《Journal of Plant Physiology》：Molecular mechanisms and biotechnological advances in herbicide resistance: insights into the development of herbicide-tolerant crops
编辑推荐：
除草剂抗药性机制与CRISPR技术在新作物培育中的应用研究，提出非转基因碱基编辑和prime编辑策略及多基因叠加应对复杂抗药性挑战。
盛正|海燕铁|尚丽 chai|明晓王|思瑞王|圆圆曾|国帆吴|腾国张
中国甘肃省兰州市西北师范大学生命科学学院，730070
摘要
除草剂在现代农业中发挥着关键作用，通过控制杂草种群来保障作物产量。然而，长期和广泛使用除草剂加速了抗除草剂杂草的进化，从而降低了除草剂的效果，并对全球粮食安全构成了严重威胁。分子生物学和植物生物技术的最新进展极大地扩展了我们对除草剂抗性机制的理解，并使得培育出具有更强除草剂抗性的作物成为可能。除草剂抗性基因主要通过编码解毒酶、修改除草剂作用位点或激活特定的代谢途径来减轻除草剂的毒性。新兴的遗传工具，包括转基因技术和CRISPR/Cas介导的基因组编辑，进一步促进了抗性性状在主要作物中的精确引入。值得注意的是，本综述提供了关于最新CRISPR/Cas应用的新见解，包括用于开发新型非转基因抗除草剂作物的碱基编辑和引导编辑技术。此外，它还系统地概述了用于应对复杂或不断进化的杂草抗性的多基因叠加策略。
引言
在农业生态系统中，作物产量受到生物和非生物胁迫的综合影响。在生物因素中，病原体、害虫和杂草对农业生产构成了重大威胁，其中杂草是全球作物产量、质量和粮食安全最普遍的限制因素之一（Dong等人，2021年）。杂草具有一系列适应性特征，如大量的种子产生、较短的生命周期、快速生长、高光合作用效率以及广泛的生态适应性。这些特征使它们能够在多种环境中繁衍，并与作物激烈竞争必需的资源（光、水和养分），从而大幅削弱作物的生产力和质量。此外，杂草经常成为植物病原体和昆虫害虫的宿主，加剧了疾病和虫害的发生。此外，它们还有潜力耗尽土壤养分，从而增加施肥成本，并对可持续农业实践的可行性构成严重威胁（Green，2014年；Hussain等人，2021年）。
有效的杂草管理是维持作物健康和确保现代农业稳定产量的基础。虽然人工除草仍然是一种传统方法，但农业技术的进步引入了多种杂草控制方法，包括机械、物理、生物和化学方法。在这些方法中，化学除草剂因其操作效率、成本效益和广谱活性而成为现代杂草管理的核心（Powles & Yu，2010年）。自20世纪中叶以来，具有不同化学结构和分子靶点的除草剂已被广泛应用于多种种植系统中。然而，大量和反复使用除草剂对杂草种群施加了强烈的选择压力，导致抗除草剂生物型的快速进化和全球传播。这一现象已成为现代农业面临的最紧迫挑战之一，导致了显著的产量损失、谷物质量下降和生产成本增加（Sergill等人，2020年）。因此，了解除草剂的作用机制和抗性机制对于开发可持续的杂草管理策略和培育具有持久抗性的作物至关重要。
除草剂通过破坏植物生长和生存所需的关键生理和生化过程来发挥作用。它们的分子靶点包括参与脂肪酸和氨基酸生物合成以及脂质代谢、光合作用、呼吸作用和能量代谢的酶。著名的例子包括乙酰乳酸合酶（ALS）、5-烯醇吡ruvylshikimate-3-磷酸合酶（EPSPS）、乙酰-CoA羧化酶（ACCase）和原卟啉原氧化酶（PPO）（Délye，2013年；Délye等人，2005年；Powles & Yu，2010年）。编码这些酶的基因发生突变可以改变除草剂结合位点，从而赋予抗性（Singh等人，2024年；Tranel等人，2011年）。同时，通过细胞色素P450单加氧酶（CYP450s）、谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）和糖基转移酶（GTs）增强的解毒作用构成了主要的非靶点抗性机制。这些生化适应机制单独或协同作用，在多种杂草物种中得到了广泛记录，体现了植物代谢网络在化学选择压力下的显著进化塑性。植物种群在通常会对野生型致命的除草剂剂量下存活和繁殖的现象被称为除草剂抗性。与杂草抗性的进化并行的是，植物生物技术的进步使得能够将抗性特性有意引入作物中，以促进选择性的杂草控制。表达改良的EPSPS基因的耐草甘膦作物和携带bar或pat基因的耐草铵膦作物代表了这一领域的早期成功（Hérouet等人，2005年；Lutz等人，2001年；Salas等人，2012年）。最近，CRISPR/Cas等基因组编辑技术为精确修改除草剂靶基因或上调内源性解毒途径提供了新的机会，从而在提高抗性的同时最小化脱靶效应（Luo & Liu，2025年；Sreekanth等人，2025年）。这些策略已被证明可以增强除草剂抗性，同时促进更高效和环保的作物管理。
尽管取得了这些进展，但抗除草剂杂草的出现以及转基因作物可能带来的生态风险突显了需要综合和可持续解决方案的必要性（Arasan等人，2025年）。了解与除草剂抗性相关的遗传多样性、分子机制和调控网络仍然是当前研究的重点（Gaines等人，2020年）。本综述综合了近期在表征除草剂分子靶点、阐明抗性相关基因的机制和功能以及应用基因编辑和转基因技术培育抗除草剂作物方面的进展。它还讨论了在不断变化的环境条件下实现持久抗性和保持农业生产力的未来挑战和前景。
除草剂的分类和作用位点
为了建立讨论抗性机制的基础理解，我们首先系统地回顾了基于除草剂分子靶点的分类。除草剂可以根据其作用方式、施用时间、化学结构和分子靶点进行分类。目前最权威和系统的国际分类系统是由除草剂抗性行动组织提出的作用方式（MoA）分类系统
除草剂抗性机制
杂草中除草剂抗性的进化对全球农业生产的可持续性构成了重大挑战。抗性机制主要分为两类，取决于抗性机制是否直接涉及除草剂的分子靶点：靶点抗性（TSR）和非靶点抗性（NTSR）（Gaines等人，2020年）。TSR源于编码除草剂靶蛋白的基因突变或表达改变
传统方法和转基因方法
对除草剂抗性的机制理解为作物改良提供了基本的遗传资源和设计原则。将这一理论理解转化为实际育种应用遵循了一个清晰的历史和技术进展，从最直接利用遗传变异的方法开始。早期开发耐除草剂作物的努力主要依赖于自然变异筛选和物理/化学诱变（例如EMS）
基于CRISPR/Cas的定向进化
近年来，基于CRISPR的基因组编辑技术因其精确性、效率以及能够生成非转基因植物而成为除草剂抗性研究的核心。CRISPR/Cas系统已被广泛用于通过非同源末端连接（NHEJ）介导的基因敲除或同源定向修复（HDR）途径引入目标除草剂靶基因的突变（Cheng等人，2021年；Lu等人，2021年；Sun等人，2016年）。除了传统方法
结论与展望
抗除草剂杂草的迅速增加威胁到了全球农业的生产力和可持续性。近年来，在识别除草剂靶点以及揭示植物抗性的遗传和生化机制方面取得了显著进展。这些进展直接影响了新型除草剂的合理设计、改进的抗性管理策略以及耐性作物品种的培育。分子遗传学的突破
作者贡献声明
国帆吴：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。腾国张：撰写 – 审稿与编辑，监督。思瑞王：研究。圆圆曾：撰写 – 审稿与编辑。尚丽 chai：撰写 – 审稿与编辑。明晓王：研究。盛正：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，监督，概念构思。海燕铁：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，概念构思
未引用的参考文献
Guo等人，2021年；Li等人，2023年；Li等人，2023年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
数据可用性
本文描述的研究没有使用任何数据。
资助
本工作得到了国家自然科学基金（NSFC）（31860054）、甘肃省自然科学基金（25JRRA017）以及西北师范大学的研究生研究资助计划（2023KYZZ-S167）的支持。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
