華大在線訊（通訊員 董進(jìn)）近日，我校綠色農(nóng)藥全國重點實驗室（華中師范大學(xué)）楊光富課題組在《美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）》在線發(fā)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?qū)ψ魑镉N具有重要的意義，應(yīng)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(jīng)濟有效的手段。但除草劑的長期使用會導(dǎo)致雜草抗藥性的發(fā)展，因此發(fā)現(xiàn)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(guān)鍵挑戰(zhàn)。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(dá)，在秈稻中由于基因的缺失而無法表達(dá)。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(chǎn)中粳稻仍對大部分三酮類HPPD除草劑仍然較敏感，導(dǎo)致三酮類除草劑在水稻田無法得到實際應(yīng)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(yīng)的底物范圍也較窄。因此，對HSL開展定向進(jìn)化，設(shè)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(xiàn)實意義。

圖為基于結(jié)構(gòu)的人工進(jìn)化策略及其在水稻上的應(yīng)用

針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊率先成功解析了HSL與HPPD除草劑的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，揭示了HSL與底物的結(jié)合模式，發(fā)現(xiàn)了對催化反應(yīng)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(chǎn)生了單重突變到四重突變的水稻HSL（OsHSL1）突變體M1-M10，并系統(tǒng)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(dāng)，但其催化降解甲基喹草酮（MBQ）的能力優(yōu)于HIS1。為考察突變體實際應(yīng)用價值，研究團隊以中花11為母本，構(gòu)建了可穩(wěn)定遺傳的抗除草劑轉(zhuǎn)基因水稻，并系統(tǒng)評價了其抗性水平。結(jié)果表明，表達(dá)OsHSL1-M10的品系對MBQ具有顯著抗性，相比表達(dá)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(yīng)用防控雜草稻等稻田惡性雜草奠定了基礎(chǔ)。

本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金以及湖北省重點研發(fā)計劃項目的支持。我校董進(jìn)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(nóng)藥全國重點實驗室（華中師范大學(xué)）為唯一通訊單位。

（審讀人：楊光富）

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