P450介導的除草劑交互抗性: Stephen Powles團隊在黑麥草中成功克隆到除草劑交互抗性基因CYP81A10v7!

2021-02-23 植物微生物最前線

農田雜草是造成作物減產的主要因素，嚴重威脅到世界糧食生產。除草劑是雜草治理的有效手段。但是長期使用除草劑對雜草的抗藥性進化形成了強大的選擇壓，導致主要農田雜草的抗藥性日趨嚴重。到目前為止，全球範圍內抗藥性已經在262種雜草中被報導。除草劑的抗性機理一般包括靶標抗性和非靶標抗性。非靶標抗性指雜草通過加速除草劑分解代謝（代謝抗性），減少除草劑吸收和運輸以及增加向液泡的分泌來減少其對靶標分子的結合。在雜草中，代謝抗性是最常見的除草劑非靶標抗性機理。許多植物體內大型基因家族包括細胞色素P450, GST, GT，AKR，ABC transporter和esterase可能參與除草劑的代謝解毒。在長期強大的除草劑選擇壓下，某類代謝基因通過高表達可導致代謝抗性的進化。由於編碼P450的基因佔整個植物基因組的1%. 而且能結合的底物多。所以P450是導致雜草對除草劑的代謝抗性及交互抗性的主要超大型基因家族之一。

 

在澳大利亞，黑麥草（Lolium rigidium）是農田最重要的一類雜草。由於嚴格的自交不親和性和豐富的遺傳多樣性，除草劑代謝抗性,特別是對ALS和ACCase抑制劑類除草劑在黑麥草中相當普遍。早期許多研究證明黑麥草中的除草劑的代謝抗性主要是由P450基因家族調控的，但是對於抗性基因的挖掘進展非常緩慢。

 

2020年10月24日，The Plant Journal在線發表了西澳大學澳大利亞除草劑抗性研究中心Stephen Powles團隊題為「Cytochrome P450 CYP81A10v7 in Lolium rigidum confers metabolic resistance to herbicides across at least five modes of action」的研究論文。該研究揭示了CYP81家族在不同雜草種群抗藥性方面的趨同進化，而且在嚴格異化授粉的黑麥草種具有多態性。

該團隊通過RNA-Seq對來自親本和F2群體的敏感和抗性單株進行全基因組差異性表達分析，首次成功的克隆了一個除草劑抗性基因細胞色素P450 CYP81A10v7。轉基因水稻進一步證明了該基因對ACCase抑制劑類除草劑禾草靈和苯草酮以及ALS抑制劑類除草劑氯磺隆具有很高的抗性（圖1）。此外，對HPPD 抑制劑類除草劑硝磺草酮，PSII抑制劑類除草劑秀去淨和綠麥隆，Tubulin抑制劑類除草劑氟樂靈具有一定的交互抗性。另外，轉基因水稻表現出和黑麥草類似的除草劑交互抗性模式（表1）。並顯著增強了對禾草靈和硝磺草酮的代謝能力。

圖1轉基因水稻表現出對ACCase和ALS除草劑很高的抗性


表1.除草劑劑量響應實驗證明轉基因水稻和抗性黑麥草相似的交互抗性


西澳大學澳大利亞除草劑抗性研究中心Stephen Powles 教授團隊韓和平研究員為論文的第一作者，Stephen Powles 教授和Yu Qin教授為共同通訊作者。浙江大學農業生物技術學院王尖博士參與了該項研究。該研究得到了澳大利亞研究委員會，德國拜爾公司和澳大利亞穀物研究和發展中心的基金資助。

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