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    草甘膦是一種滅生性除草劑,由于長期和大量施用草甘膦,已經(jīng)導致作物田至少48類雜草對草甘膦產(chǎn)生了抗藥性。草甘膦主要是通過其通體運輸進而遍布植物的分生組織以發(fā)揮除草效果,因而任何阻止草甘膦達到其靶標烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶(EPSPS)的機理,均可導致植物對草甘膦的抗藥性。二十多年前,世界上最先發(fā)現(xiàn)的抗草甘膦雜草正是由于其轉(zhuǎn)運能力減弱導致,而這也正是抗草甘膦雜草中最常見的非靶標抗性機理。目前對于雜草抗草甘膦的靶標(EPSPS)抗性機制的研究日益深入,但與非靶標或草甘膦轉(zhuǎn)運相關(guān)的抗性分子機理尚不清楚。ATP-binding cassette(ABC)轉(zhuǎn)運蛋白是一類依賴ATP水解供能的膜定位載體蛋白,可轉(zhuǎn)運激素、脂質(zhì)二級代謝物質(zhì)、外源毒性物質(zhì)等,但是其是否在植物對草甘膦的抗藥性中發(fā)揮作用仍不清楚。

    2021年4月13日,湖南農(nóng)業(yè)科學院柏連陽教授團隊與澳大利亞西澳大學余勤教授等在權(quán)威期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)正式發(fā)表了題為“An ABCC-type transporter endowing glyphosate resistance in plants”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)稗草的轉(zhuǎn)運蛋白EcABCC8,可在質(zhì)膜上將進入膜內(nèi)的草甘膦轉(zhuǎn)運至膜外以產(chǎn)生抗性,揭示了植物抗草甘膦的全新機制,并且進一步闡述了植物體內(nèi)ABC轉(zhuǎn)運蛋白的功能。

    稗草是世界性惡性雜草,為多個作物田的最主要雜草,嚴重影響作物產(chǎn)量,同時它也被列為我國農(nóng)田15 種危害嚴重的雜草之首。目前防范該雜草必須依靠化學除草劑,稗草已對許多除草劑產(chǎn)生抗藥性,目前除草劑抗性是世界性問題,嚴重威脅作物生產(chǎn)。

    該研究通過RNA-Seq分析來自抗草甘膦稗草種群的敏感和抗性單株的表達差異,成功鑒定并克隆到草甘膦抗性相關(guān)基因EcABCC8。轉(zhuǎn)基因水稻進一步證明過表達該基因可導致對草甘膦的抗性,利用基因編輯手段敲除水稻體內(nèi)的EcABCC8基因的同源基因可提高其對草甘膦的敏感性。還證實了豆科植物大豆和禾本科植物水稻、玉米中,EcABCC8基因的同源基因過表達后也能導致轉(zhuǎn)基因植株對草甘膦的抗性,表明這一功能很可能普遍存在于高等植物。通過分析抗性和敏感稗草種群的甲基化水平,發(fā)現(xiàn)EcABCC8的轉(zhuǎn)錄變異可能由甲基化水平的差異造成。進一步探討了ABCC8介導植物抗草甘膦的內(nèi)在生物學機制,與以往研究較多的液泡膜ABC轉(zhuǎn)運蛋白不同,該研究發(fā)現(xiàn)ABCC8主要定位于質(zhì)膜上,在細胞水平上將進入細胞內(nèi)的草甘膦轉(zhuǎn)運至質(zhì)膜外以降低毒性,這一原理與人體癌細胞的抗藥性機理相似。分子模擬法解析了草甘膦分子與稗草EcABCC8蛋白結(jié)構(gòu)上的相互作用,也證實了這一作用機制。

    該研究是雜草抗藥性以及ABC轉(zhuǎn)運蛋白研究領(lǐng)域的重要進展,不僅豐富了雜草抗藥性基礎(chǔ)理論,而且對應用遺傳手段逆轉(zhuǎn)雜草對草甘膦的抗藥性提供了理論依據(jù),對作物的耐草甘膦遺傳改良也具有重要指導價值。

    PNAS雜志在“In This Issue”環(huán)節(jié)提名特別推介該研究,PNAS雜志的科學作家/編輯Janelle Weaver以“植物轉(zhuǎn)運蛋白通過從細胞中泵出毒性物質(zhì)以導致除草劑抗性”(Transporter confers herbicide resistance in plants by extruding toxin from cells)為題進行評述,指出“潘浪等提供了證據(jù)表明ABC轉(zhuǎn)運蛋白可以參與植物對除草劑的抗性,它們也與人體對抗癌藥物的耐藥性有關(guān)”(Lang Pan et al. provide evidence that herbicide resistance in plants can be mediated by ABC transporters, which are also implicated in anticancer drug resistance in humans)；“這一分子機理與癌細胞所用相似,都是通過ABC轉(zhuǎn)運蛋白泵出化學治療藥并導致對其抗性”(This molecular mechanism is similar to that used by cancer cells, which use ABC transporters to extrude and resist chemotherapeutic drugs)。