原卟啉原氧化酶1中的新型氨基酸替换赋予地肤（Bassia scoparia）对PPO抑制型除草剂的抗性

《Frontiers in Plant Science》：Novel amino acid substitutions in Protoporphyrinogen oxidase 1 endow resistance to PPO-inhibiting herbicides in Bassia scoparia

　　

PPO抑制型除草剂被广泛用于不同种植系统中的杂草治理，但抗性进化威胁着其长期有效性。在此，研究人员调查了采自美国北达科他州四个地点的地肤（Bassia scoparia）生物型对PPO抑制型除草剂抗性的分子基础。温室剂量–反应测定揭示了这些生物型对saflufenacil和carfentrazone-ethyl具有高水平抗性，而fomesafen在所有生物型中保持完全防效。抗性植物未表现出PPX1或PPX2拷贝数增加或表达升高。对存活植株的测序显示PPO2蛋白序列保守，但在PPO1的F454位点存在一致的靶标位点替换，包括F454I（苯丙氨酸→异亮氨酸）、F454L（苯丙氨酸→亮氨酸）和F454V（苯丙氨酸→缬氨酸）。体外酶活性测定表明，这些替换损害了PPO1酶对saflufenacil和carfentrazone的敏感性，但不影响对fomesafen的敏感性。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中异源表达编码F454I、L和V变体的B. scoparia PPX1，赋予了对saflufenacil和carfentrazone-ethyl的耐受性，但不赋予对fomesafen的耐受性，支持了温室和体外结果。分子建模表明，fomesafen的构象灵活性和相互作用谱使其能够维持与突变PPO1酶变体的结合，与saflufenacil和carfentrazone更刚性的结构形成对比。基于酵母的互补系统进一步证实F454替换降低了除草剂敏感性。此外，发育表达谱显示，在B. scoparia和长芒苋（Amaranthus palmeri）早期生长阶段，PPX1和PPX2呈现不同的表达模式，突出了亚型特异性作用。总之，这些发现首次报道了阔叶杂草物种中PPO1靶标位点氨基酸替换作为抗性关键机制，并强调fomesafen可有效控制抗性地肤种群。

论文解读

除草剂抗性已成为化学除草面临的主要挑战。随着城市化导致农村劳动力减少，农业生产更加依赖除草剂，抗性进化速度加快。地肤（Bassia scoparia）是一种难以治理的C4夏季一年生阔叶杂草，已对包括生长素类似物、乙酰乳酸合酶（ALS）抑制剂、光系统II（PSII）抑制剂、5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶（EPSPS）抑制剂和原卟啉原氧化酶（PPO）抑制剂在内的多种作用位点产生抗性。近年来，在加拿大萨斯喀彻温省和美国北达科他州发现了PPO抑制剂抗性的地肤种群，但其分子机制尚不清楚。以往研究表明，阔叶杂草对PPO抑制剂的靶标位点抗性主要与PPX₂基因的突变有关，例如苋属（Amaranthus）中的ΔG210缺失和R128等位点替换，而PPO₁介导的抗性较少见。本研究旨在阐明地肤对PPO抑制剂抗性的分子基础，并评估不同PPO抑制剂之间的交互抗性。

研究人员从北达科他州四个地点（Berthold、Mandan、Minot和Mott）采集地肤生物型，并与敏感种群进行比较。研究首先通过温室剂量-反应试验确认了这些生物型对saflufenacil和carfentrazone-ethyl的高水平抗性，而对fomesafen仍然敏感。随后，通过数字PCR检测了PPX₁和PPX₂的拷贝数变异（CNV）和表达水平，排除了基因扩增和过表达作为抗性机制的可能。对存活植株的cDNA测序发现，PPO₂蛋白序列中已知的抗性相关位点均保持野生型，而在PPO₁的F454位点检测到多种氨基酸替换，包括F454I、F454L和F454V。进一步通过体外酶活性测定，发现这些替换降低了PPO₁对saflufenacil和carfentrazone的敏感性，但未