我国科研人员在杂草抗草铵膦分子机理研究方面取得重要进展

作者：植物科学最前沿 2022/1/25 9:04:08

草铵膦是一种非选择、广谱灭生性除草剂，具有除草活性高、除草谱广及环境相容性好的特点，广泛应用于全球农业和非耕地的杂草防治。近年来，随着草甘膦抗性杂草进化速度加快，部分国家地区百草枯禁用，以及抗草铵膦转基因作物大面积推广，全球范围内的草铵膦产销量呈高增长之势，目前已成为仅次于草甘膦的全球第二大灭生性除草剂。值得注意的是，长期、单一的过度使用一种除草剂会不可避免的导致杂草抗性种群的进化。草铵膦产销量的

草銨膦是一種非選擇、廣譜滅生性除草劑，具有除草活性高、除草譜廣及環境相容性好的特點，廣泛應用于全球農業和非耕地的雜草防治。近年來，隨著草甘膦抗性雜草進化速度加快，部分國家地區百草枯禁用，以及抗草銨膦轉基因作物大面積推廣，全球范圍內的草銨膦產銷量呈高增長之勢，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，長期、單一的過度使用一種除草劑會不可避免的導致雜草抗性種群的進化。草銨膦產銷量的增長，也增加了草銨膦抗性雜草進化的風險。目前草銨膦抗性雜草還很少見，僅在牛筋草、黑麥草等少數幾個種群中發現，相關抗性機理研究較少，尚處于原始資料積累階段。明確雜草對草銨膦的抗性機理，有助于制定基于草銨膦的雜草科學防控策略，保障草銨膦產業可持續發展。

牛筋草是一種具有強抗逆性和競爭性的C4惡性雜草，易對除草劑產生抗藥性，是世界十大惡性雜草之一。2010年首次在馬來西亞發現抗草銨膦牛筋草種群，但抗性機理一直未明確。近年來，廣東省農業科學院植保所田興山研究員團隊與澳大利亞西澳大學余勤教授團隊聯合開展牛筋草抗草銨膦分子機理研究，取得重要進展。相關研究論文“A naturally evolved mutation (Ser-59-Gly) in glutamine synthetase confers glufosinate resistance in plants”于2022年1月13日，在國際知名植物學期刊Journal of Experimental Botany (IF 6.992)上在線發表。該研究首次報道了胞質型谷氨酰胺合成酶（EiGS1-1）發生Ser-59-Gly突變是牛筋草對草銨膦產生抗藥性的重要分子機理。

草銨膦是谷氨酰胺合成酶(GS, EC6.3.1.2)的競爭性抑制劑。谷氨酰胺合成酶是氮代謝的關鍵酶，是一個小基因家族，分為胞質型（GS1）和質體型（GS2）兩種，催化氨與谷氨酸結合生成谷氨酰胺。不同于C3植物中質體型GS2含量較高，C4植物牛筋草中谷氨酰胺合成酶以胞質型GS1為主。該研究以團隊前期開展的高質量牛筋草基因組數據為基礎，克隆獲得3 個牛筋草GS1（EiGS1-1，1-2，1-3）和1個GS2（EiGS2）基因；其中鑒定到表達量最高的胞質型EiGS1-1蛋白在抗草銨膦牛筋草中發生Ser-59-Gly突變，且該突變基因型與草銨膦抗性表型顯著相關；EiGS1-1突變基因轉化的水稻愈傷組織和幼苗均對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蛋白對草銨膦具有更強的耐受性；突變蛋白對催化特性沒有顯著影響，但提高了催化效率（Vmax/km）。EiGS1-1蛋白突變體3D結構模擬預測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合位點，對抗性的影響是間接的通過影響重要殘基(如結合位點glu297和非結合位點的Asp-56)的空間構象實現的，這就使EiGS1-1蛋白突變后的催化特性不會發生較大改變，進而使牛筋草在獲得草銨膦抗性的同時不會產生嚴重的適合度代價，促進草銨膦抗性種群的進化。此外，該研究還發現在地理位置相隔甚遠的馬來西亞和中國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化的趨勢。