鲍氏苋（Amaranthus powellii）对MCPA除草剂抗性机制的解析：ARF9基因突变与靶点修饰作用研究

本研究首次在加拿大安大略省发现的抗MCPA（2-甲基-4-氯苯氧乙酸）鲍氏苋种群中，通过14C示踪与RNA测序技术排除了非靶标抗性（NTSR）机制，并鉴定出ARF9基因中L557F突变可能通过破坏PB1结构域与Aux/IAA蛋白互作，导致泛素化过程受阻，从而赋予4.4倍抗性水平。该发现为合成生长素类除草剂（SAHs）靶标抗性（TSR）机制提供了新视角。

　　

引言

合成生长素类除草剂（SAHs）是农业生产中历史最悠久的除草剂类别之一，自20世纪40年代MCPA和2,4-D问世以来，被广泛用于单子叶作物中双子叶杂草的防治。其作用机制是通过模拟内源生长素（如IAA）活性，与F-box蛋白TIR1/AFB结合，促进Aux/IAA抑制蛋白的泛素化降解，从而激活生长素响应因子（ARFs）介导的基因表达，最终导致植物死亡。尽管在苋属植物中已发现多例SAHs抗性，但多数与细胞色素P450介导的代谢增强等非靶标抗性（NTSR）机制相关，靶标抗性（TSR）案例极为有限。

材料与方法

本研究以加拿大安大略省德累斯顿地区采集的MCPA抗性鲍氏苋种群（AMAPO 501）为材料，以敏感种群（AMAPO 511）为对照。通过¹⁴C-MCPA示踪实验定量分析吸收、转运和代谢差异；采用RNA测序技术对比处理组（1225 g a.e. ha^?1 MCPA）与未处理组的基因表达谱；基于平滑苋（Amaranthus hybridus）参考基因组和de novo转录组进行变异检测，并通过FreeBayes和IGV验证突变位点。

结果

吸收、转运与代谢特征

抗性与敏感种群在72小时内对¹⁴C-MCPA的吸收率（79%-91%）和转运分布（向基部组织富集）无显著差异。代谢实验显示两者均产生5种以上代谢产物，且母体化合物半衰期（t₅₀≈20 h）一致，表明NTSR机制未参与抗性形成。

转录组分析

RNA测序发现17个差异表达基因（DEGs）共同存在于所有对比组中。与抗性相关的下调基因包括：1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶（ACS）、小生长素上调RNA（SAUR36）和F-box蛋白At3g23880。这些基因均参与生长素信号通路的关键调控环节。

ARF9基因突变

在生长素响应因子ARF9中发现单核苷酸多态性（SNP），导致第557位亮氨酸替换为苯丙氨酸（L557F）。该位点位于PB1结构域的α1螺旋区，该区域介导ARF与Aux/IAA蛋白的静电互作。突变仅在抗性个体中出现，且可能影响二聚化过程。

讨论

本研究首次在苋属植物中报道ARF9突变与SAHs抗性的关联。PB1结构域中亮氨酸的芳香族替换可能通过空间位阻效应破坏蛋白互作界面，从而抑制Aux/IAA的泛素化降解。下游生长素响应基因（如ACS和SAUR36）的表达抑制进一步阻断了乙烯爆发和衰老信号传导，最终使植株存活。该机制不同于以往报道的代谢型抗性，为理解低水平抗性（RF<10）的靶标修饰机制提供了新范式。

结论

鲍氏苋对MCPA的抗性由ARF9基因的L557F突变介导，该突变通过破坏PB1结构域功能抑制生长素信号通路，属于靶标抗性机制。此发现对SAHs抗性治理策略制定具有重要指导意义。