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摘 要：本文围绕草甘膦作用机制和抗性的议题进行了探讨，概述了草甘膦的作用机制，阐述了草甘膦抗性杂草的现状，分析了植物对草甘膦的抗性作用机制，对甘膦抗性基因的研究进行了展望，供相关人士参考。
关键词：草甘膦;抗性;作用机制;基因研究
1 引言
草甘膦是化学除草剂的一种，自诞生和使用以来，草甘膦应用越来越普遍，在粮食农业生产领域起到了不容忽视的作用。由于该除草剂具有毒性低、使用性广、安全环保等特点，在市场中占据了有力地位，成为了目前市场中销售量最大的农药品种。
2 草甘膦的作用机制
在众多的除草剂中，草甘膦的化学特征在于，它是唯一一个以植物叶绿体中的烯醇式丙酮酞莽草酸-磷酸合成酶（EPSPS）为靶标分子基团的物质。由于EPSPS是一种存在广泛的蛋白酶，多分布于植物或真菌体内，因此成为除草剂类别中越来越常见的一种。EPSPS蛋白酶是莽草酸代谢过程中的重要化学酶，在植物生长过程中有十分活跃的表现，通常来说，莽草酸在植物干重总量中占到35%以上，因而在植物生长过程中发挥着十分重要的作用。EPSPS蛋白酶在莽草酸的代谢途径中，主要承担这催化作用，即促进磷酸烯醇丙酮酸和磷酸莽草酸生成烯醇式丙酮酞莽草酸-磷酸（EPSP）。这一环节在植物细胞生长代谢过程中影响关键，是决定激素合成以及此生代谢物生成的重要步骤。基于上述代谢过程，草甘膦除草剂的作用机理是通过竞争磷酸烯醇丙酮酸以及非竞争磷酸莽草酸的方式与植物体内细胞的EPSPS进行合成捆绑，继而产生EPSPS-磷酸莽草酸-草甘膦这一结构更加稳定的复合物，这样就可以大大降低EPSPS的活性，同时加快磷酸莽草酸的集聚，促进EPSPS-磷酸莽草酸-草甘膦复合物的生成，阻碍其他芳香族化合物的合成，导致植物细胞代谢受阻，植物生长受到抑制。
3 草甘膦抗性杂草的现状
对于大部分高等植物来说，草甘膦的抗性具有不同程度的体现，但是由于其作用机理是通过抑制或降低EPSPS的活性，因此草甘膦的选择性较弱，普适性较强，这也决定了草甘膦不能直接在田间农作物中使用，以免影响到正常农作物的生长。随着草甘膦技术研究的深入，越来越多的抗草甘膦农作物出现并得到生产实践的验证，草甘膦的抗性作用在积极面上得到更大的发挥，既能除杂草又不会损害到农作物生长，为农业产量提高和成本降低提供了有力的技术支持。但是，任何一种除草剂在长时间大量使用后，均会表现出不同程度的依赖性和耐药性。在草甘膦最初面世并投入应用的时间里，大约20年没有发现植物出现明显的抗性。造成这一表现的原因一方面是植物的生长演化及进化过程需要一段时间，另一方面研究人员对植物代谢草甘膦分子基因方面的认知较少不全面不深入，因而导致了抗草甘膦植物没有被发现。后来随着技术的发展和研究的深入，抗草甘膦植物被发现。如澳大利亚发现了抗草甘膦的硬直黑麦草;马来西亚发现持续使用草甘膦10年后，牛筋草抗药性提高了8倍以上;美国研究人员连续3年种植抗草甘膦大豆，发现小飞蓬对草甘膦的抗性提高了8倍以上;南非发现了抗草甘膦的硬直黑麦草。有研究人员对草甘膦抗性进行了分子鉴定，结果发现抗性生物型半致死浓度远远高于敏感生物型半致死浓度，这一结果说明杂草对草甘膦产生了明显的抗性。但是这不能阻止业内人员对草甘膦的研究，至于草甘膦是如何在莽草酸反应过程中运作的还没有明确和统一的说法。
4 植物对草甘膦的抗性作用机制
（1）靶点抗性机制
草甘膦的靶点抗性主要包括靶点EPSPS基因突变和靶点EPSPS基因扩增两大途径。其中靶点EPSPS基因突变又可以根据草甘膦敏感性的不同，将生物体内的EPSPS分成I型和Ⅱ型两类。I型主要存在于革兰氏阴性细菌内以及大部分植物细胞内，这一类型的EPSPS对草甘膦的存在十分敏感。Ⅱ型主要存在于某些天然的具有抗草甘膦性质的微生物中，以及部分革兰氏阳性细菌中，这一类型的EPSPS表现出对草甘膦较强的抗性。另一种靶点抗性机制是靶点EPSPS基因扩增。这种抗性机制在早期研究中表现出很高的不确定性，如有研究人员采用组织培养的方法来人为筛选抗草甘膦植物，结果发现烟草、大豆、胡萝卜等植物的细胞中EPSPS基因增殖倍数有明显的增加，但是在后代遗传表现中却十分不稳定。后来，有研究人员通过扩增EPSPS基因，再观察后代的遗传特征，发现在黑麦草繁殖过程中，EPSPS基因扩增在后代可以遗传。靶点EPSPS基因扩增机制也逐渐别越来越多的人接受，成为草甘膦抗性作用机制的一种。
（2）非靶点抗性机制
草甘膦的非靶点抗性机制主要包括以下几种途径：
吸收障碍：草甘膦通过植物叶片的表皮组织进入植物体内。但是这种进入途径与植物本身细胞中含有的蛋白载体有关。因此，从草甘膦作用的敏感性考虑，对草甘膦具有抗性的植物可能有一些特殊的叶面特征或组织微结构特征，如叶面积缩小、表皮气孔减少、蜡质层增加等特点，这些特点会导致草甘膦被植物表面吸收的效果。
传导受阻：草甘膦被植物吸收进入到植物体内后，会在光合作用下随着蔗糖的运输过程到达植物的各部分组织，从而为草甘膦作用的发挥创造前提条件。草甘膦达到植物的细胞分子的作用机制可能是初期通过扩散渗透的形式进入叶肉细胞，然后通过细胞间的融合分裂活动进入到韧皮部或木质部，之后进入到筛管结构中，草甘膦分子通过筛管到达分生组织。这样就可以发挥出草甘膦的作用。如果在草甘膦到达筛管的途径被阻碍，就会影响到草甘膦作用的发挥，表现为植物具有抗药性。有研究人员对抗草甘膦植物硬直黑麦草和敏感型的植物进行了对比实验，结果发现硬直黑麦草的EPSPS序列与敏感生物型的几乎相同，两种植物叶片对草甘膦的吸收效果相近，二者的最大区别在于，草甘膦在植物体内的传导效率和位置不同，硬直黑麦草体内的草甘膦主要集中在叶尖位置，而敏感生物型植物的草甘膦主要集中在植物根部。
氧化代谢：植物本身具有代謝作用，当除草剂被吸收进入到植物体内后会产生自发的抵御反应，如果除草剂被消解或活化则会导致除草剂效力降低或失效。比如典型的植物氧化代谢过程。在适当的氧化酶作用下草甘膦会被氧化为磷酸和肌氨酸、或者生成乙醛酸等物质，当存在黄素蛋白家族的氨基乙酸氧化酶时，草甘膦会被这一氧化酶氧化成乙醛酸和甲基磷酸，虽然具体的代谢途径和方式存在差异，但是均会导致草甘膦的失效。比如，有研究人员在转基因油菜中就成功应用了草甘膦氧化酶，通过这一氧化酶来提高抗草甘膦性能。
5 草甘膦抗性基因的研究展望
我国草甘膦技术研究起步晚，相关专利数量少，且多数专利都是建立在国外核心专利的基础上。因此，加强草甘膦作用机制和植物抗性的研究对于推动我国植物科学发展、保障农业生产安全有十分重要的意义。未来，随着草甘膦抗性基因的研究深入，转基因抗草甘膦作物将逐步商业化，在市场中有更良好的发展前景。
6 结语
目前关于草甘膦抗性的研究成为植物学和杂草学研究的热点之一。我国对草甘膦抗性的研究起步较晚。因此，加快对草甘膦作用机制和抗性问题的研究步伐对于发掘新的抗草甘膦材料，促进农业和林业等产业的发展有着十分重要的现实意义，值得业内人员重视。
参考文献
[1]除草剂草甘膦研究进展，陈绩源，徐泽伟，桂路露，《农业工程》，2016（06）
[2]一种新的草甘膦抗性机制——基因复增，毛婵娟，《杂草学报》，2011（03）
[3]草甘膦生物毒性研究进展，郭浩然，蔡文妍，刘炘，《职业卫生与应急救援》，2018（03）
关键词：草甘膦;抗性;作用机制;基因研究
1 引言
草甘膦是化学除草剂的一种，自诞生和使用以来，草甘膦应用越来越普遍，在粮食农业生产领域起到了不容忽视的作用。由于该除草剂具有毒性低、使用性广、安全环保等特点，在市场中占据了有力地位，成为了目前市场中销售量最大的农药品种。
2 草甘膦的作用机制
在众多的除草剂中，草甘膦的化学特征在于，它是唯一一个以植物叶绿体中的烯醇式丙酮酞莽草酸-磷酸合成酶（EPSPS）为靶标分子基团的物质。由于EPSPS是一种存在广泛的蛋白酶，多分布于植物或真菌体内，因此成为除草剂类别中越来越常见的一种。EPSPS蛋白酶是莽草酸代谢过程中的重要化学酶，在植物生长过程中有十分活跃的表现，通常来说，莽草酸在植物干重总量中占到35%以上，因而在植物生长过程中发挥着十分重要的作用。EPSPS蛋白酶在莽草酸的代谢途径中，主要承担这催化作用，即促进磷酸烯醇丙酮酸和磷酸莽草酸生成烯醇式丙酮酞莽草酸-磷酸（EPSP）。这一环节在植物细胞生长代谢过程中影响关键，是决定激素合成以及此生代谢物生成的重要步骤。基于上述代谢过程，草甘膦除草剂的作用机理是通过竞争磷酸烯醇丙酮酸以及非竞争磷酸莽草酸的方式与植物体内细胞的EPSPS进行合成捆绑，继而产生EPSPS-磷酸莽草酸-草甘膦这一结构更加稳定的复合物，这样就可以大大降低EPSPS的活性，同时加快磷酸莽草酸的集聚，促进EPSPS-磷酸莽草酸-草甘膦复合物的生成，阻碍其他芳香族化合物的合成，导致植物细胞代谢受阻，植物生长受到抑制。
3 草甘膦抗性杂草的现状
对于大部分高等植物来说，草甘膦的抗性具有不同程度的体现，但是由于其作用机理是通过抑制或降低EPSPS的活性，因此草甘膦的选择性较弱，普适性较强，这也决定了草甘膦不能直接在田间农作物中使用，以免影响到正常农作物的生长。随着草甘膦技术研究的深入，越来越多的抗草甘膦农作物出现并得到生产实践的验证，草甘膦的抗性作用在积极面上得到更大的发挥，既能除杂草又不会损害到农作物生长，为农业产量提高和成本降低提供了有力的技术支持。但是，任何一种除草剂在长时间大量使用后，均会表现出不同程度的依赖性和耐药性。在草甘膦最初面世并投入应用的时间里，大约20年没有发现植物出现明显的抗性。造成这一表现的原因一方面是植物的生长演化及进化过程需要一段时间，另一方面研究人员对植物代谢草甘膦分子基因方面的认知较少不全面不深入，因而导致了抗草甘膦植物没有被发现。后来随着技术的发展和研究的深入，抗草甘膦植物被发现。如澳大利亚发现了抗草甘膦的硬直黑麦草;马来西亚发现持续使用草甘膦10年后，牛筋草抗药性提高了8倍以上;美国研究人员连续3年种植抗草甘膦大豆，发现小飞蓬对草甘膦的抗性提高了8倍以上;南非发现了抗草甘膦的硬直黑麦草。有研究人员对草甘膦抗性进行了分子鉴定，结果发现抗性生物型半致死浓度远远高于敏感生物型半致死浓度，这一结果说明杂草对草甘膦产生了明显的抗性。但是这不能阻止业内人员对草甘膦的研究，至于草甘膦是如何在莽草酸反应过程中运作的还没有明确和统一的说法。
4 植物对草甘膦的抗性作用机制
（1）靶点抗性机制
草甘膦的靶点抗性主要包括靶点EPSPS基因突变和靶点EPSPS基因扩增两大途径。其中靶点EPSPS基因突变又可以根据草甘膦敏感性的不同，将生物体内的EPSPS分成I型和Ⅱ型两类。I型主要存在于革兰氏阴性细菌内以及大部分植物细胞内，这一类型的EPSPS对草甘膦的存在十分敏感。Ⅱ型主要存在于某些天然的具有抗草甘膦性质的微生物中，以及部分革兰氏阳性细菌中，这一类型的EPSPS表现出对草甘膦较强的抗性。另一种靶点抗性机制是靶点EPSPS基因扩增。这种抗性机制在早期研究中表现出很高的不确定性，如有研究人员采用组织培养的方法来人为筛选抗草甘膦植物，结果发现烟草、大豆、胡萝卜等植物的细胞中EPSPS基因增殖倍数有明显的增加，但是在后代遗传表现中却十分不稳定。后来，有研究人员通过扩增EPSPS基因，再观察后代的遗传特征，发现在黑麦草繁殖过程中，EPSPS基因扩增在后代可以遗传。靶点EPSPS基因扩增机制也逐渐别越来越多的人接受，成为草甘膦抗性作用机制的一种。
（2）非靶点抗性机制
草甘膦的非靶点抗性机制主要包括以下几种途径：
吸收障碍：草甘膦通过植物叶片的表皮组织进入植物体内。但是这种进入途径与植物本身细胞中含有的蛋白载体有关。因此，从草甘膦作用的敏感性考虑，对草甘膦具有抗性的植物可能有一些特殊的叶面特征或组织微结构特征，如叶面积缩小、表皮气孔减少、蜡质层增加等特点，这些特点会导致草甘膦被植物表面吸收的效果。
传导受阻：草甘膦被植物吸收进入到植物体内后，会在光合作用下随着蔗糖的运输过程到达植物的各部分组织，从而为草甘膦作用的发挥创造前提条件。草甘膦达到植物的细胞分子的作用机制可能是初期通过扩散渗透的形式进入叶肉细胞，然后通过细胞间的融合分裂活动进入到韧皮部或木质部，之后进入到筛管结构中，草甘膦分子通过筛管到达分生组织。这样就可以发挥出草甘膦的作用。如果在草甘膦到达筛管的途径被阻碍，就会影响到草甘膦作用的发挥，表现为植物具有抗药性。有研究人员对抗草甘膦植物硬直黑麦草和敏感型的植物进行了对比实验，结果发现硬直黑麦草的EPSPS序列与敏感生物型的几乎相同，两种植物叶片对草甘膦的吸收效果相近，二者的最大区别在于，草甘膦在植物体内的传导效率和位置不同，硬直黑麦草体内的草甘膦主要集中在叶尖位置，而敏感生物型植物的草甘膦主要集中在植物根部。
氧化代谢：植物本身具有代謝作用，当除草剂被吸收进入到植物体内后会产生自发的抵御反应，如果除草剂被消解或活化则会导致除草剂效力降低或失效。比如典型的植物氧化代谢过程。在适当的氧化酶作用下草甘膦会被氧化为磷酸和肌氨酸、或者生成乙醛酸等物质，当存在黄素蛋白家族的氨基乙酸氧化酶时，草甘膦会被这一氧化酶氧化成乙醛酸和甲基磷酸，虽然具体的代谢途径和方式存在差异，但是均会导致草甘膦的失效。比如，有研究人员在转基因油菜中就成功应用了草甘膦氧化酶，通过这一氧化酶来提高抗草甘膦性能。
5 草甘膦抗性基因的研究展望
我国草甘膦技术研究起步晚，相关专利数量少，且多数专利都是建立在国外核心专利的基础上。因此，加强草甘膦作用机制和植物抗性的研究对于推动我国植物科学发展、保障农业生产安全有十分重要的意义。未来，随着草甘膦抗性基因的研究深入，转基因抗草甘膦作物将逐步商业化，在市场中有更良好的发展前景。
6 结语
目前关于草甘膦抗性的研究成为植物学和杂草学研究的热点之一。我国对草甘膦抗性的研究起步较晚。因此，加快对草甘膦作用机制和抗性问题的研究步伐对于发掘新的抗草甘膦材料，促进农业和林业等产业的发展有着十分重要的现实意义，值得业内人员重视。
参考文献
[1]除草剂草甘膦研究进展，陈绩源，徐泽伟，桂路露，《农业工程》，2016（06）
[2]一种新的草甘膦抗性机制——基因复增，毛婵娟，《杂草学报》，2011（03）
[3]草甘膦生物毒性研究进展，郭浩然，蔡文妍，刘炘，《职业卫生与应急救援》，2018（03）