反枝苋ALS基因Ser653Asn突变赋予咪唑啉酮类除草剂高抗性的机制研究

《Weed Science》：Acetolactate Synthase Ser653 Asn mutation in Redroot Pigweed (Amaranthus retroflexus ) Gene Confers High Resistance to Imidazolinones

本刊推荐：为探究加拿大魁北克省和曼尼托巴省田间反枝苋（Amaranthus retroflexus）对乙酰乳酸合成酶（ALS）抑制剂类除草剂的抗性机制，研究人员通过靶向测序和剂量反应实验，首次在反枝苋中发现Ser653Asn和Ser653Ile两种ALS基因突变。结果表明，Ser653Asn突变导致对咪唑啉酮类除草剂（如imazethapyr）产生27.7至194.0倍的高水平抗性，但对磺酰脲类（如thifensulfuron-methyl）和嘧啶水杨酸类除草剂仍敏感。该研究为抗性杂草的早期分子检测和田间治理策略提供了重要依据。

　　

在现代农业中，杂草防控严重依赖化学除草剂，然而除草剂抗性杂草的不断涌现已成为全球作物生产的重大威胁。自1957年首次报道除草剂抗性案例以来，目前全球已有超过500种独特的抗性杂草生物型。其中，乙酰乳酸合成酶（Acetolactate Synthase, ALS）抑制剂类除草剂的抗性问题尤为突出，占所有抗性案例的160余例。这类除草剂包括磺酰脲类（Sulfonylureas）、咪唑啉酮类（Imidazolinones）、三唑并嘧啶类（Triazolopyrimidines）等五大化学家族，通过抑制植物体内必需的支链氨基酸合成关键酶ALS而发挥作用。

在加拿大，反枝苋（Amaranthus retroflexus L.）作为常见阔叶杂草，自1997年在安大略省首次发现对ALS抑制剂产生抗性以来，其抗性种群持续扩散。2016年，魁北克省圣路易斯-德冈萨格的一块身份保护大豆田中出现疑似抗性反枝苋种群，这些杂草在施用imazethapyr（咪唑啉酮类）和chlorimuron-ethyl（磺酰脲类）后仍能存活。与此同时，曼尼托巴省早前也报道过多个抗ALS抑制剂的反枝苋种群。为阐明其抗性机制，由Martin Laforest、Sampa Sarker等研究人员组成的团队开展了跨区域研究，成果发表在《Weed Science》上。

研究人员采用分子生物学与经典生理实验相结合的策略。首先通过PCR扩增和Sanger测序（魁北克种群）及Illumina iSeq 100测序系统（曼尼托巴种群）对ALS基因进行全长扫描，重点关注已知的8个抗性相关突变位点。随后利用剂量反应实验测定抗性指数（Resistance Factor, RI），即抗性种群与敏感种群的GR₅₀（半抑制生长剂量）比值，并通过马来硫磷（malathion）抑制试验检测细胞色素P450酶介导的非靶标抗性（Non-Target Site Resistance, NTSR）机制。

基因测序揭示新型突变位点

对魁北克（ArQc-R）和曼尼托巴（ArMB1、ArMB2、ArMB3）种群的ALS基因测序发现，所有抗性种群均存在第653位丝氨酸密码子的G→A突变，导致氨基酸由丝氨酸变为天冬酰胺（Ser653Asn）。

此外，在曼尼托巴ArMB3种群中，33%的个体（12株中的4株）还发现同一密码子的G→T突变（Ser653Ile），该突变在反枝苋中属首次报道。

抗性表型具有化学家族特异性

剂量反应实验表明，携带Ser653Asn突变的反枝苋对咪唑啉酮类除草剂imazethapyr呈现高水平抗性：魁北克种群的RI为8.55，曼尼托巴种群的RI范围达27.7-194.0。

但该类突变种群对磺酰脲类（chlorimuron-ethyl、nicosulfuron、thifensulfuron-methyl）和三唑并嘧啶类（flumetsulam）仍保持敏感，其RI值均接近1。而携带Ser653Ile突变的ArMB3种群对thifensulfuron-methyl呈现低水平抗性（相对于敏感对照ArSC1的RI=7.35）。

敏感种群差异揭示抗性评估复杂性

研究意外发现，曼尼托巴的两个敏感对照种群（ArSC1和ArSC2）对thifensulfuron-methyl的敏感性存在显著差异：ArSC2的GR₅₀比ArSC1低30倍，导致抗性指数计算结果悬殊。

这种差异未在imazethapyr处理中出现，且通过马来硫磷抑制试验和基因测序均未检测到NTSR机制或靶点突变，提示可能存在其他抗性机制（如ALS酶活性改变或靶点过表达）。

结论与展望

本研究首次在反枝苋中系统报道了ALS基因Ser653Asn和Ser653Ile突变导致的特异性抗性谱。Ser653Asn突变赋予对咪唑啉酮类的高水平抗性，但对其他ALS抑制剂家族仍敏感，这一特征为抗性管理中除草剂的轮换使用提供了依据。而敏感种群对磺酰脲类除草剂的响应差异警示，抗性评估需谨慎选择对照种群，避免误判抗性水平。未来需进一步探究P450酶以外的NTSR机制（如谷胱甘肽-S-转移酶或ABC转运蛋白）及ALS酶活性调控途径，以完善抗性综合治理策略。