近日，沈阳农业大学植物保护学院纪明山教授团队在生物科学大类二区期刊Plant Science（中科院2区，2023年影响因子5.363）发表题为“Mutation at the 197 site and P450-mediated metabolic resistance are involved in bensulfuron-methyl resistance in Sagittaria trifolia”的研究论文，揭示了野慈姑对苄嘧磺隆抗性的分子机制。
野慈姑（Sagittaria trifolia L.）是一种广泛分布于亚洲的多年生杂草。在中国辽宁省，该草通过争夺水、肥料和矿物质，严重威胁水稻的产量和质量。它通常以两种方式繁殖，有性繁殖（种子）和无性繁殖（球茎）。与种子相比，球茎在田间发芽率极高，危及水稻整个生育期。长期使用现有商业除草剂所带来的强大选择压力导致这种杂草出现强烈的抗药性，其中以抗ALS抑制剂类除草剂最为广泛。该除草剂会破坏ALS酶的功能，抑制支链氨基酸的生物合成，从而阻碍细胞有丝分裂，并最终导致杂草死亡。苄嘧磺隆是ALS抑制剂类除草剂中控制野慈姑最有效的除草剂。然而，随着抗药性的发展，这种除草剂正在失去控制野慈姑的主导地位。因此，研究并阐明野慈姑对苄嘧磺隆的抗性机制，这将有助于提高除草剂防除该种杂草的能力。
1. Pro-197-Ala突变是抗性种群主要的靶标抗性机制
在TR-1种群中，随机选取的10株植物中有9株的ALS基因存在Pro-197-Ala突变，Pro（CCC）被Ala（GCC）取代，表明靶标基因突变可能介导了TR-1抗性的发展。在进一步试验中发现，在不同剂量的苄嘧磺隆作用下，突变型拟南芥（M-ALS）的相对鲜重均高于敏感型（S-ALS）和野生型（WT）拟南芥。M-ALS和S-ALS对苄嘧磺隆的GR50分别为38.2和2.3 g a.i. ha−1（R/S为16.5），表明Pro-197-Ala取代可使转基因拟南芥对苄嘧磺隆的抗性增加16.5倍。分子对接结果显示，与WT_BSM（苄嘧磺隆处理后的野生型）相比，P197A_BSM（苄嘧磺隆处理后的Pro-197-Ala突变体）体系接触氨基酸残基数量增加，氢键消失，疏水作用可能是苄嘧磺隆小分子对Pro- 197-Ala突变蛋白的主要影响。这些结果表明，突变导致靶标酶的空间结构发生变化，进而影响其与除草剂的结合，并导致抗性的发生。
Fig. 1 Whole-plant dose–response testing of transgenic Arabidopsis thaliana to bensulfuron-methyl.
Fig. 2 Binding mode of P197A_BSM.
Fig. 3 Binding mode of WT_BSM.
2. 抗性种群对苄嘧磺隆具有代谢抗药性
马拉硫磷和除草剂协同处理后，TR-1种群的生长受到显著抑制，GR50值下降了57.7 %。这表明，TR-1的抗性可能与P450介导的代谢抗性有关。在吸收与代谢能力测定中。苄嘧磺隆在TR-1和S-1种群中的吸收水平相似。然而，TR-1植株中苄嘧磺隆的残留量明显低于TS-1植株，TR-1对苄嘧磺隆的代谢率明显高于TS-1。同时，我们观察到苄嘧磺隆和马拉硫磷的协同处理显著抑制了这一趋势。这些结果进一步证实了TR-1种群代谢能力的增强是抗性进化的主要原因。
Fig. 4 Dose–response curves of the aboveground dry weight of Sagittaria trifolia treated with bensulfuron-methyl + malathion.
Fig. 5 Relative bensulfuron-methyl uptake (A) and metabolism (B) outside the treated area in the TR-1 and TS-1 populations.
上述结果表明，野慈姑TR-1种群对苄嘧磺隆的高水平抗性可能是由靶标基因突变和代谢除草剂能力的增强引起的。
沈阳农业大学植物保护学院博士研究生邹益泽为本论文第一作者，纪明山教授为通讯作者，研究生曹诗函、关依迪、刘利茹，以及河北省农林科学院粮油作物研究所赵铂锤博士参与了本项研究。本研究得到了国家重点研发计划项目（2016YFD0200503-3）的资助。
