澳大利亞昆士蘭大學(xué)揭示雜草抗除草劑的結(jié)構(gòu)機(jī)制

2022年6月11日，《Nature communications》在線發(fā)表了澳大利亞昆士蘭大學(xué)Luke W. Guddat團(tuán)隊(duì)題為“Structural basis of resistance to herbicides that target acetohydroxyacid synthase”的研究論文。該研究通過(guò)對(duì)乙酰羥酸合成酶突變體（W574L和P197T）與除草劑CE或BS結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)的解析，發(fā)現(xiàn)這些突變可降低除草劑與乙酰羥酸合成酶的結(jié)合親和力，并阻礙除草劑對(duì)乙酰羥酸合成酶的時(shí)間性氧化失活；揭示了雜草通過(guò)AHAS突變獲得除草劑抗藥性的結(jié)構(gòu)機(jī)制，有助于新除草劑的設(shè)計(jì)。

除草劑廣泛使用的同時(shí)，雜草的抗藥性（主要由AHAS的突變引起）正變得越來(lái)越普遍。為了解決這個(gè)問(wèn)題，已有不少研究利用計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)和試驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)、篩選并發(fā)現(xiàn)新的AHAS抑制劑，這些研究在一定程度上擴(kuò)大了AHAS抑制劑的選擇空間；然而，雜草的AHAS突變體是如何對(duì)除草劑產(chǎn)生抗藥性的，其機(jī)制仍不清楚。

目前，雜草AHAS的P197和W574突變是最常見(jiàn)的抗藥性突變。該研究選取了W574L、P197L、P197T和S653T這4種AHAS突變體，通過(guò)酶的催化活性鑒定和氧化還原信號(hào)調(diào)控分析，發(fā)現(xiàn)這些AHAS突變體具有類(lèi)似的調(diào)控作用和活性，甚至活性更高（如W574L）。同時(shí)，研究人員分別解析了W574L突變體及其與除草劑CE或BS結(jié)合時(shí)的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，W574L突變可分別使CE和BS的結(jié)合親合力降低70倍和150倍，同時(shí)，W574L突變使AHAS構(gòu)象發(fā)生變化，并阻礙CE對(duì)AHAS酶的氧化失活，但BS仍可起作用。

最后，研究人員進(jìn)一步解析了P197T突變體與除草劑CE或BS結(jié)合的復(fù)合體晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，由于CE芳香環(huán)與P197吡咯烷環(huán)（pyrrolidine ring）之間的互作受影響，CE和P197T突變體的結(jié)合親和力下降了30倍，同時(shí)阻礙了它對(duì)AHAS酶的氧化失活；但是，P197T突變體并不能影響B(tài)S與它的結(jié)合，且該突變可成倍促進(jìn)BS對(duì)AHAS酶的時(shí)間性氧化失活。

綜上所述，該研究分別解析了AHAS突變體W574L、P197T與除草劑CE或BS結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)，并顯示這些突變通過(guò)2種方式來(lái)增強(qiáng)對(duì)除草劑的抗藥性：降低除草劑與AHAS的結(jié)合親和力，以及阻礙除草劑對(duì)AHAS酶的時(shí)間性氧化失活；揭示了雜草通過(guò)AHAS突變獲得除草劑抗藥性的結(jié)構(gòu)機(jī)制。