综述：基因组结构变异与除草剂抗性

《Canadian Journal of Plant Science》：Genomic structural variation and herbicide resistance

基因组结构变异与除草剂抗性机制研究显示，EPSPS、ACCase、GS等基因拷贝数变异（CNV）及EccDNA、转座子活动是11种杂草中 glyphosate（Group 9）和 glufosinate（Group 10）抗性的主要来源，并涉及 unequal crossing over、subtelomeric duplication等机制。研究强调现代基因组学在解析CNV和转座子介导的抗性进化中的关键作用，并指出需进一步探讨环境压力（如除草剂）与结构变异的因果关系。

　　随着基因组学资源的快速发展，我们对杂草中基因组结构变异与除草剂抗性机制之间的关系有了更深入的理解。自2010年首次发现一种与草甘膦抗性相关的5-烯丙基-3-磷酸合成酶（EPSPS）基因拷贝数变异（CNV）以来，我们见证了这种抗性机制在11种不同杂草物种中的快速趋同进化。这些机制包括外源性环状DNA复制、不等交换和亚端粒区域的重复。更近期的研究还揭示了靶点位点重复（target-site duplication）在其他具有不同作用机制的除草剂抗性中所扮演的角色，例如乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）抑制剂和谷氨酰胺合成酶（GS）抑制剂。此外，由转座子引起的结构变异也开始被发现，这些变异能够赋予杂草除草剂抗性。本文综述了当前关于农业杂草基因组结构变异的研究进展，强调了其在除草剂抗性形成中的重要性，并指出未来研究需要进一步澄清这些变异的规模、性质及其形成机制。尽管本文聚焦于除草剂抗性特征，但同时也强调了结构变异在整体遗传多样性中的关键作用，以及其在新性状快速进化中的重要性。

除草剂是农业中广泛使用的化学工具，它们通过进入植物体内并结合特定的靶点蛋白，从而干扰植物的生化通路和生理平衡。这种干扰通常会导致植物死亡，要么是因为其无法合成关键的生物分子，要么是因为代谢产物在高浓度下变得有毒。由于除草剂需要被迅速吸收、进入细胞并高效结合靶点，因此一些生理和分子机制可能会进化出来，以破坏除草剂的功能。这些机制包括非靶点位点抗性（NTSR）机制，如减少吸收、降低转运效率、增强代谢解毒能力，以及靶点位点抗性机制，如靶点蛋白的突变，从而改变除草剂与蛋白的结合动力学。其中，一种特别显著的靶点位点突变是EPSPS基因的拷贝数增加，这种机制在多个杂草物种中被发现。EPSPS基因的拷贝数增加意味着植物会生产更多的靶点蛋白，因此需要更高的除草剂浓度才能有效抑制其功能。当靶点蛋白的拷贝数增加到需要比田间常规剂量更高的除草剂浓度才能控制杂草时，植物就表现出抗性。

EPSPS基因拷贝数变异（CNV）最初在Palmer苋（Amaranthus palmeri）中被发现，这一发现开启了对CNV在除草剂抗性中的研究。随后，研究人员在其他杂草物种中也发现了类似的CNV机制，包括其他苋科植物和一些禾本科植物。值得注意的是，CNV不仅限于草甘膦抗性，还被发现能够导致其他除草剂抗性，如ACCase抑制剂和GS抑制剂的抗性。这一发现表明，CNV可能是一种普遍的抗性机制，而不仅仅是针对特定靶点蛋白的。此外，研究人员还开始关注转座子在除草剂抗性形成中的作用，发现一些转座子插入事件能够改变靶点基因的结构或表达，从而导致抗性。这些发现不仅加深了我们对除草剂抗性机制的理解，也为未来研究提供了新的方向。

EPSPS基因拷贝数变异在不同杂草物种中的出现方式各不相同。例如，在Palmer苋中，EPSPS基因的拷贝数变异是通过外源性环状DNA（EccDNA）复制形成的，这种EccDNA结构包含了EPSPS基因以及多个其他基因。而在水苋（Amaranthus tuberculatus）中，EPSPS基因的拷贝数增加是通过染色体上的重复区域实现的，这种机制可能与不等交换有关。而在另一种苋科植物——猪毛菜（Bassia scoparia）中，EPSPS基因的拷贝数变异则与亚端粒区域的重复和转座子插入相关。不同物种中EPSPS基因拷贝数变异的形成机制差异，说明了结构变异的多样性和复杂性。这些变异不仅影响植物的抗性，还可能对植物的生长和繁殖产生不同程度的影响。在某些情况下，如Palmer苋中，EPSPS基因拷贝数变异似乎对植物的适应性影响较小，而在水苋中，这种变异则可能带来一定的适应性代价。

除了EPSPS基因拷贝数变异，其他基因的结构变异也被发现能够导致除草剂抗性。例如，在毛颖草（Digitaria sanguinalis）中，ACCase基因的拷贝数增加被证明是导致ACCase抑制剂抗性的重要机制。而在Palmer苋中，GS2基因的拷贝数增加则与对谷氨酰胺合成酶抑制剂——草铵膦的抗性相关。这些研究揭示了结构变异在不同除草剂抗性机制中的普遍性，同时也表明，结构变异可以同时影响多种除草剂的抗性，如在某些情况下，同一段EccDNA包含了多个抗性相关基因，使得抗性特征能够共遗传。此外，一些研究还表明，某些转座子插入事件可以改变靶点蛋白的结构或表达，从而赋予植物抗性。例如，在猪毛菜中，一个转座子插入到AUX/IAA基因的编码序列中，改变了其剪接模式，使得该蛋白无法与SCF-TIR1复合体有效结合，从而降低了对生长素类除草剂（如二甲戊乐灵）的敏感性。

结构变异的形成机制多种多样，包括染色体的重复、转座子的插入以及环状DNA的复制。这些机制通常发生在特定的基因区域，如亚端粒区或重复序列丰富的区域。由于这些区域在基因组中较为活跃，结构变异更容易发生。然而，这些变异的形成和传播仍然存在许多未知之处。例如，为什么某些物种更容易通过结构变异获得抗性？为什么一些结构变异在长期无除草剂选择压力下会消失？这些问题的答案对于理解除草剂抗性的演化路径至关重要。此外，结构变异的形成往往伴随着基因组的其他变化，这些变化可能影响植物的其他性状，如生长速度、繁殖能力和生态适应性。因此，研究结构变异不仅要关注其与抗性的直接关系，还需要考虑其对植物整体适应性的潜在影响。

在农业实践中，除草剂的广泛使用对杂草的抗性演化产生了巨大压力。这种压力促使某些杂草物种迅速适应并发展出新的抗性机制。然而，抗性机制的多样化也带来了管理上的挑战。传统的除草剂使用策略可能无法有效应对这些新出现的抗性机制，因此需要更加灵活和综合的管理方法。例如，通过轮换使用不同作用机制的除草剂，可以降低抗性基因在杂草种群中的传播速度。此外，结合其他控制手段，如机械除草、生物防治和作物轮作，也可以减少对单一除草剂的依赖，从而延缓抗性的发展。这些策略的实施需要基于对结构变异和抗性机制的深入理解，以确保其有效性。

结构变异的研究不仅对除草剂抗性管理具有重要意义，还对其他生物系统的抗性研究提供了启示。例如，植物中的结构变异与病原体、微生物、昆虫和癌症细胞中的基因变异存在相似之处。这些研究可以帮助我们更好地理解抗性在不同生物系统中的演化规律，并为开发新的抗性检测和管理方法提供理论支持。此外，结构变异的发现还推动了现代基因组学的发展，使得我们能够更全面地解析生物体的遗传多样性。随着基因组测序技术的进步和成本的降低，未来的研究将能够更系统地分析结构变异在杂草中的分布和作用，从而为农业可持续发展提供科学依据。

在杂草基因组中，结构变异的规模和复杂性远超我们的预期。这些变异不仅涉及特定基因的重复，还可能影响整个染色体的结构。例如，某些EccDNA结构可以包含多个基因，甚至达到数百万碱基对的长度。这种大规模的结构变异可能对植物的生理和生态特性产生深远影响。然而，目前的研究仍然存在许多空白，尤其是在非模式物种中的结构变异分析。由于非模式物种的基因组信息相对有限，研究人员在解析这些变异时面临诸多挑战。因此，未来的研究需要更加关注非模式物种的基因组结构，以全面理解结构变异在抗性演化中的作用。

此外，结构变异的形成和传播机制也值得进一步研究。例如，外源性环状DNA（EccDNA）的复制和传播可能与某些特定的遗传机制有关，如不等交换和亚端粒区域的重复。这些机制在不同物种中可能有不同的表现形式，因此需要针对不同物种进行详细研究。同时，转座子在结构变异中的作用也不容忽视。一些研究发现，转座子的插入可以改变靶点蛋白的结构或表达，从而导致抗性。因此，了解转座子的活动模式及其与结构变异之间的关系，对于预测和管理抗性具有重要意义。

总之，结构变异在杂草抗性演化中扮演了关键角色。随着基因组学技术的进步，我们对结构变异的理解正在不断加深，但仍然有许多未知领域需要探索。未来的研究应更加关注结构变异的形成机制、传播路径及其对植物适应性的潜在影响，以期为农业实践提供更有效的抗性管理策略。同时，这些研究也将为其他生物系统的抗性研究提供借鉴，推动基因组学在更广泛领域的应用。