手机版
微信
植保所揭示牛筋草对草铵膦产生抗药性的重要分子机理
近日，植保所杂草防控研究团队在杂草抗草铵膦分子机理研究方面取得重要进展。研究论文A naturally evolved mutation (Ser-59-Gly) in glutamine synthetase confers glufosinate resistance in plants”于2022年1月21日，在国际知名植物学期刊Journal of Experimental Botany (IF 6.992)上公开发表。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。广东省农业科学院植保所张纯博士为论文第一作者，植保所田兴山研究员和西澳大学余勤教授为共同通讯作者。
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。该研究从中国和马来西亚的抗草铵膦种群中鉴定到一个胞质型EiGS1-1蛋白发生Ser-59-Gly突变，且该突变基因型与草铵膦抗性表型显著相关；水稻遗传转化和体外酶活实验验证该突变基因的抗草铵膦功能；EiGS1-1蛋白突变体3D结构模拟预测Ser-59-Gly突变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，这使得EiGS1-1蛋白突变后的催化特性不会发生较大改变，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，进而促进草铵膦抗性种群的进化。
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。研究得到了国家自然科学基金（31972282）、澳大利亚GRDC项目、广东省科技计划项目（2019B121201003）和广东省农科院创新战略专项（202105TD, R2020PY-JX005）等项目的资助。
