草害是农业生产中三大生物灾害之一，每年导致世界粮食产量损失相当于约10亿人的口粮，造成直接经济损失约1200亿元。目前已知的许多作物田恶性杂草包括稗草、千金子等均为多倍体植物。多倍体由于其增加的遗传变异和复制基因的缓冲作用，对极端环境具有更强的耐受性。目前仅知道多倍体杂草具有更强的除草剂适应性，但是由于缺乏合适的研究模型，其中的分子遗传机制仍有许多未知。

2023年5月8日，湖南省农业科学院柏连阳院士团队在植物学TOP期刊Plant Biotechnology Journal （2022年IF=13.263）在线发表题为“Genomic analyses provide insights into the polyploidization-driven herbicide adaptation in Leptochloa weeds”的研究论文。该研究选择稻田恶性杂草四倍体千金子及其二倍体同属近缘种虮子草为研究模型，对虮子草进行基因组从头组装及注释，并与千金子进行了比较基因组学、进化基因组学、群体遗传学等方面的研究，进而揭示了多倍化介导的恶性杂草强除草剂适应性的分子遗传机制。

该研究从头组装并注释了虮子草参考基因组，构建了千金子属杂草的进化轨迹。研究发现虮子草仅有一次全基因组复制事件（WGD），该事件为禾本科草类所共有，而千金子除此次WGD外，还有一次距今约1100万年前的WGD，该事件导致了千金子的物种形成，并发现常见的与除草剂抗性有关的基因家族在千金子的进化过程中发生了特异性扩张。作者随后分析了该多倍化事件对千金子/虮子草除草剂抗性相关性状的影响，发现5个常见的除草剂靶标基因均发生了多倍化扩增。此外，还发现三个参与除草剂转运过程或代谢过程的抗性基因发生了多倍化扩增，并分析了它们的组织表达模式以及与同源基因的系统发育关系，通过分子对接试验确定了它们与稻田防治千金子常用除草剂氰氟草酯和恶唑酰草胺的结构相互作用。作者进一步对89份中国千金子的重测序数据进行核苷酸多样性分析和FST分析鉴定受到选择的基因组区间，发现有一对除草剂抗性基因在中国千金子的恶性传播过程中受到选择。据此模式筛选到一个新的既受到除草剂选择也发生了多倍化扩增的CYP450基因，并验证了该基因与氰氟草酯和恶唑酰草胺的结构相互作用。

图1. 千金子属杂草进化轨迹与多倍化介导的除草剂抗性基因扩增

最后，作者基于研究结果模拟构建了多倍化介导的除草剂抗性基因扩增，并随之导致多倍体杂草获得更强的除草剂适应性的分子进化模型，为多倍体杂草的抗性来源机制研究以及制订更加绿色高效的杂草防控策略提供了参考。

图2. 多倍化赋予恶性杂草强除草剂适应性的分子进化模型

柏连阳院士团队博士研究生陈克，助理研究员杨浩娜为该论文的共同第一作者。湖南省农业科学院柏连阳院士，王立峰副研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖南省杰出青年基金、湖南省青年科技人才项目、长沙市杰出创新青年培养计划、国家现代农业产业技术体系岗位科学家等经费的资助。

文章来源：植物生物技术Pbj