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植保所揭示牛筋草對草銨膦產(chǎn)生抗藥性的重要分子機(jī)理
近日，植保所雜草防控研究團(tuán)隊在雜草抗草銨膦分子機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展。研究論文A naturally evolved mutation (Ser-59-Gly) in glutamine synthetase confers glufosinate resistance in plants”于2022年1月21日，在國際知名植物學(xué)期刊Journal of Experimental Botany (IF 6.992)上公開發(fā)表。該研究首次報道了胞質(zhì)型谷氨酰胺合成酶（EiGS1-1）發(fā)生Ser-59-Gly突變是牛筋草對草銨膦產(chǎn)生抗藥性的重要分子機(jī)理。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所張純博士為論文第一作者，植保所田興山研究員和西澳大學(xué)余勤教授為共同通訊作者。
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，廣泛應(yīng)用于全球農(nóng)業(yè)和非耕地的雜草防治。近年來，隨著草甘膦抗性雜草進(jìn)化速度加快，部分國家地區(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(dǎo)致雜草抗性種群的進(jìn)化。草銨膦產(chǎn)銷量的增長，也增加了草銨膦抗性雜草進(jìn)化的風(fēng)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(shù)幾個種群中發(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抗逆性和競爭性的C4惡性雜草，易對除草劑產(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，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所田興山研究員團(tuán)隊與澳大利亞西澳大學(xué)余勤教授團(tuán)隊聯(lián)合開展牛筋草抗草銨膦分子機(jī)理研究。該研究從中國和馬來西亞的抗草銨膦種群中鑒定到一個胞質(zhì)型EiGS1-1蛋白發(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)；水稻遺傳轉(zhuǎn)化和體外酶活實驗驗證該突變基因的抗草銨膦功能；EiGS1-1蛋白突變體3D結(jié)構(gòu)模擬預(yù)測Ser-59-Gly突變對抗性的影響是間接的通過影響重要殘基(如結(jié)合位點glu297和非結(jié)合位點的Asp-56)的空間構(gòu)象實現(xiàn)的，這使得EiGS1-1蛋白突變后的催化特性不會發(fā)生較大改變，使牛筋草在獲得草銨膦抗性的同時不會產(chǎn)生嚴(yán)重的適合度代價，進(jìn)而促進(jìn)草銨膦抗性種群的進(jìn)化。
水稻遺傳轉(zhuǎn)化體系驗證EiGS1-1突變體抗草銨膦功能
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，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。研究得到了國家自然科學(xué)基金（31972282）、澳大利亞GRDC項目、廣東省科技計劃項目（2019B121201003）和廣東省農(nóng)科院創(chuàng)新戰(zhàn)略專項（202105TD, R2020PY-JX005）等項目的資助。
