草甘膦是一种灭生性除草剂,由于长期和大量施用草甘膦,已经导致作物田至少48类杂草对草甘膦产生了抗药性。草甘膦主要是通过其通体运输进而遍布植物的分生组织以发挥除草效果,因而任何阻止草甘膦达到其靶标烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶(EPSPS)的机理,均可导致植物对草甘膦的抗药性。二十多年前,世界上最先发现的抗草甘膦杂草正是由于其转运能力减弱导致,而这也正是抗草甘膦杂草中最常见的非靶标抗性机理。目前对于杂草抗草甘膦的靶标(EPSPS)抗性机制的研究日益深入,但与非靶标或草甘膦转运相关的抗性分子机理尚不清楚。ATP-binding cassette(ABC)转运蛋白是一类依赖ATP水解供能的膜定位载体蛋白,可转运激素、脂质二级代谢物质、外源毒性物质等,但是其是否在植物对草甘膦的抗药性中发挥作用仍不清楚。

2021年4月13日,湖南农业科学院柏连阳教授团队与澳大利亚西澳大学余勤教授等在权威期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)正式发表了题为“An ABCC-type transporter endowing glyphosate resistance in plants”的研究论文。该研究发现稗草的转运蛋白EcABCC8,可在质膜上将进入膜内的草甘膦转运至膜外以产生抗性,揭示了植物抗草甘膦的全新机制,并且进一步阐述了植物体内ABC转运蛋白的功能。
 

稗草是世界性恶性杂草,为多个作物田的最主要杂草,严重影响作物产量,同时它也被列为我国农田15 种危害严重的杂草之首。目前防范该杂草必须依靠化学除草剂,稗草已对许多除草剂产生抗药性,目前除草剂抗性是世界性问题,严重威胁作物生产。该研究通过RNA-Seq分析来自抗草甘膦稗草种群的敏感和抗性单株的表达差异,成功鉴定并克隆到草甘膦抗性相关基因EcABCC8。转基因水稻进一步证明过表达该基因可导致对草甘膦的抗性,利用基因编辑手段敲除水稻体内的EcABCC8基因的同源基因可提高其对草甘膦的敏感性。还证实了豆科植物大豆和禾本科植物水稻、玉米中,EcABCC8基因的同源基因过表达后也能导致转基因植株对草甘膦的抗性,表明这一功能很可能普遍存在于高等植物。通过分析抗性和敏感稗草种群的甲基化水平,发现EcABCC8的转录变异可能由甲基化水平的差异造成。进一步探讨了ABCC8介导植物抗草甘膦的内在生物学机制,与以往研究较多的液泡膜ABC转运蛋白不同,该研究发现ABCC8主要定位于质膜上,在细胞水平上将进入细胞内的草甘膦转运至质膜外以降低毒性,这一原理与人体癌细胞的抗药性机理相似。分子模拟法解析了草甘膦分子与稗草EcABCC8蛋白结构上的相互作用,也证实了这一作用机制。该研究是杂草抗药性以及ABC转运蛋白研究领域的重要进展,不仅丰富了杂草抗药性基础理论,而且对应用遗传手段逆转杂草对草甘膦的抗药性提供了理论依据,对作物的耐草甘膦遗传改良也具有重要指导价值。

EcABCC8转运草甘膦并产生抗性的机制

PNAS杂志在“In This Issue”环节提名特别推介该研究,PNAS杂志的科学作家/编辑Janelle Weaver以“植物转运蛋白通过从细胞中泵出毒性物质以导致除草剂抗性”(Transporter confers herbicide resistance in plants by extruding toxin from cells)为题进行评述,指出“潘浪等提供了证据表明ABC转运蛋白可以参与植物对除草剂的抗性,它们也与人体对抗癌药物的耐药性有关”(Lang Pan et al. provide evidence that herbicide resistance in plants can be mediated by ABC transporters, which are also implicated in anticancer drug resistance in humans)；“这一分子机理与癌细胞所用相似,都是通过ABC转运蛋白泵出化学治疗药并导致对其抗性”(This molecular mechanism is similar to that used by cancer cells, which use ABC transporters to extrude and resist chemotherapeutic drugs)。

该研究的第一单位为湖南省农业科学院,柏连阳教授为通讯作者,柏连阳的博士后潘浪教授(现湖南农业大学植物保护学院工作)为论文第一作者,澳大利亚西澳大学余勤教授和Stephen Powles教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家产业技术体系、澳洲谷物研究发展组织等项目资助。