作者：鲍建喜、董振营
世界大约有35000种田间杂草，其中8000种可对农作物造成明显危害，每年因田间杂草造成的损失可达世界粮食总产量40%以上。使用除草剂是一种高效、低成本的控制杂草方法，但是随着除草剂的持续使用，抗性杂草种类逐渐增多，从而严重制约了除草剂的使用效率。由于开发新型除草剂周期长、费用高，创制抗除草剂种质成为作物遗传育种的重要途径。受各国对外源转基因监管政策及民众接受程度不同等原因影响，通过自然变异获得的抗除草剂种质具有更高应用潜力。目前世界范围内草甘膦除草剂使用面积最广，所发现抗性杂草多数为草甘膦抗性。而草铵膦作为一种非选择性、苗后除草剂，尚未广泛应用，相应抗性杂草报道较少，因此筛选抗草铵膦作物新种质具有重要应用价值。
2022年9月29日，北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元教授团队在分子生物学综合性学术期刊International Journal of Molecular Sciences（IF：6.208）发表了题为“Genetic Analysis and Fine Mapping of ZmGHT1 Conferring Glufosinate Herbicide Tolerance in Maize (Zea mays L.)”的研究论文。该研究团队首先对854份玉米自交系种质共计25620个单株进行草铵膦抗性表型鉴定，并从自交系L336中鉴定出1株抗性材料，命名为L336R。表型鉴定结果表明草铵膦处理L336R的安全浓度上限为5g/L，该浓度为草铵膦灭除一般抗性杂草推荐浓度的2倍，表明所筛选抗性玉米材料L336R具有较大育种应用潜力。进一步遗传分析发现喷施草铵膦后L336R与L336所产生F1植株无论是在外观还是鲜重和干重变化均与L336R类似（图1），表明L336R草铵膦抗性呈显性遗传。分析L336R与草铵膦敏感自交系L312所构建F2群体，发现除草剂抗性单株与敏感单株比例符合3：1，表明L336R草铵膦抗性来自单个遗传位点，命名该位点为ZmGHT1。
图1. L336、L336R和F1植株草铵膦抗性表型鉴定
利用玉米60K SNP 芯片对F2群体抗性和敏感DNA池进行分析，初步将ZmGHT1定位在8号染色体；通过开发定位区间多态性标记，根据已测序自交系B73参考基因组将ZmGHT1进一步精细定位在160.12–162.28 Mb区间（图2）。
图2. ZmGHT1精细定位
虽然ZmGHT1被定位在理论上交换率较高的染色体末端，但是即使检测了约10000个F2或 F3单株，并未进一步在该2.16 Mb区间内检测到交换单株。通过对定位区间DNA片段测定，发现L336R该区间序列与B73参考基因组高度相似，而L312与另一个已测序自交系CML277高度相似。比对B73与CML277定位区间基因组序列发现CML277对应序列长度仅为11.5 kb，且二者之间存在大量结构变异（图3a），而B73在该区间存在较高密度转座子元件（图3b）。推测转座子插入是导致B73与CML277之间基因组结构变异产生的主要原因，也是定位群体在该区间难以产生交换的可能原因之一。
图3. ZmGHT1定位区间结构变异和转座子分布
共在定位区间预测出13个基因，发现基因Zm00001eb361930和gene.3251669926 均编码 class III aminotransferase, 基因gene.8455157 编码cationic amino acid transporter，均可能与氨基酸代谢相关。大量研究表明，除草剂的分子靶标大多为物质代谢相关酶类，如5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合酶(EPSP)、 谷氨酰胺合成酶（GS）、乙酰乳酸合酶（ALS）等，相应酶类编码基因突变可减少或消解除草剂的抑制作用进而提高植物除草剂抗性。基因表达分析则发现Zm00001eb361930在草铵膦处理4小时L336R表达量显著高于L336（图4），推测Zm00001eb361930更有可能为ZmGHT1候选基因。体内生化指标测定则发现草铵膦处理后L336R体内铵根离子积累较少，GS活性短暂降低后逐渐回升，而草铵膦敏感材料L336和L312体内铵根离子迅速积累，GS活性受到明显抑制，表明ZmGHT1可能通过调节体内GS活性和铵根离子浓度赋予玉米除草剂抗性。该研究进一步鉴定出2个连锁标记M9和M10可用于玉米抗除草剂育种的分子标记辅助选择。
图4. ZmGHT1定位区间候选基因表达分析
综上所述，本研究筛选出一个自然突变抗草铵膦玉米株系，并根据B73参考基因组信息将ZmGHT1定位在8号染色体一个2.16 Mb区间，候选基因可能编码一种氨基转移酶，连锁标记M9和M10对ZmGHT1具有较高选择效率，该研究有望揭示植物抗除草剂新机制，并为玉米抗除草剂育种提供新种质。本研究主要依托北京科技大学生物与农业研究中心、顺德研究生院、北京中智生物农业国际研究院等单位合作完成。北京科技大学博士生鲍建喜为第一作者，北京科技大学万向元教授和董振营副教授为通讯作者，该研究受到国家重点研发计划项目（2018YFD1000700, 2021YFF1000302, 2021YFD1200700）以及中央高校基本科研业务费专项资金(06500136)资助。
原文链接：https://www.mdpi.com/1422-0067/23/19/11481
