灣區(qū)時(shí)訊 草甘膦是全球產(chǎn)、銷、用居首位的非選擇性除草劑，近年來雜草對草甘膦抗性快速進(jìn)化問題越來越突出，是雜草科學(xué)防控和草甘膦產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題。EPSPS ( 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase) 基因復(fù)增是雜草抗草甘膦的普遍機(jī)制，近年來在越來越多的抗草甘膦雜草中發(fā)現(xiàn)。但由于全球雜草基因組學(xué)資源有限，EPSPS基因復(fù)增的起源和分子機(jī)制在許多草甘膦抗性雜草中難以解析。牛筋草（Eleusine indica）是一種全球性惡性雜草，在我國華南地區(qū)廣泛發(fā)生，前期研究發(fā)現(xiàn)廣東地區(qū)絕大多數(shù)牛筋草種群通過EPSPS基因復(fù)增對草甘膦產(chǎn)生抗藥性。

近日，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所雜草防控課題組聯(lián)合澳大利亞西澳大學(xué)、美國密歇根州立大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)在Nature communications發(fā)表了題為“Subtelomeric 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase copy number variation confers glyphosate resistance in Eleusine indica” 的研究論文，從染色體水平上揭示了草甘膦靶基因EPSPS通過在近端粒區(qū)復(fù)增促進(jìn)雜草對草甘膦產(chǎn)生抗藥性的新機(jī)理。

 

基因組結(jié)構(gòu)變異（Genomic structural variation, SV）對生物進(jìn)化有著深刻的影響，是生物遺傳變異的重要來源。基因拷貝數(shù)變異（CNV）即基因復(fù)增是SV的一種，它與真核生物的適應(yīng)性進(jìn)化，特別是環(huán)境脅迫有關(guān)。為了研究抗草甘膦牛筋草中的這種CNV機(jī)制，研究人員采用三代基因組測序技術(shù)，分別獲得草甘膦敏感型和抗型牛筋草高質(zhì)量基因組資源。

利用該基因組及重測序信息等，研究人員首先對草甘膦靶基因EPSPS的新增拷貝序列進(jìn)行了精細(xì)組裝和分析，明確了草甘膦敏感型牛筋草的EPSPS基因定位于3號染色體上，而在草甘膦抗性牛筋草中，EPSPS基因則與其它幾個(gè)基因融合后形成復(fù)增片段插入到基因組的一個(gè)或多個(gè)亞端粒區(qū)域，非單基因復(fù)增，復(fù)增片段稱之為“EPSPS- cassette”，在不同抗性植株中平均重復(fù)約25次。進(jìn)一步分析推測，抗草甘膦牛筋草中EPSPS-Cassette CNV可能是在減數(shù)分裂期通過染色體不均等雜交發(fā)生。牛筋草染色體亞端粒區(qū)序列高度重復(fù)，功能基因不多，EPSPS基因在這個(gè)區(qū)域復(fù)增不影響其它基因功能，從而使牛筋草在較小的適合度代價(jià)上獲得新抗性，促進(jìn)抗性種群快速進(jìn)化。

 

這一發(fā)現(xiàn)拓展了對染色體亞端粒區(qū)作為新變異發(fā)生區(qū)的重要性的認(rèn)識，為除草劑抗性進(jìn)化研究開辟了新的視野；同時(shí)，牛筋草高質(zhì)量基因組的解析為新一代可噴施基因除草劑的研發(fā)和新作用機(jī)制除草劑的創(chuàng)制提供豐富的基因資源。

廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所張純研究員和美國密歇根州立大學(xué)博士生Nicholas A. Johnson為論文第一作者，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所田興山研究員，西澳大學(xué)余勤教授及美國密歇根州立大學(xué)Eric Patterson教授為論文共同通訊作者，美國密歇根大學(xué)Nathan Hall博士也參與了該研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目，美國密歇根大學(xué)基金項(xiàng)目和澳洲GRDC項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40407-6