柏連陽教授團(tuán)隊破解植物ABC轉(zhuǎn)運蛋白抗草甘膦新的分子機(jī)制

　　草甘膦是一種滅生性除草劑，由于長期和大量施用草甘膦，已經(jīng)導(dǎo)致作物田至少48類雜草對草甘膦產(chǎn)生了抗藥性。草甘膦主要是通過其通體運輸進(jìn)而遍布植物的分生組織以發(fā)揮除草效果，因而任何阻止草甘膦達(dá)到其靶標(biāo)烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶（EPSPS）的機(jī)理，均可導(dǎo)致植物對草甘膦的抗藥性。二十多年前，世界上最先發(fā)現(xiàn)的抗草甘膦雜草正是由于其轉(zhuǎn)運能力減弱導(dǎo)致，而這也正是抗草甘膦雜草中最常見的非靶標(biāo)抗性機(jī)理。目前對于雜草抗草甘膦的靶標(biāo)（EPSPS）抗性機(jī)制的研究日益深入，但與非靶標(biāo)或草甘膦轉(zhuǎn)運相關(guān)的抗性分子機(jī)理尚不清楚。ATP-binding cassette（ABC）轉(zhuǎn)運蛋白是一類依賴ATP水解供能的膜定位載體蛋白，可轉(zhuǎn)運激素、脂質(zhì)二級代謝物質(zhì)、外源毒性物質(zhì)等，但是其是否在植物對草甘膦的抗藥性中發(fā)揮作用仍不清楚。

 

　　2021年4月13日，院柏連陽教授團(tuán)隊與澳大利亞西澳大學(xué)余勤教授等在權(quán)威期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）正式發(fā)表了題為“An ABCC-type transporter endowing glyphosate resistance in plants”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)稗草的轉(zhuǎn)運蛋白EcABCC8，可在質(zhì)膜上將進(jìn)入膜內(nèi)的草甘膦轉(zhuǎn)運至膜外以產(chǎn)生抗性，揭示了植物抗草甘膦的全新機(jī)制，并且進(jìn)一步闡述了植物體內(nèi)ABC轉(zhuǎn)運蛋白的功能。

 

　　稗草是世界性惡性雜草，為多個作物田的最主要雜草，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量，同時它也被列為我國農(nóng)田15 種危害嚴(yán)重的雜草之首。目前防范該雜草必須依靠化學(xué)除草劑，稗草已對許多除草劑產(chǎn)生抗藥性，目前除草劑抗性是世界性問題，嚴(yán)重威脅作物生產(chǎn)。該研究通過RNA-Seq分析來自抗草甘膦稗草種群的敏感和抗性單株的表達(dá)差異，成功鑒定并克隆到草甘膦抗性相關(guān)基因EcABCC8。轉(zhuǎn)基因水稻進(jìn)一步證明過表達(dá)該基因可導(dǎo)致對草甘膦的抗性，利用基因編輯手段敲除水稻體內(nèi)的EcABCC8基因的同源基因可提高其對草甘膦的敏感性。還證實了豆科植物大豆和禾本科植物水稻、玉米中，EcABCC8基因的同源基因過表達(dá)后也能導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株對草甘膦的抗性，表明這一功能很可能普遍存在于高等植物。通過分析抗性和敏感稗草種群的甲基化水平，發(fā)現(xiàn)EcABCC8的轉(zhuǎn)錄變異可能由甲基化水平的差異造成。進(jìn)一步探討了ABCC8介導(dǎo)植物抗草甘膦的內(nèi)在生物學(xué)機(jī)制，與以往研究較多的液泡膜ABC轉(zhuǎn)運蛋白不同，該研究發(fā)現(xiàn)ABCC8主要定位于質(zhì)膜上，在細(xì)胞水平上將進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的草甘膦轉(zhuǎn)運至質(zhì)膜外以降低毒性，這一原理與人體癌細(xì)胞的抗藥性機(jī)理相似。分子模擬法解析了草甘膦分子與稗草EcABCC8蛋白結(jié)構(gòu)上的相互作用，也證實了這一作用機(jī)制。該研究是雜草抗藥性以及ABC轉(zhuǎn)運蛋白研究領(lǐng)域的重要進(jìn)展，不僅豐富了雜草抗藥性基礎(chǔ)理論，而且對應(yīng)用遺傳手段逆轉(zhuǎn)雜草對草甘膦的抗藥性提供了理論依據(jù)，對作物的耐草甘膦遺傳改良也具有重要指導(dǎo)價值。

 

　　PNAS雜志在“In This Issue”環(huán)節(jié)提名特別推介該研究，PNAS雜志的科學(xué)作家/編輯Janelle Weaver以“植物轉(zhuǎn)運蛋白通過從細(xì)胞中泵出毒性物質(zhì)以導(dǎo)致除草劑抗性”（Transporter confers herbicide resistance in plants by extruding toxin from cells）為題進(jìn)行評述，指出“潘浪等提供了證據(jù)表明ABC轉(zhuǎn)運蛋白可以參與植物對除草劑的抗性，它們也與人體對抗癌藥物的耐藥性有關(guān)”（Lang Pan et al. provide evidence that herbicide resistance in plants can be mediated by ABC transporters, which are also implicated in anticancer drug resistance in humans）；“這一分子機(jī)理與癌細(xì)胞所用相似，都是通過ABC轉(zhuǎn)運蛋白泵出化學(xué)治療藥并導(dǎo)致對其抗性”（This molecular mechanism is similar to that used by cancer cells, which use ABC transporters to extrude and resist chemotherapeutic drugs）。

 

　　該研究的第一單位為湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，柏連陽教授為通訊作者，柏連陽的博士后潘浪為論文第一作者，澳大利亞西澳大學(xué)余勤教授和Stephen Powles教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、澳洲谷物研究發(fā)展組織等項目資助。