PNAS | 湖南大学和中国农业科学院团队协作破解降低农药残留的天然密码

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近日，湖南大学隆平农学院/生物学院姚瑞枫教授团队与中国农业科学院植物保护研究所董丰收研究员团队紧密协作，在《美国科学院院刊》（PNAS）发表题为“Glycosylation of glyphosate drives residue reduction and herbicide tolerance in rice”的研究成果，首次在水稻中鉴定到一个能对除草剂草甘膦进行糖基化修饰的酶，为培育兼具除草剂高抗性和低残留的理想作物品种提供新方案。因其重要的科学价值与应用前景，被期刊编辑遴选为“Press Interest Article”，并通过美国科学促进会（AAAS）的全球科学新闻平台EurekAlert!发布。

一个紧迫的全球性问题

草甘膦是全球使用最广泛的除草剂，但大量使用引发食品农药残留和健康风险问题。现有抗草甘膦作物多依赖转异源基因，存在生物安全争议。发掘植物内源非靶标抗性基因是解决这一问题的潜在途径，但目前已知的草甘膦代谢酶极少。水稻作为全球半数人口的主粮，杂草威胁严重，亟需开发低残留、非转基因的抗草甘膦品种。因此，从水稻种质资源中挖掘能高效代谢草甘膦的关键基因，为杂草绿色管理提供新策略。

从水稻种质资源中发现的“天然耐受性”

研究团队在研究植物激素作用机理的过程中，意外发现一种名为Kitaake的水稻品种对草甘膦具有相对较强的天然耐受性。通过转录组分析，团队锁定了7个与这种耐受性密切相关的UDP-糖基转移酶（UGT）基因。通过体外酶活性分析，进一步将研究目标聚焦于其中一个关键酶GRGT1（GLYPHOSATE RESPONSIVE GLYCOSYLTRANSFERASE 1）。

图1 UDP-糖基转移酶GRGT1表达模式和草甘膦代谢功能验证

一个精妙的“加糖解毒”机制

在耐受品种Kitaake中，GRGT1基因的启动子区域发生了一个关键的单碱基缺失变异，使得GRGT1的表达显著增强。进一步研究表明，GRGT1蛋白定位于细胞的内质网上，它能够催化一个核心反应—将葡萄糖/葡萄糖醛酸分子修饰到草甘膦分子上，从而将有毒的草甘膦加上了一个无毒的“糖标签”。团队通过基因编辑、回补和过表达等一系列遗传材料的草甘膦代谢实验证明，正是GRGT1蛋白驱动的草甘膦糖基化修饰，催生了三种糖基化的草甘膦衍生物（M329, M331, M345），从而有效降低水稻体内草甘膦的残留，并赋予水稻对草甘膦一定程度的耐受性。

图2 GRGT1介导的糖基化修饰赋予水稻草甘膦抗性和解毒的机制模型

该研究揭示了一种使水稻能够天然耐受草甘膦并保持低农药残留的分子机制。GRGT1基因及其特有的启动子变异，为培育兼具高除草剂耐受性和低草甘膦残留的绿色水稻品种提供了重要基因资源。未来，通过定向进化等技术进一步提升GRGT1的催化效率，或将其与其他草甘膦抗性机制（如EPSPS酶的TIPS突变）进行叠加，以期在更多作物中培育出既具备强抗性，又能实现低残留、高食品安全性的理想品种，对推动农业绿色可持续发展具有重要意义。

湖南大学生物学院博士研究生杨付来为论文第一作者，湖南大学隆平农学院/生物学院姚瑞枫教授、中国农业科学院植物保护研究所潘兴鲁副研究员为共同通讯作者。中国农业科学院植物保护研究所郑永权研究员、董丰收研究员、周文涛博士，湖南大学张蒙副教授、陈丽副教授、张俊助理教授、薛成凤博士、科研助理王月华也参与了本研究并作出重要贡献。湖南农业大学潘浪教授为本研究提供了宝贵支持和建议。本研究得到国家重点研发计划、岳麓山实验室、湖南省科技厅的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2516099123

【招聘招生信息】

姚瑞枫课题组主要从事植物激素作用机理、植物生长调节物质开发、植物-微生物互作及水稻生物育种研究。常年招收具有水稻生物学、蛋白质设计、有机化学、基因编辑、生物信息学、植物-微生物共生互作或植物抗逆等研究背景的博士后、硕士及博士研究生（含免试推荐直博、申请-考核制等来源），围绕植物激素作用机理、植物生长调节物质开发、植物-微生物互作及水稻生物育种开展前沿研究。已有多名博士后获得国家青年基金、国家资助博士后计划、海外博士后引进计划等，平均年收入40余万元，3年总收入最高达200万元（税前）。欢迎来信沟通洽谈（ryao@hnu.edu.cn）。

导师简介：姚瑞枫，清华大学生物学博士，现任湖南大学隆平农学院教授、副院长，教育部“青年长江学者”，国家重点研发青年科学家项目负责人。主要从事植物激素作用机理、植物生长调节物质开发、植物-微生物互作及水稻生物育种研究。在独脚金内酯和茉莉素两类激素的感知和信号传递机制方面作出了一定的学术贡献，为作物产量和抗性遗传改良育种提供了重要基因资源和理论基础，以第一或通讯作者在Nature、PNAS、Nat Com、Plant Cell、Mol Plant、Cell Res、Cell Rep、Plant Biotech J、New Phytol、Plant Physiol、Plant J、《中国科学-生命科学》等期刊发表论文二十余篇，并受邀在Trends in Plant Science等期刊撰写综述或专评。研究成果“植物分枝激素独脚金内酯的受体感知机制”曾入选全球生物信号转导领域重要突破、中国生命科学十大进展、中国高校十大科技进展。

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