一種新的草甘膦抗性機制
——基因復增

一種新的草甘膦抗性機制
——基因復增

編者按《PNAS》雜志上發表了美國科學家Todd A.Gaines等對從美國喬治亞州獲得的具有草甘膦抗性的紅根莧(Amaranthuspolmeri)研究中，發現其獲得草甘膦抗性是通過一種全新的基因復增機制。這一發現對草甘膦這一全球最重要的除草劑的持續使用以及向作物轉草甘膦抗性基因技術的持續使用將產生重要影響。本刊特請南京農業大學雜草研究室毛嬋娟碩士摘要譯出該文，以供廣大雜草科學工作者參考。

草甘膦是一種廣譜、莖葉處理、內吸傳導型的滅生性除草劑。自抗草甘膦轉基因作物商業化以來，草甘膦的使用量持續增加，目前已占到整個除草劑市場的20%以上。草甘膦的大量使用對雜草種群造成了巨大的選擇壓力。美國科學家Todd A. Gaines等對從美國喬治亞州獲得的具有草甘膦抗性的紅根莧(Amaranthuspalmeri)進行了研究，發現其獲得草甘膦抗性是通過一種全新的基因復增機制。這一結果發表在《PNAS》雜志上。

草甘膦的分子靶標是葉綠體靶標酶5-烯醇式丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶(EPSPS)，它是莽草酸途徑的組成酶。具有草甘膦抗性的雜草種群的抗性機制是降低草甘膦的傳導或者EPSPS基因靶標位點發生突變。在小白酒草和黑麥草中普遍的抗性機制為降低草甘膦的傳導，這種機制所產生的抗性比EPSPS基因靶標位點突變所產生的抗性高7～11倍。在牛筋草、黑麥草以及一年生黑麥草中，EPSPS基因106位的脯氨酸發生突變，這種基因突變所產生的2～3倍的抗性已經足以使得雜草種群在草甘膦使用地區得以延續。目前，在草甘膦抗性雜草中增加EPSPS基因的表達量還沒有被證實作為一種草甘膦抗性機制。

Todd A. Gaines等研究發現，在一些雜草種群中EPSPS基因靶標位置突變可以產生2～3倍的草甘膦抗性，而在喬治亞州紅根莧中，通過PCR擴增獲得了草甘膦抗型和敏感型的紅根莧EPSPS cDNA的序列全長，進行序列分析，其106位的脯氨酸沒有發生突變。用0.4 kg/hm2的草甘膦對抗型和敏感型的紅根莧進行處理，8 h后，敏感型紅根莧出現了莽草酸的積累而抗型的沒有。采用定量RT-PCR檢測EPSPS基因的表達水平，參照基因為ALS，發現抗型紅根莧的EPSPS基因表達量比敏感型種群高出35倍。通過定量PCR發現，敏感型種群相對于ALS的基因拷貝數為1～1.3(n=12)，而抗型種群的EPSPS基因相對拷貝數為5～160(n=12)。擬F2種群對0.4 kg/hm2的草甘膦具有抗性。在擬F2種群中，EPSPS基因拷貝數與草甘膦抗性產生共分離現象。其中增加EPSPS基因相對拷貝數的個體在250 μmol/L草甘膦處理下不產生莽草酸的積累，說明在這濃度下對草甘膦具有抗性。擬F2中僅有1個EPSPS基因拷貝數的個體都產生了莽草酸的大量積累，說明它們對草甘膦敏感。采用定量RT-PCR對擬F2種群的EPSPS基因表達量進行測定，發現EPSPS與ALS基因拷貝數之比為1 ∶1的植株，EPSPS與ALS基因表達量也約為1 ∶1，EPSPS基因表達量隨著EPSPS基因拷貝數的增加而增加，且兩者之間存在顯著的相關性。通過免疫印跡法測定EPSPS蛋白表達量，在抗型、敏感型以及擬F2種群中，EPSPS信號強度與EPSPS基因組拷貝數存在顯著正相關。對EPSPS進行酶活測定，擬F2種群中的敏感型植株的EPSPS酶活遠低于抗型植株。EPSPS拷貝數大于1的樣品的IC50值與EPSPS拷貝數為1的樣品間不存在顯著性差異，說明草甘膦能同樣抑制抗性植株與敏感型植株體內的EPSPS酶活。通過原位雜交(FISH)確定復增的EPSPS基因在染色體上的定位與分布，觀察到FISH信號在抗性個體的整個基因組中都有分布，這表明復增的EPSPS基因是隨機地插入到紅根莧的基因組中?？剐灾仓甑腅PSPS基因平均拷貝數為77±14(n=12)。

Gaines等的研究結果表明，紅根莧獲得草甘膦抗性的機制是多條染色體上EPSPS基因多拷貝復增。EPSPS基因復增導致EPSPS基因的表達量、EPSPS酶的活性大大增加，從而對草甘膦產生抗性?；驈驮鍪窃谧匀话l生的雜草種群中產生的，這是一種新的雜草對草甘膦產生抗性的機制，對草甘膦這一全球最重要的除草劑的持續使用以及向作物轉草甘膦抗性基因技術的持續使用產生了威脅。

毛嬋娟(南京農業大學 雜草研究室)摘譯自Todd A. Gaines，et al. Gene amplification confers glyphosate resistance inAmaranthuspalmeri[J]. PNAS,2010,107:1029-1034.