【转】柏连阳院士团队潘浪课题组揭示播娘蒿DsUGT84A1基因参与苯磺隆代谢的新机制

近日，柏连阳院士团队潘浪课题组在The Plant Journal在线发表了题为“Pro-197-His/Ser mutation and the metabolic gene DsUGT84A1, synergistically confer resistance to tribenuron-methyl in Descurainia sophia”的研究论文，报道了一个全新的播娘蒿UGT基因DsUGT84A1，并揭示了该基因通过上调抗氧化相关基因表达、增强活性氧（ROS）清除能力，从而赋予播娘蒿抗药性的新机制。

在现代农业生产中，除草剂的使用是保障作物生长的重要措施，但其频繁使用易导致杂草产生抗药性。要有效治理抗除草剂杂草，关键在于深入解析其抗药性的内在机制。其中，杂草通过增强自身代谢能力以抵御除草剂作用的方式，属于代谢抗性范畴。从当前研究进展来看，针对杂草代谢抗性基因的研究，主要集中于细胞色素P450氧化酶（P450）和谷胱甘肽-S-转移酶（GST）这两类酶；相比之下，有关UDP-糖基转移酶（UGT）参与除草剂代谢的研究仍较为有限。

播娘蒿是一种十字花科阔叶杂草，广泛分布于中国东北、华北和西北地区，对冬小麦田构成严重威胁。目前，其防治主要依赖以苯磺隆为主的化学药剂，但在实际应用中，苯磺隆对播娘蒿的防效正逐年下降。研究团队对田间采集的疑似苯磺隆抗性播娘蒿种群进行了整株生物测定，结果显示，与敏感种群相比，抗性种群对苯磺隆的抗性指数高达35.20倍，表现出显著的高水平抗性。在靶标抗性机制研究中，发现抗性种群ALS基因第197位Pro突变为His或Ser。使用细胞色素P450氧化酶抑制剂马拉硫磷处理抗性种群后，其苯磺隆抗性出现部分逆转，进一步的高效液相色谱（HPLC）分析表明抗性种群对苯磺隆的代谢能力显著增强，这些结果表明代谢抗性也参与了该抗性种群对苯磺隆抗性的形成过程。随后经RNA-Seq和RT-qPCR验证，发现三个候选P450基因（CYP96A15、CYP81F1和CYP734A1）以及一个UDP-糖基转移酶基因（UGT84A1）的表达水平显著上调。将这些候选基因在拟南芥中进行异源表达，结果表明，过表达 DsUGT84A1的转基因拟南芥对苯磺隆的抗性显著提高。此外，研究还发现在过表达 DsUGT84A1的拟南芥中，抗氧化相关基因的表达上调，增强了ROS清除能力，从而介导了其对苯磺隆的抗性。相关研究深入揭示了 UGT 家族基因参与除草剂代谢抗性的作用机制，也为鉴定参与除草剂代谢抗性的关键酶类提供了新视角。

图1. DNA测序揭示播娘蒿抗性种群中ALS基因发生Pro-197-His/Ser突变

图2. 使用CYP450抑制剂（马拉硫磷，1000克有效成分/公顷）对播娘蒿抗性和敏感种群进行苯磺隆的全程量效分析。

图3. 播娘蒿抗性和敏感种群在处理后1、3、5、7、9和11天的苯磺隆残留量。

图4.过表达GFP与DsUGT84A1的拟南芥对苯磺隆敏感性的测定

(a) 所有培养皿中携带GFP和DsUGT84A1的拟南芥分布图。(b) 过表达GFP和DsUGT84A1的拟南芥的鲜重。(c) 转GFP基因或UGT84A1基因（84A1#2、84A1#5和84A1#6）的拟南芥对苯磺隆的生长响应。在处理后14天（施用剂量为0、0.633、1.26或2.53克有效成分/公顷）检查生长状况。幼苗在MS培养基上培养14天。CK-GFP：转GFP基因的拟南芥；84A1 #2、84A1 #5和84A1 #6：表达DsUGT84A1的不同转基因拟南芥株系。图(b)中的数据代表三次生物学重复的平均值。* 表示 P < 0.05，** 表示 P < 0.01，*** 表示 P < 0.001（依据Student's t检验）。

图5. 转UGT84A1 (84A1#2, 84A1#5, 84A1#6) 和CYP734A1 (734A1#6, 734A1#7, 734A1#13) 基因的拟南芥对ALS抑制类除草剂的敏感性。

图6. DsUGT84A1与拟南芥UDP-糖基转移酶家族基因的系统发育关系(a)和保守基序(b)。

图7.过表达GFP和DsUGT84A1的拟南芥植株中过氧化氢(a)和丙二醛(b)的含量。

在读博士研究生田骏晖和已毕业硕士研究生柏丁溢为论文的共同第一作者，柏连阳院士和潘浪教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目和国家产业技术体系等项目的资助。

https://doi.org/10.1111/tpj.70487

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/yBs1pkyBjMv6qC9KNLrroQ