草甘膦是一種滅生性除草劑,由于長期和大量施用草甘膦,已經導致作物田至少48類雜草對草甘膦產生了抗藥性。草甘膦主要是通過其通體運輸進而遍布植物的分生組織以發揮除草效果,因而任何阻止草甘膦達到其靶標烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶(EPSPS)的機理,均可導致植物對草甘膦的抗藥性。二十多年前,世界上最先發現的抗草甘膦雜草正是由于其轉運能力減弱導致,而這也正是抗草甘膦雜草中最常見的非靶標抗性機理。目前對于雜草抗草甘膦的靶標(EPSPS)抗性機制的研究日益深入,但與非靶標或草甘膦轉運相關的抗性分子機理尚不清楚。ATP-binding cassette(ABC)轉運蛋白是一類依賴ATP水解供能的膜定位載體蛋白,可轉運激素、脂質二級代謝物質、外源毒性物質等,但是其是否在植物對草甘膦的抗藥性中發揮作用仍不清楚。

    2021年4月13日,湖南農業科學院柏連陽教授團隊與澳大利亞西澳大學余勤教授等在權威期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)正式發表了題為“An ABCC-type transporter endowing glyphosate resistance in plants”的研究論文。該研究發現稗草的轉運蛋白EcABCC8,可在質膜上將進入膜內的草甘膦轉運至膜外以產生抗性,揭示了植物抗草甘膦的全新機制,并且進一步闡述了植物體內ABC轉運蛋白的功能。

    稗草是世界性惡性雜草,為多個作物田的最主要雜草,嚴重影響作物產量,同時它也被列為我國農田15 種危害嚴重的雜草之首。目前防范該雜草必須依靠化學除草劑,稗草已對許多除草劑產生抗藥性,目前除草劑抗性是世界性問題,嚴重威脅作物生產。

    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差異,成功鑒定并克隆到草甘膦抗性相關基因EcABCC8。轉基因水稻進一步證明過表達該基因可導致對草甘膦的抗性,利用基因編輯手段敲除水稻體內的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后也能導致轉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,發現EcABCC8的轉錄變異可能由甲基化水平的差異造成。進一步探討了ABCC8介導植物抗草甘膦的內在生物學機制,與以往研究較多的液泡膜ABC轉運蛋白不同,該研究發現ABCC8主要定位于質膜上,在細胞水平上將進入細胞內的草甘膦轉運至質膜外以降低毒性,這一原理與人體癌細胞的抗藥性機理相似。分子模擬法解析了草甘膦分子與稗草EcABCC8蛋白結構上的相互作用,也證實了這一作用機制。

    該研究是雜草抗藥性以及ABC轉運蛋白研究領域的重要進展,不僅豐富了雜草抗藥性基礎理論,而且對應用遺傳手段逆轉雜草對草甘膦的抗藥性提供了理論依據,對作物的耐草甘膦遺傳改良也具有重要指導價值。

    PNAS雜志在“In This Issue”環節提名特別推介該研究,PNAS雜志的科學作家/編輯Janelle Weaver以“植物轉運蛋白通過從細胞中泵出毒性物質以導致除草劑抗性”(Transporter confers herbicide resistance in plants by extruding toxin from cells)為題進行評述,指出“潘浪等提供了證據表明ABC轉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”(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)；“這一分子機理與癌細胞所用相似,都是通過ABC轉運蛋白泵出化學治療藥并導致對其抗性”(This molecular mechanism is similar to that used by cancer cells, which use ABC transporters to extrude and resist chemotherapeutic drugs)。