綠色農藥全國重點實驗室在廣譜抗除草劑基因分子設計研究領域取得重要進展

華大在線訊（通訊員 董進）近日，我校綠色農藥全國重點實驗室（華中師范大學）楊光富課題組在《美國國家科學院院刊（PNAS）》在線發表題為“An artificially evolved gene for herbicide-resistant rice breeding”的研究論文。該研究報道了一種廣譜抗除草劑的新基因，能夠賦予水稻對HPPD類除草劑的廣譜抗性，該基因對作物育種具有重要的意義，應用前景廣闊。

水稻是全世界一半以上人口的主糧。在水稻種植中，使用除草劑是防控雜草最經濟有效的手段。但除草劑的長期使用會導致雜草抗藥性的發展，因此發現廣譜抗除草劑的新基因，并將其工程化成為分子育種研究面臨的一個關鍵挑戰。2019年，Science曾報道了一種對三酮類除草劑具有抗性的基因HIS1。然而，HIS1只在粳稻中才能正常表達，在秈稻中由于基因的缺失而無法表達。此外，由于HIS1降解三酮類除草劑的活性還不夠高，在實際生產中粳稻仍對大部分三酮類HPPD除草劑仍然較敏感，導致三酮類除草劑在水稻田無法得到實際應用。HSL是HIS1的同源蛋白，在粳稻、秈稻以及小麥、玉米、高粱等作物中均廣泛存在，但其降解三酮類除草劑的能力明顯弱于HIS1，且適應的底物范圍也較窄。因此，對HSL開展定向進化，設計對除草劑具有廣譜抗性的新基因，為抗除草劑作物分子育種提供新的基因資源，具有極其重要的理論和現實意義。

圖為基于結構的人工進化策略及其在水稻上的應用

針對這一挑戰，研究團隊率先成功解析了HSL與HPPD除草劑的復合物晶體結構，揭示了HSL與底物的結合模式，發現了對催化反應起重要作用的4個氨基酸殘基。為提高HSL的催化效率，研究人員利用點突變產生了單重突變到四重突變的水稻HSL（OsHSL1）突變體M1-M10，并系統評估了它們對三酮類除草劑的催化活性，其中M10與HIS1的催化活性總體相當，但其催化降解甲基喹草酮（MBQ）的能力優于HIS1。為考察突變體實際應用價值，研究團隊以中花11為母本，構建了可穩定遺傳的抗除草劑轉基因水稻，并系統評價了其抗性水平。結果表明，表達OsHSL1-M10的品系對MBQ具有顯著抗性，相比表達OsHSL1-WT的品系，抗性水平提高了32倍，這為抗除草劑水稻育種提供了新基因，也為MBQ應用防控雜草稻等稻田惡性雜草奠定了基礎。

本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及湖北省重點研發計劃項目的支持。我校董進博士、于欣禾博士和湖北時珍實驗室董江清研究員為本文的共同第一作者，我校楊光富教授和林紅艷副教授為共同通訊作者，綠色農藥全國重點實驗室（華中師范大學）為唯一通訊單位。

（審讀人：楊光富）

文章鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2407285121