除草剂抗性不再是科学家的黑匣子

当农业杂草对除草剂产生抗性时，它们会以两种方式之一进行。 在目标位点抗性中，植物遗传密码的微小突变意味着该化学物质不再适合它旨在攻击的蛋白质。 在非目标位点抗性中，植物会部署一整套酶，在化学物质造成伤害之前对其进行解毒。

目标位点抗性对科学家来说很容易。 他们知道目标蛋白质是什么，这意味着他们可以直接查看遗传密码来找出负责的突变。 但对于非目标站点的抵抗，这是一个猜谜游戏。 研究人员有时可以分辨出哪种酶可以使化学物质解毒，但他们对编码这些酶的基因几乎一无所知。 换句话说，非目标位点抗性是一个黑匣子。

伊利诺伊大学的一项研究首次以新的方式打开了这个盒子，确定了导致水麻中非目标位点除草剂抗性的基因区域。

“我们对水麻使用了一种带有参考基因组的遗传作图方法，该物种可导致玉米产量损失高达 70%，并且对七种除草剂作用方式具有抗性，”该系教授兼副主任 Pat Tranel 说。 伊利诺伊大学作物科学和该研究的合著者。 “我们能够将其缩小到基因组的两个区域，或大约 60 个基因。”

能够精确定位非目标位点抗性基因可以为早期检测和除草剂管理提供工具。

“我们最终希望开发一种检测方法，农民可以用它来判断他们田里的水麻是否对给定的化学物质有抵抗力，要么确认以前的应用程序不起作用的原因，要么在他们喷洒之前看看他们是否会浪费钱 ，”该研究的博士研究员和主要作者布伦特墨菲说。 “这些基因组检测存在于靶位点抗性，因为我们知道这些突变所在的基因组区域，但对于非靶位点抗性，我们直到现在都不知道去哪里寻找。

“现在我们知道负责的基因位于基因组的这两个小区域中的某个地方。所以我们已经进入了一个中间步骤，最终开发了一种检测方法，种植者可以用它来确定他们是否应该喷洒某种化学物质。”

研究人员专门寻找允许水麻避开 HPPD 抑制性除草剂的基因，例如 tembotrione，一种常用于种子玉米和其他生产系统的化学物质。

为了找到负责的基因组区域，他们与对 HPPD 抑制剂表现出抗性或敏感性的水麻植物交配。 然后他们将这些亲本植物的子代暴露于抑制 HPPD 的除草剂中，看看它们的表现如何。 由于完整的水麻基因组现已可用，因此他们能够寻找在 HPPD 抑制剂应用中幸存下来的植物之间的共性。

“你基本上会问一个问题，对于抗性植物，它们的基因组的哪一部分是共同的？这让你知道基因组的哪一部分控制着感兴趣的性状。使用这种称为遗传作图的方法，我们 确定了似乎与耐药性相关的两个基因组区域，”Tranel 说。

墨菲能够确定哪些植物具有这两个区域中的每一个，哪些植物同时具有。 这使他能够对基因区域的重要性进行排序。

“很多时候，我们知道一个性状是由两个基因控制的。但这是否意味着两个基因同等重要，或者一个基因负责 90%，另一个基因是 10%？这就是我们正在寻找的一部分 在性状的遗传结构中：基因的数量、它们的位置以及这些不同基因的相对重要性，”Tranel 说。 “在这里，我们看到了一个很好的逐步效果。如果你有一个区域，你有点抗拒。如果你有另一个区域，你有点抗拒。如果你两个都有？你很抗拒。本质上 就像抗拒的父母一样。”

虽然研究人员仍然不知道这 60 个基因中哪些对 HPPD 抑制剂抗性至关重要——他们已经考虑进行后续研究以进一步缩小搜索范围——但他们知道没有一个基因编码 p450 酶。 这些在多项研究中被认为是非目标位点抗性的关键参与者。

“虽然可能仍涉及 p450 酶，但我们的作图研究表明，导致抗性的变化发生在调节 p450 的基因中，而不是在 p450 基因本身中，”Tranel 解释说。

HPPD 抑制剂通常用于种子玉米和其他玉米生产系统，但有趣的是，它们并未用于研究人员为研究收集水麻的领域。

“以前没有这种化学物质的田间使用历史。所以，看到我们的人口对它有抵抗力真的很有趣。这是如何发展的？大多数情况下，您预计抵抗力会因某些原因而发展 选择压力的形式。但在这里，我们没有明显的压力，“墨菲说。

Tranel 认为对一类除草剂的非目标位点抗性可能会导致对其他类的交叉抗性。 研究中的人群对 2,4-D 具有抗性，这是一种可能引发对 HPPD 抑制剂抗性的另一类除草剂。

“为什么我们的植物对多种除草剂具有抗性？是否存在一些共同的基因组变化来促进这种抗性？理解这一点非常重要，因为我们试图向农民提供有关他们可以采取哪些措施来减轻非目标 - 站点阻力，因为它仍然有点像一个黑匣子，”Tranel 说。 “对于目标位点抗性，我们可以告诉他们使用具有不同作用模式的除草剂。但在非目标位点抗性中，不同的除草剂可能被例如以相同方式调节的不同 p450 代谢。这就是为什么 我们需要进一步解决这个问题，以提出更好、更明智的策略来减轻非目标位点的抵抗力。”

Tranel 预计，随着更多杂草基因组的出现，基因图谱将成为研究非目标位点抗性的支柱。

“最后，我们获得了真正深入了解代谢性除草剂抗性所需的工具，这是对当代杂草管理的最大威胁，”他说。

文章“内布拉斯加 Amaranthus tuberculatus 种群中 HPPD 抑制剂抗性的遗传结构”发表在 Pest Management Science 上。

More information: Brent P Murphy et al, Genetic architecture underlying HPPD ‐inhibitor resistance in a Nebraska Amaranthus tuberculatus population, Pest Management Science (2021). DOI: 10.1002/ps.6560

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