南京农业大学植物保护学院在《Plant Physiology》发表突破领域关键技术瓶颈论文,成功建立恶性杂草猪殃殃基因表达操控技术体系

近日，南京农业大学植物保护学院冯致科教授课题组在Plant Physiology发表了题为“Establishment of a versatile virus-based system for elucidating herbicide resistance in Galium aparine”的研究论文，成功建立了针对猪殃殃的基因表达操控体系，突破了杂草研究领域关键技术瓶颈；将为探究恶性杂草猪殃殃灾变机制提供关键支撑体系，增进对除草剂作用机制的解析以及杂草基因资源的挖掘与利用，对农田恶性杂草的科学防控具有重要意义。

恶性杂草严重制约粮食产量提升，农业生产上主要通过喷施除草剂来防除杂草。除草剂用量在农药使用总量的占比已超50%，施用不当导致杂草快速进化出对除草剂的抗药性。受限于杂草基因表达操控体系的缺乏，对杂草抗药性演变机制的研究较难深入；之前主要采用基因异源表达系统验证杂草基因的功能，即在水稻或拟南芥上表达测试杂草基因。

猪殃殃属于茜草科植物，在小麦田和油菜田发生范围广，危害严重；且抗药性演变迅速，防除困难。聚焦于这一恶性杂草的高效精准防控，课题组连续三年从全国多地小麦田采集猪殃殃种群，进行抗药性检测；在采集的120余份样品中，超70%的样品表现出对苯磺隆的抗药性；进一步通过靶标基因测序，发现大多数抗性种群的靶标基因ALS含有氨基酸突变，其介导对除草剂的靶标抗性。同时，开发了针对靶标抗性的抗药性快速检测方法。该研究较系统地检测了我国小麦田猪殃殃的抗药性发生情况。相关进展已发表在领域内知名期刊Pest Management Science上，题为“Tribenuron-methyl resistance in catchweed bedstraw (Galium aparine): status and MIRA-based rapid detection of ALS D376E mutation”，硕士研究生班雅欣、王彤萱和张战战为论文共同第一作者，冯致科教授为通讯作者。

在抗药性检测中发现部分抗性猪殃殃种群对除草剂的代谢速率较快，表现为代谢抗性。为深入解析猪殃殃抗药性演变机制，亟待开发其基因表达操控技术体系。

利用植物病毒学生物技术手段，大量筛选发现烟草花叶病毒TMV可以系统侵染猪殃殃，且无病毒症状，不影响猪殃殃的生长与发育。将荧光蛋白基因GFP插入改造后的TMV载体，导入猪殃殃后，发现荧光信号分布在接种叶，并可系统移动扩散至整株。利用这一体系，将靶标基因ALS的突变体导入猪殃殃敏感植株，其表现出对除草剂的耐药性。进一步将在抗性猪殃殃种群鉴定到的多个细胞色素P450基因分别导入猪殃殃敏感植株，发现表达不同P450基因的猪殃殃植株对除草剂的耐受程度不同。这一技术体系可在45天内完成猪殃殃基因功能的测试。

该技术体系也可用于其它种类杂草的基因功能研究，相较于异源拟南芥或水稻功能验证体系，具有实验周期短的特点。

相关进展已发表在Plant Physiology上，博士研究生刘颖和施可瑢为论文共同第一作者，冯致科教授为通讯作者。南京农业大学陶小荣教授和美国科罗拉多州立大学Franck E. Dayan教授为该研究提供了重要指导，南京农业大学董立尧教授和李俊副教授提供了重要支持。

课题组主要开展农田恶性杂草防控、杂草抗药性演变机理与除草剂作用机制等方面研究，相关研究受国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目等资助。 

全文链接：https://academic.oup.com/plphys/article/201/2/kiag285/8688565

https://scijournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ps.71132

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