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
责任编辑：左彬彬 来源：植物科学最前沿 日期：2022-01-25
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。草铵膦产销量的增长,也增加了草铵膦抗性杂草进化的风险。目前草铵膦抗性杂草还很少见,仅在牛筋草、黑麦草等少数几个种群中发现,相关抗性机理研究较少,尚处于原始资料积累阶段。明确杂草对草铵膦的抗性机理,有助于制定基于草铵膦的杂草科学防控策略,保障草铵膦产业可持续发展。
牛筋草是一种具有强抗逆性和竞争性的C4恶性杂草,易对除草剂产生抗药性,是世界十大恶性杂草之一。2010年首次在马来西亚发现抗草铵膦牛筋草种群,但抗性机理一直未明确。近年来,广东省农业科学院植保所田兴山研究员团队与澳大利亚西澳大学余勤教授团队联合开展牛筋草抗草铵膦分子机理研究,取得重要进展。相关研究论文“A naturally evolved mutation (Ser-59-Gly) in glutamine synthetase confers glufosinate resistance in plants”于2022年1月13日,在国际知名植物学期刊Journal of Experimental Botany (IF 6.992)上在线发表。该研究首次报道了胞质型谷氨酰胺合成酶(EiGS1-1)发生Ser-59-Gly突变是牛筋草对草铵膦产生抗药性的重要分子机理。
草铵膦是谷氨酰胺合成酶(GS, EC6.3.1.2)的竞争性抑制剂。谷氨酰胺合成酶是氮代谢的关键酶,是一个小基因家族,分为胞质型(GS1)和质体型(GS2)两种,催化氨与谷氨酸结合生成谷氨酰胺。不同于C3植物中质体型GS2含量较高,C4植物牛筋草中谷氨酰胺合成酶以胞质型GS1为主。该研究以团队前期开展的高质量牛筋草基因组数据为基础,克隆获得3 个牛筋草GS1(EiGS1-1,1-2,1-3)和1个GS2(EiGS2)基因；其中鉴定到表达量最高的胞质型EiGS1-1蛋白在抗草铵膦牛筋草中发生Ser-59-Gly突变,且该突变基因型与草铵膦抗性表型显著相关；EiGS1-1突变基因转化的水稻愈伤组织和幼苗均对草铵膦均具有显著抗性；酵母EiGS1-1突变体重组纯化蛋白比野生型EiGS1-1蛋白对草铵膦具有更强的耐受性；突变蛋白对催化特性没有显著影响,但提高了催化效率(Vmax/km)。EiGS1-1蛋白突变体3D结构模拟预测Ser-59-Gly突变位于GS1蛋白的高保守元件DGSS上,但不是草铵膦的直接结合位点,对抗性的影响是间接的通过影响重要残基(如结合位点glu297和非结合位点的Asp-56)的空间构象实现的,这就使EiGS1-1蛋白突变后的催化特性不会发生较大改变,进而使牛筋草在获得草铵膦抗性的同时不会产生严重的适合度代价,促进草铵膦抗性种群的进化。此外,该研究还发现在地理位置相隔甚远的马来西亚和中国抗草铵膦牛筋草种群均能鉴定到Ser-59-Gly突变,表明这种抗性突变有平行进化的趋势。水稻遗传转化体系验证EiGS1-1突变体抗草铵膦功能草铵膦与野生型(A)和突变型(B)EiGS1-1蛋白相互作用的结构模拟该研究首次揭示了早期田间进化的抗草铵膦杂草靶标抗性机理,为后续更深层次草铵膦抗性机理研究奠定了良好的基础。同时,研究结果也有助于进一步了解植物氮代谢途径中关键酶GS1的分子进化特征和功能,为草铵膦抗性作物遗传改良提供重要参考。
