雜草大米通過(guò)快速進(jìn)化變得具有除草劑抗性

在發(fā)表在《通信生物學(xué)》雜志上的一篇論文中，來(lái)自圣路易斯華盛頓大學(xué)和阿肯色大學(xué)的科學(xué)家報(bào)告說(shuō)，一種名為雜草水稻的作物害蟲在種植抗除草劑的水稻的地區(qū)已經(jīng)變得具有廣泛的除草劑抗性。該研究強(qiáng)調(diào)了稻農(nóng)在與理想作物植物密切相關(guān)的雜草敵人作斗爭(zhēng)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。

基因調(diào)查是在阿肯色州稻田中收集的樣本進(jìn)行的，該州近50%的水稻種植在那里。

雜草稻是作物水稻的密切相關(guān)的表親。它與田間栽培水稻積極競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致產(chǎn)量損失和收成質(zhì)量下降，損害市場(chǎng)價(jià)值。據(jù)估計(jì)，雜草水稻的侵?jǐn)_每年在造成4500萬(wàn)美元的經(jīng)濟(jì)損失，在全世界造成數(shù)億美元的損失。

生物學(xué)家使用48種當(dāng)代雜草水稻植物的全基因組序列來(lái)展示除草劑抗性如何通過(guò)作物水稻的基因流動(dòng)而進(jìn)化。農(nóng)業(yè)雜草中除草劑耐藥性的幾乎所有其他病例都是由于雜草物種中耐受基因型的選擇造成的。在南部首次采用抗除草劑水稻僅20年后，大多數(shù)有抗除草劑水稻種植歷史的田地都有雜草水稻植物，這些水稻植物也是抗除草劑的。

“在近200年的歷史中，雜草水稻與栽培水稻的雜交率非常低，”華盛頓大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)生物學(xué)博士后研究員Marshall Wedger說(shuō)。“我們發(fā)現(xiàn)，雜草水稻在除草劑壓力下持續(xù)存在，少數(shù)雜交植物存活下來(lái)，從而獲得了抗除草劑的性狀。

“自2000年代以來(lái)，水稻種植的技術(shù)變革導(dǎo)致了一場(chǎng)徹底的基因革命，這些大米充斥著田地，”華盛頓大學(xué)生物學(xué)教授、該研究的資深作者Kenneth Olsen說(shuō)。

“在過(guò)去的20年里，雜草水稻已經(jīng)從與作物品種的遺傳差異很大，到現(xiàn)在主要來(lái)自作物雜草雜交，”奧爾森說(shuō)。“雜草正在從作物中抓取某些對(duì)它們有益的性狀，包括除草劑抗性。

雜草抓住時(shí)機(jī)

雜草大米是全世界栽培水稻生產(chǎn)的禍害。但直到2000年代初，田地里的雜草水稻很少與這個(gè)國(guó)家普遍種植的大米雜交。

農(nóng)作物水稻和雜草稻是同一物種，因此它們能夠雜交或雜交。它們的雜交率通常很低，通常不到1%，因?yàn)樗臼亲曰ㄊ诜鄣摹?/p>

但發(fā)生了一些事情，改變了這兩種密切相關(guān)的植物之間數(shù)百年來(lái)的動(dòng)態(tài)。從2000年代初開(kāi)始，農(nóng)田采用了兩種新的作物水稻。一種是新的雜交水稻，與傳統(tǒng)的自交(自花授粉)水稻品種相比，產(chǎn)量大大提高。另一種是一種新的，經(jīng)過(guò)調(diào)整，可以耐受某種除草劑。這些所謂的Clearfield品種允許農(nóng)民種植水稻，然后將化學(xué)品施用于他們的田地，以殺死雜草水稻和其他農(nóng)業(yè)雜草，而不會(huì)損害作物。

早在2004年，即新水稻在當(dāng)?shù)夭捎脙H兩年后，阿肯色州的農(nóng)民就已經(jīng)報(bào)告了雜草大米中除草劑抗性病例。這種抗性植物可能與抗除草劑的水稻雜交。

“這種情況有點(diǎn)類似于人類健康和抗生素耐藥性細(xì)菌病原體的出現(xiàn)?？股氐膹V泛使用最終強(qiáng)烈選擇耐藥菌株的快速進(jìn)化，“Olsen說(shuō)。“對(duì)于雜草大米，抗除草劑雜草在抗除草劑大米首次商業(yè)化后的幾年內(nèi)被發(fā)現(xiàn)。

它是如何發(fā)生的?為了使基因從作物流向雜草相對(duì)發(fā)生，兩者必須在足夠近的物理距離內(nèi)生長(zhǎng)，以便花粉轉(zhuǎn)移。

“抗除草劑的雜草水稻植物是與耐除草劑作物雜交的產(chǎn)物，”阿肯色大學(xué)雜草生理學(xué)教授Nilda Roma Burgos說(shuō)，該研究的合著者。“當(dāng)雜草水稻沒(méi)有被除草劑100%控制時(shí)，就會(huì)發(fā)生異型雜交，而剩余的雜草水稻植物與耐除草劑的水稻作物同時(shí)開(kāi)花。

水稻和雜草水稻肯定生長(zhǎng)在同一片田地里。然而，正是雜交水稻生產(chǎn)志愿者的討厭習(xí)慣 - 即成功開(kāi)發(fā)和丟棄越冬的種子，然后在隨后的幾年中作為新植物出現(xiàn) - 為雜草水稻打開(kāi)了一扇門。

作物志愿者長(zhǎng)大后表現(xiàn)出可變的性狀，包括開(kāi)花時(shí)間的變化，這使得他們更有可能用雜草水稻交換花粉。

“作為去馴化的雜草親戚，雜草水稻一直能夠與栽培水稻雜交。根據(jù)我們的結(jié)果，這種雜交能力是導(dǎo)致我們今天看到的大多數(shù)除草劑抗性的原因，“Wedger說(shuō)。

對(duì)于種植者來(lái)說(shuō)，這是充滿挑戰(zhàn)的一年

這項(xiàng)新研究的結(jié)果是在阿肯色州稻農(nóng)面臨獨(dú)特挑戰(zhàn)的一年中報(bào)告的。全球供應(yīng)鏈的問(wèn)題，以及化肥等關(guān)鍵作物投入的成本增加，使水稻種植變得更加困難和昂貴。

與此同時(shí)，全球氣候變化正在對(duì)水稻種植時(shí)間產(chǎn)生局部影響。今年，農(nóng)民不得不在一個(gè)大大縮短的窗口期內(nèi)進(jìn)行為期四周的種植。同樣在今年，阿肯色州東北部的夜間氣溫在7月和8月期間居高不下，可能對(duì)水稻產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。只有時(shí)間才能告訴我們，從本月開(kāi)始，2022年的收成會(huì)帶來(lái)什么。

然而，有一件事是肯定的：雜草大米對(duì)除草劑施用的快速適應(yīng)是另一個(gè)例子，說(shuō)明依賴單一的農(nóng)業(yè)害蟲控制方法的危險(xiǎn)，研究作者說(shuō)。

“抗性雜草水稻種群積累到除草劑不再有用的程度取決于生產(chǎn)者如何管理耐除草劑的水稻技術(shù)，”Roma Burgos說(shuō)。“有最好的管理實(shí)踐指南，可以幫助種植者在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)避免抗性進(jìn)化，如果實(shí)施的話。

“就像抗生素耐藥性一樣，對(duì)這種特殊除草劑的耐藥性上升將受到一種依賴新除草劑的新技術(shù)的歡迎，”Wedger說(shuō)。“新的抗除草劑品種已經(jīng)在開(kāi)發(fā)中，所以我預(yù)計(jì)這個(gè)過(guò)程會(huì)重復(fù)。

標(biāo)簽：