β-三酮类除草剂(bTHs)是4-羟基苯丙酮酸双加氧酶(HPPD)抑制剂,广泛应用于农业。开发用于稻田中杂草控制的bTH苯并双环(BBC)显示出对抗其他类型除草剂(包括磺酰脲)的稻杂草的功效。然而,一些高产水稻品种对BBC敏感,现未能鉴定导致BBC敏感性的基因,使未来的水稻育种计划面临风险。
Science 在线发表来自日本埼玉大学 Yuzuru Tozawa团队题为″A rice gene that confers broad-spectrum resistance to β-triketone herbicides″的研究论文,该研究鉴定了水稻基因HIS1(HPPD抑制剂敏感1)基因,其赋予水稻对BBC和其他β-三酮类除草剂的抗性。研究发现HIS1编码Fe(II)/ 2-氧戊二酸依赖性加氧酶,其通过催化它们的羟基化来解毒β-三酮类除草剂。
另外,该研究还在水稻中鉴定了第二种除草剂抗性基因OsHSL1(HIS1-like),并显示持续OsHSL1表达使拟南芥对TFT具有抗性。鉴于抗HPPD抑制剂的杂草的传播与抗其他除草剂的杂草相比仍然有限,例如5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶抑制剂和乙酰乳酸合成酶抑制剂,将bTH与HIS1或OsHSL1一起应用适用于农田杂草控制。
有机化学除草剂的发现和大规模地应用,是20世纪发生的农业绿色革命最重要的标志之一,极大地改变了农业劳动生产方式,促进了农业的现代化,为保障全球粮食生产安全作出了巨大贡献。迄今,全 球已经发展出 30 余个大类、20多个作用靶标、约400～500个化学除草剂品种的杂草化学防除产品技术体系。但随着社会文明的进步和公众健康意识的提高,广泛、长期、大量使用化学除草剂所带来的负面影响 亦日益显现,倍受全球关注。一方面,大量化学除草剂的施用带来了环境污染。另一方面,过度依赖和长期大量使用单一除草剂,导致了杂草抗药性的产 和发展。据最新统计,全球已发现 244 种(142 种双子叶,102 种单子叶)杂草的 447 个生物型对 22 类 作用位点的 156 种化学除草剂产生了抗药性。因此,研制广谱、高效、低毒新型绿色除草剂特别是发展生物除草剂显得十分迫切！
图1,抗各种除草剂的物种数量统计(2009年)
β-三酮类除草剂(bTHs)是4-羟基苯丙酮酸双加氧酶(HPPD)抑制剂,广泛应用于农业。 开发用于稻田中杂草控制的bTH苯并双环(BBC)显示出对抗其他类型除草剂(包括磺酰脲)的稻杂草的功效。然而,一些高产水稻品种对BBC敏感,未能鉴定导致BBC敏感性的基因,使未来的水稻育种计划面临风险。因此该研究着手鉴定决定BBC抗性或敏感性的水稻基因。
该研究人员确定了一种水稻基因HIS1(HPPD抑制剂敏感1),它赋予水稻对BBC和其他β-三酮类除草剂的抗性。HIS1编码Fe(II)/ 2-氧戊二酸依赖性加氧酶,其通过催化它们的羟基化来解毒β-三酮类除草剂。通过拟南芥中的基因转化和水稻his1突变体证实了HIS1蛋白的这种功能。鉴于HIS1作为单个基因起到解毒多种bTH的作用,其在分子作物育种中的应用将支持除草剂选择的多样性。
粳稻BBC抗性基因的鉴定
由HIS1催化的酶反应
另外,该研究还在水稻中鉴定了第二种除草剂抗性基因OsHSL1(HIS1同源基因),并显示强制OsHSL1表达使拟南芥对TFT具有抗性。鉴于抗HPPD抑制剂的杂草的传播与抗其他除草剂的杂草相比仍然有限,例如5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶抑制剂和乙酰乳酸合成酶抑制剂,将bTH与HIS1或OsHSL1一起应用适用于农田杂草控制。
HIS1及其相关蛋白的系统发育分析
各转基因植物对除草剂易感性