴定为戈登氏红球菌（Rhodococcus gordoniae）。降解试验表明，当培养温度为35 °C、土壤中草铵膦浓度为800 mg/kg、pH为6.38、接种量为1%（v/w）时，该菌株对草铵膦的降解率高达95%，显示出显著的生物降解潜力。进一步研究表明，一种植物激素——茉莉酸能吸引R. gordoniae并促进其生长和代谢活性，从而有效降解土壤中的草铵膦残留。
Liu等人研究了盐生杜氏藻（Dunaliella salina）对草铵膦的降解效率及分子机制。研究发现，D. salina对草铵膦的最大耐受浓度为0.8 mg/mL，并在3天内对天然海水中的草铵膦达到91.74%的降解效率。研究还揭示，D. salina可通过多种生物响应（包括磷利用和乙酰转移酶相关应激反应）实现对草铵膦的高效降解。
目前，肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae OC54）和植物对草铵膦的生物降解研究取得了新进展。在转基因植物中，PAT基因的表达通过乙酰化作用将草铵膦解毒为毒性较低的NAG。该底物在细胞内具有更强的迁移性，并进一步代谢为毒性更低的衍生物，如MHB/MPB、MPP及随后的MPA，以粗蓝色箭头表示。在非转基因植物中，OC54介导的解毒和代谢支持主要通过吸附、隔离和生物膜形成降低草铵膦浓度，物理限制除草剂吸收，并增强缓冲能力和降低生物有效性，以虚线绿色箭头表示。草铵膦的生物降解途径如图4所示。
5. 草铵膦对生态系统的毒性效应
草铵膦具有诸多优点，包括杀草谱广、低毒、高除草活性及良好的环境适应性。因此，它被广泛用于非耕地防除多种一年生和多年生禾本科杂草及阔叶杂草。近年来，随着百草枯等高毒除草剂相继被禁用，草铵膦的使用量持续扩大。然而，草铵膦具有很强的水溶性和持效活性，田间施用后易迁移扩散，可导致地表水、地下水和土壤污染，成为一种准持久性污染物，对生态环境和人类健康构成潜在安全风险。
5.1. 草铵膦对非杂草植物的毒性效应
在评价草铵膦对经济作物安全性的实验中，暴露于草铵膦的小麦幼苗根系重量和植株重量均较对照组显著下降，关键代谢物儿茶素含量也显著低于对照组。
对水生生态系统的毒理学评估表明，草铵膦对作为初级生产者的藻类种群具有显著的生态毒理效应。当铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）暴露于环境相关浓度的草铵膦时，在低于1 mg/L的浓度下藻细胞数量显著增加，表明低浓度草铵膦对铜绿微囊藻具有一定促生长作用。然而，当浓度超过5 mg/L时，藻细胞数量显著减少，丙二醛水平和电解质渗漏率显著增加，表明草铵膦对铜绿微囊藻造成氧化损伤并降低细胞膜完整性。此外，以蛋白核小球藻（Chlorella vulgaris）为实验对象的代谢组学研究表明，12小时急性暴露显著激活了其抗氧化酶系统，但核心光合基因的mRNA表达水平受到抑制。这一发现揭示草铵膦可通过双重机制扰乱藻类的能量代谢稳态。上述研究证实，草铵膦对非靶标水生植物群落构成潜在生态风险。
5.2. 草铵膦对非靶标动物的毒性效应
草铵膦可对克氏原螯虾的肝胰腺组织造成损伤，诱导氧化应激并降低非特异性免疫力。此外，既往研究表明，草铵膦暴露与一系列胚胎畸形相关，包括卵黄囊水肿、尾部弯曲和脊柱畸形。草铵膦已被证明在斑马鱼模型中诱导肝损伤，而Nrf2通路抑制被认为是该不良反应的关键机制。采用3.75、7.5和15 mg/L草铵膦对蟾蜍（Rhinella arenarum）蝌蚪进行急性暴露实验后，各处理组蝌蚪红细胞染色体均出现不同程度的损伤。
鱼类的生殖系统对其健康和生存具有深远影响，并在维持鱼类种群中发挥重要作用。近年来，随着草铵膦研究受到更多关注，越来越多的报道证实草铵膦具有一定的生殖毒性。研究表明，草铵膦对雄性丽斑麻蜥（Eremias argus）的睾丸造成氧化应激损伤并改变其性激素水平。据报道，草铵膦主要损伤小鼠精子的表观基因组和转录组。人类精子线粒体呼吸效率在草铵膦暴露实验后也受到影响。这些发现表明草铵膦对雄性精子及其中的线粒体造成损伤。表3列出了草铵膦在不同浓度下对非靶标生物的毒性效应。然而，在上述实验中，草铵膦暴露浓度大多高于天然地表水中测得的μg/L水平；因此，将这些结果外推到田间种群具有很高的不确定性。此外，天然水体含有可吸附草铵膦的有机质和黏土颗粒，从而降低其在水相中的有效浓度。相比之下，实验室纯水系统中草铵膦自由浓度较高；因此，实验室获得的效应浓度可能低估田间的实际安全阈值。
总之，草铵膦的不当处理及对非靶标生物的潜在有害影响已在公共卫生范围内受到相当关注。
6. 植物对草铵膦抗性的分子机制
迄今为止，已有多种杂草被确认进化出对草铵膦的抗性。2009年，研究人员首次在牛筋草（Eleusine indica）种群中检测到草铵膦抗性，这是全球首例草铵膦抗性杂草的报道。继多年生黑麦草（Lolium perenne）之后，多花黑麦草（Lolium multiflorum）和硬直黑麦草（Lolium rigidum）也相继被发现对草铵膦产生抗性，且这些杂草的抗性机制同样尚不清楚。随着除草剂的长期广泛使用，杂草对除草剂产生抗性的现象日益普遍。迄今为止，72个国家或地区的99种作物、154种双子叶杂草和115种单子叶杂草已对166种具有21种不同作用机制的除草剂产生了不同程度的抗性。抗除草剂杂草的出现和快速蔓延对依赖化学除草剂的杂草管理提出了新挑战，已成为全球农业生产和粮食安全的严重威胁。在长期选择压力下，杂草进化出多种对抗除草剂的机制。随着大量杂草基因组测序的完成，越来越多的研究人员利用转录组测序揭示杂草抗除草剂的潜在机制。
6.1. 作物中GS基因表达的调控
GS是草铵膦在植物中的靶标作用位点。该酶表达水平和活性的升高可有效增强植物对草铵膦的胁迫抗性。长芒苋（Amaranthus palmeri）是对草铵膦具有抗性的杂草物种。在草铵膦胁迫下，植株中GS2的表达水平可上调190倍，GS1的表达水平可增至原来的17倍。谷氨酰胺合成酶的过表达被认为是长芒苋产生草铵膦抗性的主要诱导因素。
进一步研究表明，草铵膦抗性水稻突变体gar6-2中位于第6号染色体上的OsSPL10基因功能缺失突变可显著增强植株的草铵膦耐受性。在草铵膦胁迫处理后，与野生型水稻相比，gar6-2突变体由于OsSPL10功能丧失而解除对OsGS1;1和OsGS2表达的抑制，从而导致OsGSs（谷氨酰胺合成酶编码基因）转录水平显著上调，酶活性相应增强。这一改变有效缓解了草铵膦诱导的铵毒性，最终提高了植株的除草剂抗性。由此可见，OsSPL10基因在水稻草铵膦抗性调控通路中起负调控作用。gar6-2突变体水稻对草铵膦的抗性机制如图5所示。
6.2. BAR/PAT转基因植物
20世纪80年代，研究人员分别从土壤细菌吸水链霉菌（Streptomyces hygroscopicus）和绿色产色链霉菌（Streptomyces viridochromogenes）中克隆了双丙氨膦抗性（BAR）基因和膦丝菌素乙酰转移酶（PAT）基因。这两个基因序列具有86%的同源性，均编码一种能将草铵膦转化为无毒N-乙酰草铵膦的乙酰转移酶。将BAR基因或PAT基因转入植物中可赋予草铵膦抗性。例如，将BAR基因转入玉米后，玉米可耐受每公顷3600克草铵膦。迄今为止，这两个基因已成功用于开发商业化的草铵膦抗性作物，如水稻、大豆和棉花。研究人员从红球菌属（Rhodococcus sp.）菌株YM12中分离出RePAT蛋白。该蛋白在体外对草铵膦表现出极高的催化效率，将该基因转入粳稻品种中花11后，可使其耐受每公顷5000克草铵膦，是草铵膦商业施用量的10倍。
6.3. GS的突变与修饰
突变GS基因中的关键位点以降低其与草铵膦结合的能力，也可提高植物对草铵膦的抗性。研究证实，草铵膦靶标酶——细胞质谷氨酰胺合成酶（EiGS1-1）中的Ser59Gly突变是牛筋草对草铵膦产生靶标抗性的关键分子机制。对草铵膦抗性大豆细胞的分析显示，GS基因中存在His249Tyr突变；His249是草铵膦的结合位点，该位点的突变降低了GS对草铵膦的敏感性，从而使大豆细胞获得对草铵膦的抗性。利用DNA改组技术，研究人员发现Arg295Lys突变是OsGS1蛋白抗草铵膦的关键位点，将突变的OsGS1引入酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和拟南芥中均使其对草铵膦的抗性增强。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，研究人员已成功开发出抗烟嘧磺隆除草剂的小麦。
6.4. 植物对草铵膦的非靶标抗性（NTSR）
作为除草剂抗性的重要类型，非靶标抗性具有极其复杂的调控机制，主要可归纳为三个方面：第一，加速除草剂的降解过程，通过相关酶促反应将细胞内除草剂分解为无毒或低毒衍生物；第二，改变除草剂的吸收和转运方式，通过降低细胞对除草剂的吸收效率或增强除草剂在液泡中的隔离来提高抗性；第三，激活植物细胞的抗氧化系统，以缓解除草剂诱导的氧化应激反应，增强植物的耐受性。
与靶标抗性（TSR）相比，两者的抗性特征存在显著差异：TSR抗性谱相对较窄，仅作用于靶向特定蛋白的除草剂；相比之下，非靶标抗性（NTSR）可对多种作用机制的除草剂（包括未商业化的除草剂）表现出不可预测的抗性反应。其不可预测性具体体现在两方面：抗性水平的差异和产生抗性的除草剂广谱性。植物细胞色素P450是一个庞大的酶家族，许多P450酶具有降解除草剂的能力。例如，菊芋（Helianthus tuberosus）中的CYP76B1和拟南芥中的CYP86A4分别可降解苯脲类除草剂和百草枯除草剂，将其转化为无害物质。植物对草铵膦的非靶标抗性机制尚未阐明。
目前，研究人员对大多数草铵膦抗性种群的认识仍然有限，草铵膦抗性机制有待进一步研究。最后，尽管许多物种尚未进化出草铵膦抗性，但应考虑不同策略以维持该除草剂的药效并减缓多抗性除草剂的进化。
7. 结论
随着农业管理中草铵膦使用量的持续增加，残留污染物被释放到环境中。特别是由于其难以水解和光降解，草铵膦易成为持久性污染物。随着食物链的流动，它对非靶标生物构成健康风险，并严重影响生态系统。这些问题亟需关注，必须制定合理的除草剂管理策略和修复措施。微生物降解是去除除草剂最有效且最环保的方法之一。虽然已鉴定出一些具有降解能力的微生物和藻类，但基于现有研究，认识上仍存在重大空白。例如，大多数降解参数来自简化的实验室条件，与真实田间环境差异显著。现有毒理学研究主要涉及短期、高浓度室内暴露，与田间实际残留浓度不符，难以准确评估真实条件下的生态和健康风险。高效微生物降解资源数量有限；大多数菌株的关键降解基因和酶尚未被充分表征，且缺乏田间试验验证，难以直接应用于实际环境修复。此外，目前对草铵膦抗性杂草的进化和扩散规律了解不足，阻碍了田间抗性的防控。因此，有一些重要问题需要进一步研究，以完善未来农业中草铵膦管理的研究方向。（a）开展田间试验研究草铵膦及其代谢物的环境行为，改进环境风险预测。（b）在实际环境浓度下进行长期毒性试验，补充各种生物的毒性数据，完善生态风险评估。（c）鉴定更多降解菌株，并利用基因组学、蛋白质组学和代谢组学等分子生物学技术表征和改造负责草铵膦降解的基因，这对环境修复具有重要意义。（d）持续监测田间草铵膦抗性杂草的发生，阐明抗性的分子机制，制定综合杂草管理策略，减缓抗性进化。
