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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理
近日，植保所雜草防控研究團隊在雜草抗草銨膦分子機理研究方面取得重要進展。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化。草銨膦產(chǎn)銷量的增長，也增加了草銨膦抗性雜草進化的風(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(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隊與澳大利亞西澳大學(xué)余勤教授團隊聯(lián)合開展牛筋草抗草銨膦分子機理研究。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)生嚴重的適合度代價，進而促進草銨膦抗性種群的進化。
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化的抗草銨膦雜草靶標抗性機理，為后續(xù)更深層次草銨膦抗性機理研究奠定了良好的基礎(chǔ)。同時，研究結(jié)果也有助于進一步了解植物氮代謝途徑中關(guān)鍵酶GS1的分子進化特征和功能，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。
