在过去的三十年里，除草剂抗性杂草一直是美国农业生产中面临的严峻挑战。其中，长芒苋（Palmer Amaranth, Amaranthus palmeri）以其生长迅速、繁殖力强、易产生抗药性而闻名，被列为最具威胁性的恶性杂草之一。近年来，这种“超级杂草”的足迹已不再局限于美国中西部和南部传统农业区，开始向新的地域扩散。太平洋西北地区（Pacific Northwest, PNW）作为重要的小麦、豆类等作物产区，也未能幸免。长芒苋的入侵对该地区的农业生产构成了潜在威胁，但当时对其在当地种群对常用除草剂的敏感性状况以及潜在的抗性机制知之甚少。这种知识空白使得农民难以制定有效的防控策略，一旦抗性种群建立并蔓延，可能导致作物严重减产和经济损失。
在此背景下，明确长芒苋在PNW地区的除草剂抗性现状成为当务之急。研究人员迫切需要回答几个关键问题：新入侵的PNW长芒苋种群是否已经对广泛使用的草甘膦（glyphosate）产生了抗性？如果存在抗性，其抗性水平如何？抗性背后的分子机制是什么？除了草甘膦，这些种群对其他作用机理不同的除草剂（如2,4-D、麦草畏（dicamba）、甲基磺草酮（mesotrione）、草铵膦（glufosinate）和苯嘧磺草胺（saflufenacil））的敏感性又如何？哪些除草剂能有效控制这些种群？为了回答这些问题，一项针对性的研究在爱达荷州金伯利展开，其成果发表在《Weed Technology》期刊上。
研究人员主要运用了几项关键技术：于2023年和2024年在PNW进行广泛实地调查，收集长芒苋种子和叶片样本；利用温室剂量反应生物测定法（dose-response bioassay）评估不同种群对多种除草剂的反应，并计算有效控制90%杂草的剂量（ED90）；通过5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合酶（EPSPS）基因拷贝数分析（gene duplication analysis），从分子层面确认草甘膦抗性机制。
温室剂量反应生物测定
研究人员在2024年夏季进行了温室实验，对收集到的长芒苋种群进行了详细的剂量反应评估。结果表明，草甘膦抗性在PNW的长芒苋种群中非常普遍。与敏感的对照种群相比，疑似抗性种群达到90%控制率（ED90）所需的草甘膦剂量高出20至63倍，这表明抗性水平相当高。此外，研究还观察到这些种群对2,4-D、麦草畏和甲基磺草酮的敏感性有所降低。然而，与此形成鲜明对比的是，草铵膦和苯嘧磺草胺在所有测试的PNW长芒苋种群中都表现出了优异的防治效果，能够有效地控制这些杂草。
EPSPS基因扩增分析
为了从遗传学角度证实草甘膦抗性，研究人员对采集的叶片组织进行了EPSPS基因拷贝数分析。EPSPS是草甘膦的作用靶点，该基因的扩增是长芒苋对草甘膦产生抗性的主要机制之一。分析结果显示，在23个长芒苋组织样本中，约有74%（17份样本）存在EPSPS基因的扩增现象。其中，一些 glyphosate-resistant populations 的EPSPS基因拷贝数甚至高达150个。特别值得注意的是，对那些在双倍田间推荐剂量（2X rate, 2,520 g ae ha-1）的草甘膦处理下依然存活的植株进行基因分析，也检测到了高达150个EPSPS基因拷贝。这从分子水平上确凿地证明了这些种群对草甘膦的抗性是由EPSPS基因的大量扩增所介导的。
本研究通过系统的生物学测定和分子遗传学分析，确凿地证实了长芒苋在入侵太平洋西北地区后，已普遍存在对草甘膦的高水平抗性，且其主要抗性机制为EPSPS基因的显著扩增。同时，研究发现这些种群对其他几种除草剂（如2,4-D、麦草畏和甲基磺草酮）也表现出敏感性下降的趋势，这增加了未来杂草治理的复杂性。然而，研究也带来了积极的信号，即草铵膦和苯嘧磺草胺在当前背景下仍能有效防控这些抗草甘膦的长芒苋种群。这些发现具有重要的理论与实践意义。在理论层面，它揭示了外来入侵杂草抗性基因通过种子或其它途径在不同农业生态区传播的路径，表明PNW的抗性种群很可能源自美国其他已建立抗性的地区。在实践层面，该研究为PNW地区的农民和农业技术人员提供了关键的决策依据：首先，应避免继续单一依赖草甘膦防治长芒苋；其次，可以考虑将作用机理不同的高效除草剂如草铵膦和苯嘧磺草胺纳入综合防治方案中。总之，这项研究及时预警了长芒苋对PNW农业的潜在威胁，并为制定科学、可持续的抗性杂草治理策略奠定了坚实基础，对保障该地区农业生产的可持续发展至关重要。
