大穗看麥娘中已存在的抗除草劑遺傳變異

大穗看麥娘已經(jīng)成為歐洲最具經(jīng)濟破壞性的抗性雜草。來自德國圖賓根大學馬普生物研究所和德國斯圖加特霍恩海姆大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，這些抗性主要歸因于除草劑使用之前的遺傳多態(tài)性。

幾十年來，使用針對植物中特定蛋白質的除草劑來控制這種雜草的做法導致了雜草對除草劑抗性的驚人增長：僅在英國，大穗看麥娘預計每年就可造成約5 億歐元的損失。它對除草劑的快速適應威脅超過了化學除草技術。

由德國圖賓根馬普生物研究所分子生物學Detlef Weigel 實驗室和德國霍恩海姆大學作物生物多樣性和育種信息學Karl Schmid 實驗室領導的科學家團隊研究了導致抗性的進化機制。防除大穗看麥娘的2 種最常用除草劑可以抑制大穗看麥娘生長所必需的2 種蛋白質中的一種的作用。

為了對付這些毒素，大穗看麥娘已經(jīng)發(fā)展出了各種策略，包括通過代謝毒素來阻止毒素接觸到它們本應使之失效的蛋白質。不過，具有這種抗性的植物對高劑量的農(nóng)藥還是很敏感的。更糟糕的、也更常見的是所謂的靶標位點抗藥性：直接在編碼靶標蛋白質的基因中進行修飾可以使植物對甚至高劑量除草劑產(chǎn)生抗性。

這些靶標位點抗性的迅速出現(xiàn)促使研究人員考慮了新發(fā)生的突變與在除草劑暴露前雜草種群中已經(jīng)存在的變異所起的作用。

了解大穗看麥娘等的基因組使研發(fā)公司能夠制定有助于長期使用除草劑產(chǎn)品的管理措施。遺傳變異揭示了進化史。研究人員創(chuàng)建了大穗看麥娘的參比基因組——作為遺傳研究中比較基準的DNA 序列的理想代表，并研究了抗性種群的遺傳結構。

在大多數(shù)抗性雜草種群中發(fā)現(xiàn)的變異表明，抗藥性的傳播是預先存在的基因變異的結果，并且僅在較小程度上是自發(fā)突變。通常，當進化優(yōu)勢來自自發(fā)突變時，可以看到整個種群的遺傳變異有所減少，但這里的情況并非如此。研究人員將他們的實際數(shù)據(jù)與幾種適應情景的模擬相匹配，表明靶標位點抗性突變很可能在除草劑開始施加選擇性壓力之前就已經(jīng)存在。

為了獲得他們的發(fā)現(xiàn)，研究人員使用生物學家所謂的長讀長擴增子對編碼靶標蛋白質及其周圍區(qū)域的基因進行了非常準確的測序。然而，他們面臨著處理數(shù)百個植物單株的挑戰(zhàn)，這是一項耗時且昂貴的工作。

因此，研究人員設計了一種基因測序過程，使他們能夠分析來自單個DNA 提取的100 多個個體，而不會損失大部分原始精度。他們使用從斯圖加特公司Agris42 提供的樣本，將他們的方法應用于德國的64 個田間雜草種群。

該研究可能是追蹤抗藥性發(fā)生率的有用資源，特別是因為研究中包括的模擬表明，抗性基因變異，即使是罕見的變異，也可以在未經(jīng)過除草劑處理的地區(qū)保留幾十年。在直接的實際影響方面，雜草防除計劃不應該僅僅依賴除草劑，還應該將機械除草和作物輪作結合起來，使田間雜草發(fā)生率持續(xù)保持在較低水平。