水稻β-三酮类除草剂广谱抗性基因的鉴定

名称：A rice gene that confers broad-spectrum resistance to β-triketone herbicides

期刊：Science

作者及其第一单位：Hideo Maeda, et al, Yuzuru Tozawa (日本国家农业与食品研究所)

DOI：10.1126/science.aax0379

为保证作物的正常产量，生产上通常会利用除草剂控制杂草的产生。但长期除草剂的应用会促使杂草出现抗药性，因此除草剂和除草剂抗性基因的综合利用对于作物育种具有重要的意义。

β-三酮类除草剂（b-Triketone herbicides , bTHs）通过抑制4-羟基苯丙酮酸双加氧酶（4-hydroxy-phenylpyruvate dioxygenase , HPPD) 活性，从而达到控制杂草的目的。双环磺草酮(bTH benzobicyclon, BBC)是β-三酮类除草剂的一种，在水田杂草控制中应用广泛。研究表明，一些高产的水稻品种对BBC敏感，因此在利用BBC控制水稻杂草时，容易造成水稻的死亡。

(A)  BBC及其水解产物BBC-OH的结构 (B)  BBC处理对Koshihikari, Momiroman 和Habataki 的影响  (C) BBC的浓度梯度对Koshihikari (HIS1) and Momiroman (his1) 的影响

研究者利用Tachisugata (抗BBC) 和Momiroman (BBC敏感)杂交产生的BC1F2进行初定位 ，并进一步利用Habataki (BBC敏感型，籼稻) 和Koshihikari (抗BBC，粳稻) 不断回交产生的染色体片段置换系进行高分辨率的定位。发现BBC的敏感性由一对隐形基因控制，且定位到2号染色体约116.4Kb的区间，其中包含11个候选基因，该基因的野生型命名为HIS1 (HPPD抑制剂敏感型1)。Os02g0280700编码351个氨基酸的Fe（II）/2-酮戊二酸依赖型加氧酶蛋白，序列分析发现BBC敏感型品种的第Ⅳ外显子缺失28bp，造成无义突变。BBC处理时，Os02g0280700 Tos17突变体NG6511和NF8046表现为白化表型。杂合突变体的自交后代的BBC敏感性和抗性与基因型完全连锁。此外，突变体对磺草酮和甲基磺草酮也很敏感。表明Os02g0280700是BBC和其他bTHs除草剂的抗性基因。

(D) HIS1的克隆 (E) BBC的浓度梯度对日本晴(NB, HIS1)和纯合突变体NG6511 and NF8046的影响 (F) 四个bTHs的结构 (G) bTHs对Nipponbare, NG6511 (NG)和NF8046 (NF)的影响。

水稻品种育种史表明HIS1的等位基因his1（28bp缺失）来源于Peta（籼稻），且主要存在与现代籼稻品种，而大多数的粳稻品种主要是HIS1基因。水稻中有6个HIS1-like基因(HSL),且高度保守。5个HSL(1/2/4/5/6)位于Chr6以基因簇的方式存在。进化分析表明，植物中的HSL基因可能拥有相同的功能。

HIS1及其相关蛋白进化分析

表达模式分析表明HIS1及HSL基因在不同的时期和组织表达模式不同，HIS1在幼苗的叶中显著表达，而OsHSL1在整个生育期的叶中高表达，而在根中低表达。

在his1 基因型水稻 (Yamadawara)和拟南芥中过表达HIS1，增强BBC和其他bTHs除草剂(SLT,MST,TMT和TFT)抗性，而过表达OsHSL1仅增强TFT除草剂抗性。表明HIS1和OsHSL1促进水稻的TFT抗性。

转基因株系的除草剂抗性测试

Yamadawara（BBC敏感型）中的BBC-OH研究表明，BBC-OH被根吸收然后转运到叶组织中，而转HIS1的Yamadawara植株叶中未检测到BBC-OH。表明HIS1可能是植物BBC-OH降解酶。

水稻BBC-OH含量检测

超高液相色谱(HPLC)和HPPD活性检测表明在Fe²⁺和2OG存在时HIS1催化BBC-OH代谢，BBC-OH有HPPD抑制能力，而BBC-OH代谢物没有HPPD抑制能力。液相色谱-电喷雾质谱（LC-ESI-MS）结果表明HIS1催化的代谢产物分子量比BBC-OH大16，表明结合了一个氧原子。HPLC and LC-ESI-MS分析表明HIS1可以使3-乙酰化-BOD（BBC-OH结构类似物）换变为羟基衍生物。NMR检测发现C8位置具有一个羟基，成为8OH-3-acetyl-BOD，且BBC-OH存在至少两种异构体。因此HIS1作为Fe(II)/2OG依赖型加氧酶在相应的位置羟基化BBC-OH。且HIS1可以通过同样的方式催化TFT,SLT和MST的羟基化。

HIS1催化的酶反应的鉴定

问题：

1、 植物中是否存在其他类型的除草剂抗性基因？若有，如何鉴定？

2、 植物是如何感知除草剂并做出反应的？

3、 杂草中抗除草剂的作用机制是否与作物一样？可以通过其差异性开发生物农药或降低杂草的抗药性？