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我國(guó)科研人員在雜草抗草銨膦分子機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展

責(zé)任編輯:左彬彬 來(lái)源:植物科學(xué)最前沿 日期:2022-01-25

 

草銨膦是一種非選擇、廣譜滅生性除草劑,具有除草活性高、除草譜廣及環(huán)境相容性好的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于全球農(nóng)業(yè)和非耕地的雜草防治。近年來(lái),隨著草甘膦抗性雜草進(jìn)化速度加快,部分國(guó)家地區(qū)百草枯禁用,以及抗草銨膦轉(zhuǎn)基因作物大面積推廣,全球范圍內(nèi)的草銨膦產(chǎn)銷量呈高增長(zhǎng)之勢(shì),目前已成為僅次于草甘膦的全球第二大滅生性除草劑。值得注意的是,長(zhǎng)期、單一的過(guò)度使用一種除草劑會(huì)不可避免的導(dǎo)致雜草抗性種群的進(jìn)化。草銨膦產(chǎn)銷量的增長(zhǎng),也增加了草銨膦抗性雜草進(jìn)化的風(fēng)險(xiǎn)。目前草銨膦抗性雜草還很少見(jiàn),僅在牛筋草、黑麥草等少數(shù)幾個(gè)種群中發(fā)現(xiàn),相關(guān)抗性機(jī)理研究較少,尚處于原始資料積累階段。明確雜草對(duì)草銨膦的抗性機(jī)理,有助于制定基于草銨膦的雜草科學(xué)防控策略,保障草銨膦產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。


牛筋草是一種具有強(qiáng)抗逆性和競(jìng)爭(zhēng)性的C4惡性雜草,易對(duì)除草劑產(chǎn)生抗藥性,是世界十大惡性雜草之一。2010年首次在馬來(lái)西亞發(fā)現(xiàn)抗草銨膦牛筋草種群,但抗性機(jī)理一直未明確。近年來(lái),廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所田興山研究員團(tuán)隊(duì)與澳大利亞西澳大學(xué)余勤教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開(kāi)展牛筋草抗草銨膦分子機(jī)理研究,取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究論文“A naturally evolved mutation (Ser-59-Gly) in glutamine synthetase confers glufosinate resistance in plants”于2022年1月13日,在國(guó)際知名植物學(xué)期刊Journal of Experimental Botany (IF 6.992)上在線發(fā)表。該研究首次報(bào)道了胞質(zhì)型谷氨酰胺合成酶(EiGS1-1)發(fā)生Ser-59-Gly突變是牛筋草對(duì)草銨膦產(chǎn)生抗藥性的重要分子機(jī)理。

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草銨膦是谷氨酰胺合成酶(GS, EC6.3.1.2)的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。谷氨酰胺合成酶是氮代謝的關(guān)鍵酶,是一個(gè)小基因家族,分為胞質(zhì)型(GS1)和質(zhì)體型(GS2)兩種,催化氨與谷氨酸結(jié)合生成谷氨酰胺。不同于C3植物中質(zhì)體型GS2含量較高,C4植物牛筋草中谷氨酰胺合成酶以胞質(zhì)型GS1為主。該研究以團(tuán)隊(duì)前期開(kāi)展的高質(zhì)量牛筋草基因組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),克隆獲得3 個(gè)牛筋草GS1(EiGS1-1,1-2,1-3)和1個(gè)GS2(EiGS2)基因;其中鑒定到表達(dá)量最高的胞質(zhì)型EiGS1-1蛋白在抗草銨膦牛筋草中發(fā)生Ser-59-Gly突變,且該突變基因型與草銨膦抗性表型顯著相關(guān);EiGS1-1突變基因轉(zhuǎn)化的水稻愈傷組織和幼苗均對(duì)草銨膦均具有顯著抗性;酵母EiGS1-1突變體重組純化蛋白比野生型EiGS1-1蛋白對(duì)草銨膦具有更強(qiáng)的耐受性;突變蛋白對(duì)催化特性沒(méi)有顯著影響,但提高了催化效率(Vmax/km)。EiGS1-1蛋白突變體3D結(jié)構(gòu)模擬預(yù)測(cè)Ser-59-Gly突變位于GS1蛋白的高保守元件DGSS上,但不是草銨膦的直接結(jié)合位點(diǎn),對(duì)抗性的影響是間接的通過(guò)影響重要?dú)埢?如結(jié)合位點(diǎn)glu297和非結(jié)合位點(diǎn)的Asp-56)的空間構(gòu)象實(shí)現(xiàn)的,這就使EiGS1-1蛋白突變后的催化特性不會(huì)發(fā)生較大改變,進(jìn)而使牛筋草在獲得草銨膦抗性的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的適合度代價(jià),促進(jìn)草銨膦抗性種群的進(jìn)化。此外,該研究還發(fā)現(xiàn)在地理位置相隔甚遠(yuǎn)的馬來(lái)西亞和中國(guó)抗草銨膦牛筋草種群均能鑒定到Ser-59-Gly突變,表明這種抗性突變有平行進(jìn)化的趨勢(shì)。

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水稻遺傳轉(zhuǎn)化體系驗(yàn)證EiGS1-1突變體抗草銨膦功能

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草銨膦與野生型(A)和突變型(B)EiGS1-1蛋白相互作用的結(jié)構(gòu)模擬

該研究首次揭示了早期田間進(jìn)化的抗草銨膦雜草靶標(biāo)抗性機(jī)理,為后續(xù)更深層次草銨膦抗性機(jī)理研究奠定了良好的基礎(chǔ)。同時(shí),研究結(jié)果也有助于進(jìn)一步了解植物氮代謝途徑中關(guān)鍵酶GS1的分子進(jìn)化特征和功能,為草銨膦抗性作物遺傳改良提供重要參考。

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