β-三酮類除草劑(bTHs)是4-羥基苯丙酮酸雙加氧酶(HPPD)抑制劑,廣泛應用于農業。開發用于稻田中雜草控制的bTH苯并雙環(BBC)顯示出對抗其他類型除草劑(包括磺酰脲)的稻雜草的功效。然而,一些高產水稻品種對BBC敏感,現未能鑒定導致BBC敏感性的基因,使未來的水稻育種計劃面臨風險。
Science 在線發表來自日本埼玉大學 Yuzuru Tozawa團隊題為″A rice gene that confers broad-spectrum resistance to β-triketone herbicides″的研究論文,該研究鑒定了水稻基因HIS1(HPPD抑制劑敏感1)基因,其賦予水稻對BBC和其他β-三酮類除草劑的抗性。研究發現HIS1編碼Fe(II)/ 2-氧戊二酸依賴性加氧酶,其通過催化它們的羥基化來解毒β-三酮類除草劑。
另外,該研究還在水稻中鑒定了第二種除草劑抗性基因OsHSL1(HIS1-like),并顯示持續OsHSL1表達使擬南芥對TFT具有抗性。鑒于抗HPPD抑制劑的雜草的傳播與抗其他除草劑的雜草相比仍然有限,例如5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶抑制劑和乙酰乳酸合成酶抑制劑,將bTH與HIS1或OsHSL1一起應用適用于農田雜草控制。
有機化學除草劑的發現和大規模地應用,是20世紀發生的農業綠色革命最重要的標志之一,極大地改變了農業勞動生產方式,促進了農業的現代化,為保障全球糧食生產安全作出了巨大貢獻。迄今,全 球已經發展出 30 余個大類、20多個作用靶標、約400～500個化學除草劑品種的雜草化學防除產品技術體系。但隨著社會文明的進步和公眾健康意識的提高,廣泛、長期、大量使用化學除草劑所帶來的負面影響 亦日益顯現,倍受全球關注。一方面,大量化學除草劑的施用帶來了環境污染。另一方面,過度依賴和長期大量使用單一除草劑,導致了雜草抗藥性的產 和發展。據最新統計,全球已發現 244 種(142 種雙子葉,102 種單子葉)雜草的 447 個生物型對 22 類 作用位點的 156 種化學除草劑產生了抗藥性。因此,研制廣譜、高效、低毒新型綠色除草劑特別是發展生物除草劑顯得十分迫切！
圖1,抗各種除草劑的物種數量統計(2009年)
β-三酮類除草劑(bTHs)是4-羥基苯丙酮酸雙加氧酶(HPPD)抑制劑,廣泛應用于農業。 開發用于稻田中雜草控制的bTH苯并雙環(BBC)顯示出對抗其他類型除草劑(包括磺酰脲)的稻雜草的功效。然而,一些高產水稻品種對BBC敏感,未能鑒定導致BBC敏感性的基因,使未來的水稻育種計劃面臨風險。因此該研究著手鑒定決定BBC抗性或敏感性的水稻基因。
該研究人員確定了一種水稻基因HIS1(HPPD抑制劑敏感1),它賦予水稻對BBC和其他β-三酮類除草劑的抗性。HIS1編碼Fe(II)/ 2-氧戊二酸依賴性加氧酶,其通過催化它們的羥基化來解毒β-三酮類除草劑。通過擬南芥中的基因轉化和水稻his1突變體證實了HIS1蛋白的這種功能。鑒于HIS1作為單個基因起到解毒多種bTH的作用,其在分子作物育種中的應用將支持除草劑選擇的多樣性。
粳稻BBC抗性基因的鑒定
由HIS1催化的酶反應
另外,該研究還在水稻中鑒定了第二種除草劑抗性基因OsHSL1(HIS1同源基因),并顯示強制OsHSL1表達使擬南芥對TFT具有抗性。鑒于抗HPPD抑制劑的雜草的傳播與抗其他除草劑的雜草相比仍然有限,例如5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶抑制劑和乙酰乳酸合成酶抑制劑,將bTH與HIS1或OsHSL1一起應用適用于農田雜草控制。
HIS1及其相關蛋白的系統發育分析
各轉基因植物對除草劑易感性