化学除草是现代农业的必要措施和重要标志，但在除草剂大量应用所带来的选择压力下，杂草进化出抗药性是必然趋势，也是化学除草面临的全球性难题。明晰杂草抗药性机制是治理抗除草剂杂草的关键，杂草对除草剂的代谢增强属于非靶标抗性，这种抗性机制隐蔽且容易对多种不同作用机制的除草剂产生广谱抗性，其研究较少，然而威胁却更大。非靶标抗性涉及的酶系均属于基因家族，多个基因参与并发挥作用，但由于杂草基因组的缺失，明确其具体的代谢抗性功能基因的难度较大。目前，杂草代谢抗性分子机制的研究主要集中在细胞色素P450氧化酶上，鲜有涉及谷胱甘肽-S-转移酶（GST）参与的除草剂代谢机制。近日，柏连阳院士团队潘浪课题组在植物科学权威期刊Plant Biotechnology Journal上在线发表了题为“PfGSTF2 endows resistance to quizalofop-p-ethyl in Polypogon fugax by GSH-conjugation”的研究论文，发现了一个全新的棒头草GST基因PfGSTF2，揭示了棒头草通过该基因催化谷胱甘肽（GSH）与精喹禾灵轭合解毒反应从而赋予抗性的代谢新机制。棒头草是一种一年生禾本科杂草，在我国冬油菜田中严重发生，防治主要依赖以精喹禾灵为主的化学除草剂，然而，精喹禾灵对多个油菜田中棒头草种群的防治效果逐年降低。团队的前期研究发现，GST基因家族可能参与棒头草对除草剂的代谢抗性，但对具体GST候选基因的功能解析进展缓慢。该研究成功鉴定了棒头草抗除草剂精喹禾灵的主效代谢基因PfGSTF2，过表达PfGSTF2基因使转基因水稻对ACCase抑制剂类除草剂（如精喹禾灵和高效氟吡甲禾灵）产生抗性，这一抗性模式与抗性棒头草完全一致。通过利用CRISPR/Cas9敲除水稻中PfGSTF2基因的同源基因，可以提高其对精喹禾灵的敏感性。体外代谢和分子对接结果表明，PfGSTF2催化精喹禾灵的主要活性产物喹禾灵酸与GSH轭合，生成除草活性显著降低的代谢产物PPA和GSH轭合物。同样，这两种代谢产物在抗性种群中的积累水平显著高于敏感种群。此外，研究还发现PfGSTF2 依赖的谷胱甘肽过氧化物酶（GPOX）活性减轻了植物体内ROS的积累，从而降低了细胞毒性，这也是导致棒头草抗精喹禾灵的一个因素。综合来看，该研究是杂草抗药性及GST代谢抗性机制研究领域的重要进展，不仅丰富了杂草抗药性的基础理论，还为应用抑制剂逆转杂草对精喹禾灵的抗药性提供了理论依据，对作物的耐精喹禾灵遗传改良也具有重要指导价值。抗性棒头草PfGSTF2基因代谢精喹禾灵的分子机制
该研究的第一单位为湖南农业大学，湖南农业大学已毕业博士陈文（现塔里木大学农学院）为论文第一作者，柏连阳院士、湖南农业大学潘浪教授和澳大利亚西澳大学余勤教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和国家产业技术体系等项目的资助。
