在 Chenopodium album L. 中，CYP78A3 的过度表达与尼库硫磺隆（nicosulfuron）的抗性存在关联

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：CYP78A3 overexpression in Chenopodium album L. is linked to nicosulfuron resistance

　　摘要
Chenopodium album L. 是中国吉林省玉米田中主要的抗除草剂杂草，其出色的传播和繁殖能力显著影响了玉米的产量。本研究鉴定了两个抗性群体（TN-05 和 TN-07）和一个敏感群体（BC-09）。与 BC-09 群体相比，TN-05 和 TN-07 对 nicotine sulfuron 的抗性指数分别为 19.00 和 12.12。这两个群体都对 halosulfuron-methyl 和 thifensulfuron-methyl 表现出交叉抗性。针对靶标位点的抗性分析未在已知的抗性位点发现突变，也未观察到 acetolactate synthase 的过表达现象。高效液相色谱分析显示，TN-05 和 TN-07 群体对 nicotine sulfuron 的代谢程度高于 BC-09 群体。细胞色素 P450 (P450) 抑制剂 malathion 和谷胱甘肽 S-转移酶抑制剂 4-chloro-7-nitro-2,1,3-benzoxazolide 能够降低 TN-05 和 TN-07 群体对 nicotine sulfuron 的抗性，其中 malathion 的效果更为显著。此外，通过逆转录-定量实时聚合酶链反应验证和转录组测序发现，TN-05 中的 P450 基因 CYP78A3 表达显著增强。分子对接和分子动力学模拟表明 CYP78A3 可能参与除草剂的代谢。在转基因酵母中表达 CYP78A3 后，其对 nicotine sulfuron 的敏感性降低。这些发现首次证明 CYP78A3 可能介导 Chenopodium album L. 对 nicotine sulfuron 的抗性，为理解该物种的非靶标位点抗性机制提供了基础。

引言
Chenopodium album L. 是属于藜科 (Amaranthaceae) 藜属 (Chenopodium) 的一年生阔叶杂草，俗称灰 goosefoot、灰条纹 goosefoot 或灰叶 goosefoot，是一种全球性的入侵杂草，分布于温带和热带地区 (Wu et al., 2026)。与其密切相关的其他 Chenopodium 种类包括 Chenopodium quinoa、Chenopodium ficifolium 和 Chenopodium acuminatum。在中国，Chenopodium album L. 广泛存在于玉米田中，与作物争夺养分、水分、光照和空间，严重影响玉米产量。同时，它还是多种作物害虫的替代寄主 (Bajwa et al., 2019)。随着抗除草剂性的产生，Chenopodium album L. 的管理变得越来越困难，因此亟需阐明其抗性机制。2009 年，该杂草首次在萨斯喀彻温省对 acetolactate synthase (ALS) 抑制剂产生抗性。ALS 抑制剂主要包括五类：磺酰脲类、吡唑啉酮类、三唑并嘧啶类、嘧啶硫苯甲酸酯类和磺酰氨基羰基三唑啉酮类 (Xue et al., 2026)。ALS 在缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的合成中起关键作用，显著影响蛋白质合成、细胞分裂以及植物的生长发育。Nicotine sulfuron 是一种广泛用于玉米田的磺酰脲类除草剂，可抑制敏感植物的 acetolactate synthase 活性 (Xiao et al., 2025)。由于其广谱除草效果、高选择性和环境友好性，它在吉林省被广泛使用 (Zhao et al., 2025)。然而，长期连续单一种植 nicotine sulfuron 会导致 Chenopodium album L. 出现抗性。因此，了解该除草剂的作用机制对于预防和缓解这一问题至关重要。

除草剂抗性机制主要分为靶标位点抗性 (Target-Site Resistance, TSR) 和非靶标位点抗性 (Non-Target-Site Resistance, NTSR) (Torra et al., 2022)。关于 TSR 的研究主要集中在靶标位点的突变和靶标酶的过表达上 (Soni et al., 2022; Comont et al., 2020; Xu et al., 2024)。靶标基因编码区的突变会改变靶标酶的结构及其与除草剂的结合位点，从而赋予抗性 (Qin et al., 2014; Curtis et al., 1994)。目前已鉴定出与 ALS 抑制剂抗性相关的九个氨基酸位点：Ala-122、Pro-197、Ala-205、Phen-206、Asp-376、Arg-377、Trp-574、Ser-653 和 Gly-654 (Fang et al., 2020; Han et al., 2012)。Ala-122-Thr 突变已被证实可导致 Chenopodium album L. 对 ALS 抑制剂的抗性 (Huang et al., 2020a)，这是首次报道此类抗性的靶标位点机制。NTSR 机制主要涉及增强除草剂的代谢和解毒，降低杂草对除草剂的敏感性，以及保护杂草免受除草剂影响。这些过程共同减少了到达靶标位的除草剂量，从而导致抗性。最常见的机制是涉及细胞色素 P450 酶 (P450s)、谷胱甘肽 S-转移酶 (GSTs)、UDP-糖基转移酶 (UGTs) 和 ATP-结合盒 (ABC) 转运蛋白的代谢解毒作用 (Wang et al., 2024; Iwakami et al., 2014; Zhao et al., 2017)。大量研究显示，代谢增强可赋予杂草对 ALS 抑制剂的抗性 (Riar et al., 2012; Tian et al., 2025)。细胞色素 P450 酶是一类含有血红素的氧化酶超家族，在动物、植物、微生物和人体中广泛存在，并在生物代谢中发挥核心催化作用。P450 的过表达可显著加速除草剂分子的生物转化 (Yuan et al., 2007)。在 Echinochloa phyllopogon 中，CYP81A12 和 CYP81A21 的过表达使其对 benfluralin 和 pentafluorophenylsulfonylurea 具有抗性 (Iwakami et al., 2014)；在 Echinochloa crus-galli 中，EcCYP89B16 的过表达使其对 butylfluazifop 具有抗性 (Qi et al., 2026)；Eleusine indica 中的 CYP71AK44 使水稻对 glyphosate 具有抗性 (He et al., 2024)。目前关于 Chenopodium album L. 的研究主要集中在靶标位点抗性上。Huang et al. (2020a) 发现 Ala-122-Thr 替换会导致其对 imazethapyr 的抗性。然而，非靶标位点抗性的研究仅限于候选基因的转录组筛选，尚未功能性验证任何特定的代谢酶基因，对 Chenopodium album L. NTSR 中涉及的分子机制和关键基因仍缺乏了解。明确 Chenopodium album L. 对除草剂的抗性机制对于制定有效管理策略至关重要，但对其对 ALS 抑制剂 NTSR 的研究仍不够充分。因此，本研究利用抗性 Chenopodium album L. 作为实验材料，通过生化和分子生物学方法探讨其对 nicotine sulfuron 的抗性水平和机制，并阐明其非靶标抗性类型。本研究首次证明 P450 酶家族中的 CYP78A3 可能赋予 Chenopodium album L. 对 nicotine sulfuron 的抗性，填补了我们对该物种 NTSR 基因理解的空白。

本研究在吉林省的玉米田中调查了 Chenopodium album L.，鉴定了两个抗性群体 (TN-05 和 TN-07) 和一个敏感群体 (BC-09)。TN-05 和 TN-07 对 halosulfuron-methyl 和 thifensulfuron-methyl 表现出交叉抗性。结果表明，这些群体的抗性并非由靶标位点抗性 (TSR) 导致。通过在酵母中的异源表达验证了 CYP78A3 的作用，证实该基因可能参与了抗性的形成。

材料
2023 年秋季，从吉林省不同地区收集了 10 个 Chenopodium album L. 种群。自然成熟并风干后，将其装入牛皮纸袋中，储存于 -20°C 以备后续使用。播种前，将这些种群的种子浸泡在 200.00 mg L^-1 的 gibberellic acid 中 24 小时，然后在 24°C 的培养箱中催芽。处理后的种子被播种在塑料花盆中。

Chenopodium album L. 对 nicotine sulfuron 及其他 ALS 抑制剂的抗性
对 10 个 Chenopodium album L. 种群的筛选表明，TN-05 和 TN-07 对 nicotine sulfuron 具有抗性 (图 1A 和图 1B)。TN-05 的 GR50 值为 174.57 ± 10.79 g a.i. ha^-1，TN-07 的 GR50 值为 111.34 ± 3.88 g a.i. ha^-1，而 BC-09 的 GR50 值为 9.19 ± 1.31 g a.i. ha^-1。相应的 RI 值分别为 19.00 和 12.12，表明 BC-09 为敏感群体，TN-05 和 TN-07 为高度抗性群体。

讨论
Chenopodium album L. 具有很强的适应性，在吉林省的玉米田中是主要的有害杂草。长期依赖单一除草剂导致其产生显著抗性，降低了以往有效除草剂的效能，并通过杂草竞争降低了玉米产量 (Baucom et al., 2016)。本研究中通过全株剂量-反应试验确定 TN-05 和 TN-07 为对 nicotine sulfuron 抗性的群体。这两个群体对推荐的除草剂均无反应。

结论
综上所述，Chenopodium album L. 的 TN-05 和 TN-07 群体对 nicotine sulfuron 具有抗性，而 BC-09 为敏感群体。这两个群体对 halosulfuron-methyl 和 thifensulfuron-methyl 的抗性程度不同。在 CRS 抗性群体中未检测到 Chenopodium album L. ALS 基因的靶标突变或 ALS 的过表达现象。值得注意的是，P450 抑制剂 malathion 显著降低了 NTSR 群体的抗性。

作者贡献声明
Zhao Minghui：撰写-原始草稿、验证、软件使用、资源获取、方法论设计、数据分析、数据分析、概念构建
Yang Lili：撰写-修订与编辑、资源获取、数据分析
Xiao Yufeng：撰写-修订与编辑、资源获取、数据分析
Yang Bingbing：撰写-修订与编辑、资源获取、数据分析
Li Mei：验证、监督、资源获取、数据分析、资金申请
Li Jian：

未引用的参考文献
Alina et al., 2023
Baucom, 2016
Dussault and Pouliot, 2006
Huang et al., 2024
Kajino et al., 2022
Qin and Powles, 2014
Shen et al., 2022
Thompson et al., 1994
Torra and Alcantara-De la Cruz, 2022
Wu et al., 2026a
Wu et al., 2026b
Zhao et al., 2023

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究内容。

致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划 (2023YFD1400500) 的资助。

作者：
Minghui Zhao | Lili Yang | Yufeng Xiao | Bingbing Yang | Mei Li | Jian Li | Hao Zhang | Xian Wu
吉林农业大学植物保护学院，中国长春 130118