杂草大米通过快速进化变得具有除草剂抗性

在发表在《通信生物学》杂志上的一篇论文中，来自圣路易斯华盛顿大学和阿肯色大学的科学家报告说，一种名为杂草水稻的作物害虫在种植抗除草剂的水稻的地区已经变得具有广泛的除草剂抗性。该研究强调了稻农在与理想作物植物密切相关的杂草敌人作斗争时面临的挑战。

基因调查是在阿肯色州稻田中收集的样本进行的，该州近50%的水稻种植在那里。

杂草稻是作物水稻的密切相关的表亲。它与田间栽培水稻积极竞争，导致产量损失和收成质量下降，损害市场价值。据估计，杂草水稻的侵扰每年在造成4500万美元的经济损失，在全世界造成数亿美元的损失。

生物学家使用48种当代杂草水稻植物的全基因组序列来展示除草剂抗性如何通过作物水稻的基因流动而进化。农业杂草中除草剂耐药性的几乎所有其他病例都是由于杂草物种中耐受基因型的选择造成的。在南部首次采用抗除草剂水稻仅20年后，大多数有抗除草剂水稻种植历史的田地都有杂草水稻植物，这些水稻植物也是抗除草剂的。

“在近200年的历史中，杂草水稻与栽培水稻的杂交率非常低，”华盛顿大学艺术与科学生物学博士后研究员Marshall Wedger说。“我们发现，杂草水稻在除草剂压力下持续存在，少数杂交植物存活下来，从而获得了抗除草剂的性状。

“自2000年代以来，水稻种植的技术变革导致了一场彻底的基因革命，这些大米充斥着田地，”华盛顿大学生物学教授、该研究的资深作者Kenneth Olsen说。

“在过去的20年里，杂草水稻已经从与作物品种的遗传差异很大，到现在主要来自作物杂草杂交，”奥尔森说。“杂草正在从作物中抓取某些对它们有益的性状，包括除草剂抗性。

杂草抓住时机

杂草大米是全世界栽培水稻生产的祸害。但直到2000年代初，田地里的杂草水稻很少与这个国家普遍种植的大米杂交。

农作物水稻和杂草稻是同一物种，因此它们能够杂交或杂交。它们的杂交率通常很低，通常不到1%，因为水稻是自花授粉的。

但发生了一些事情，改变了这两种密切相关的植物之间数百年来的动态。从2000年代初开始，农田采用了两种新的作物水稻。一种是新的杂交水稻，与传统的自交(自花授粉)水稻品种相比，产量大大提高。另一种是一种新的，经过调整，可以耐受某种除草剂。这些所谓的Clearfield品种允许农民种植水稻，然后将化学品施用于他们的田地，以杀死杂草水稻和其他农业杂草，而不会损害作物。

早在2004年，即新水稻在当地采用仅两年后，阿肯色州的农民就已经报告了杂草大米中除草剂抗性病例。这种抗性植物可能与抗除草剂的水稻杂交。

“这种情况有点类似于人类健康和抗生素耐药性细菌病原体的出现。抗生素的广泛使用最终强烈选择耐药菌株的快速进化，“Olsen说。“对于杂草大米，抗除草剂杂草在抗除草剂大米首次商业化后的几年内被发现。

它是如何发生的?为了使基因从作物流向杂草相对发生，两者必须在足够近的物理距离内生长，以便花粉转移。

“抗除草剂的杂草水稻植物是与耐除草剂作物杂交的产物，”阿肯色大学杂草生理学教授Nilda Roma Burgos说，该研究的合着者。“当杂草水稻没有被除草剂100%控制时，就会发生异型杂交，而剩余的杂草水稻植物与耐除草剂的水稻作物同时开花。

水稻和杂草水稻肯定生长在同一片田地里。然而，正是杂交水稻生产志愿者的讨厌习惯 - 即成功开发和丢弃越冬的种子，然后在随后的几年中作为新植物出现 - 为杂草水稻打开了一扇门。

作物志愿者长大后表现出可变的性状，包括开花时间的变化，这使得他们更有可能用杂草水稻交换花粉。

“作为去驯化的杂草亲戚，杂草水稻一直能够与栽培水稻杂交。根据我们的结果，这种杂交能力是导致我们今天看到的大多数除草剂抗性的原因，“Wedger说。

对于种植者来说，这是充满挑战的一年

这项新研究的结果是在阿肯色州稻农面临独特挑战的一年中报告的。全球供应链的问题，以及化肥等关键作物投入的成本增加，使水稻种植变得更加困难和昂贵。

与此同时，全球气候变化正在对水稻种植时间产生局部影响。今年，农民不得不在一个大大缩短的窗口期内进行为期四周的种植。同样在今年，阿肯色州东北部的夜间气温在7月和8月期间居高不下，可能对水稻产量产生负面影响。只有时间才能告诉我们，从本月开始，2022年的收成会带来什么。

然而，有一件事是肯定的：杂草大米对除草剂施用的快速适应是另一个例子，说明依赖单一的农业害虫控制方法的危险，研究作者说。

“抗性杂草水稻种群积累到除草剂不再有用的程度取决于生产者如何管理耐除草剂的水稻技术，”Roma Burgos说。“有最好的管理实践指南，可以帮助种植者在很长一段时间内避免抗性进化，如果实施的话。

“就像抗生素耐药性一样，对这种特殊除草剂的耐药性上升将受到一种依赖新除草剂的新技术的欢迎，”Wedger说。“新的抗除草剂品种已经在开发中，所以我预计这个过程会重复。

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