有機(jī)化學(xué)除草劑的發(fā)現(xiàn)和大規(guī)模地應(yīng)用,是20世紀(jì)發(fā)生的農(nóng)業(yè)綠色革命最重要的標(biāo)志之一,極大地改變了農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)方式,促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化,為保障全球糧食生產(chǎn)安全作出了巨大貢獻(xiàn)。迄今,全 球已經(jīng)發(fā)展出 30 余個(gè)大類、20多個(gè)作用靶標(biāo)、約400～500個(gè)化學(xué)除草劑品種的雜草化學(xué)防除產(chǎn)品技術(shù)體系。但隨著社會(huì)文明的進(jìn)步和公眾健康意識(shí)的提高,廣泛、長(zhǎng)期、大量使用化學(xué)除草劑所帶來(lái)的負(fù)面影響 亦日益顯現(xiàn),倍受全球關(guān)注。一方面,大量化學(xué)除草劑的施用帶來(lái)了環(huán)境污染。另一方面,過(guò)度依賴和長(zhǎng)期大量使用單一除草劑,導(dǎo)致了雜草抗藥性的產(chǎn) 和發(fā)展。據(jù)最新統(tǒng)計(jì),全球已發(fā)現(xiàn) 244 種(142 種雙子葉,102 種單子葉)雜草的 447 個(gè)生物型對(duì) 22 類 作用位點(diǎn)的 156 種化學(xué)除草劑產(chǎn)生了抗藥性。因此,研制廣譜、高效、低毒新型綠色除草劑特別是發(fā)展生物除草劑顯得十分迫切！

圖1,抗各種除草劑的物種數(shù)量統(tǒng)計(jì)(2009年)

  β-三酮類除草劑(bTHs)是4-羥基苯丙酮酸雙加氧酶(HPPD)抑制劑,廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。 開(kāi)發(fā)用于稻田中雜草控制的bTH苯并雙環(huán)(BBC)顯示出對(duì)抗其他類型除草劑(包括磺酰脲)的稻雜草的功效。然而,一些高產(chǎn)水稻品種對(duì)BBC敏感,未能鑒定導(dǎo)致BBC敏感性的基因,使未來(lái)的水稻育種計(jì)劃面臨風(fēng)險(xiǎn)。因此該研究著手鑒定決定BBC抗性或敏感性的水稻基因。

該研究人員確定了一種水稻基因HIS1(HPPD抑制劑敏感1),它賦予水稻對(duì)BBC和其他β-三酮類除草劑的抗性。HIS1編碼Fe(II)/ 2-氧戊二酸依賴性加氧酶,其通過(guò)催化它們的羥基化來(lái)解毒β-三酮類除草劑。通過(guò)擬南芥中的基因轉(zhuǎn)化和水稻his1突變體證實(shí)了HIS1蛋白的這種功能。鑒于HIS1作為單個(gè)基因起到解毒多種bTH的作用,其在分子作物育種中的應(yīng)用將支持除草劑選擇的多樣性。

粳稻BBC抗性基因的鑒定

由HIS1催化的酶反應(yīng)

另外,該研究還在水稻中鑒定了第二種除草劑抗性基因OsHSL1(HIS1同源基因),并顯示強(qiáng)制OsHSL1表達(dá)使擬南芥對(duì)TFT具有抗性。鑒于抗HPPD抑制劑的雜草的傳播與抗其他除草劑的雜草相比仍然有限,例如5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶抑制劑和乙酰乳酸合成酶抑制劑,將bTH與HIS1或OsHSL1一起應(yīng)用適用于農(nóng)田雜草控制。

HIS1及其相關(guān)蛋白的系統(tǒng)發(fā)育分析

各轉(zhuǎn)基因植物對(duì)除草劑易感性

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/365/6451/393