绿色农药全国重点实验室在广谱抗除草剂基因分子设计研究领域取得重要进展

华大在线讯（通讯员 董进）近日，乐动网页版登录入口_乐动(中国)绿色农药全国重点实验室（乐动网页版登录入口_乐动(中国)）杨光富课题组在《美国国家科学院院刊（PNAS）》在线发表题为“An artificially evolved gene for herbicide-resistant rice breeding”的研究论文。该研究报道了一种广谱抗除草剂的新基因，能够赋予水稻对HPPD类除草剂的广谱抗性，该基因对作物育种具有重要的意义，应用前景广阔。

水稻是全世界一半以上人口的主粮。在水稻种植中，使用除草剂是防控杂草最经济有效的手段。但除草剂的长期使用会导致杂草抗药性的发展，因此发现广谱抗除草剂的新基因，并将其工程化成为分子育种研究面临的一个关键挑战。2019年，Science曾报道了一种对三酮类除草剂具有抗性的基因HIS1。然而，HIS1只在粳稻中才能正常表达，在籼稻中由于基因的缺失而无法表达。此外，由于HIS1降解三酮类除草剂的活性还不够高，在实际生产中粳稻仍对大部分三酮类HPPD除草剂仍然较敏感，导致三酮类除草剂在水稻田无法得到实际应用。HSL是HIS1的同源蛋白，在粳稻、籼稻以及小麦、玉米、高粱等作物中均广泛存在，但其降解三酮类除草剂的能力明显弱于HIS1，且适应的底物范围也较窄。因此，对HSL开展定向进化，设计对除草剂具有广谱抗性的新基因，为抗除草剂作物分子育种提供新的基因资源，具有极其重要的理论和现实意义。

图为基于结构的人工进化策略及其在水稻上的应用

针对这一挑战，研究团队率先成功解析了HSL与HPPD除草剂的复合物晶体结构，揭示了HSL与底物的结合模式，发现了对催化反应起重要作用的4个氨基酸残基。为提高HSL的催化效率，研究人员利用点突变产生了单重突变到四重突变的水稻HSL（OsHSL1）突变体M1-M10，并系统评估了它们对三酮类除草剂的催化活性，其中M10与HIS1的催化活性总体相当，但其催化降解甲基喹草酮（MBQ）的能力优于HIS1。为考察突变体实际应用价值，研究团队以中花11为母本，构建了可稳定遗传的抗除草剂转基因水稻，并系统评价了其抗性水平。结果表明，表达OsHSL1-M10的品系对MBQ具有显著抗性，相比表达OsHSL1-WT的品系，抗性水平提高了32倍，这为抗除草剂水稻育种提供了新基因，也为MBQ应用防控杂草稻等稻田恶性杂草奠定了基础。

本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及湖北省重点研发计划项目的支持。乐动网页版登录入口_乐动(中国)董进博士、于欣禾博士和湖北时珍实验室董江清研究员为本文的共同第一作者，乐动网页版登录入口_乐动(中国)杨光富教授和林红艳副教授为共同通讯作者，绿色农药全国重点实验室（乐动网页版登录入口_乐动(中国)）为唯一通讯单位。

（审读人：杨光富）

文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2407285121