寻找菜豆除草剂解决方案揭示抗逆性主开关

水麻对任何农作物生产者来说都是一烦，但在菜豆田里，这种杂草的茎节在收获时会折断，使作物受到不可食用的“豆荚”污染。然而，许多针对水麻登记的除草剂都会对菜豆造成危害，导致生产者几乎没有化学解决方案。

现在，诺伊大学厄巴纳-香槟分校和美国农业部农业研究局的一项新研究确定了能够耐受氟噻嗪的豆种质，氟噻嗪是一种土壤施用的除草剂，可有效对抗水麻。此外，负责这种耐受性的基因组区域似乎充当了主开关控制多种抗逆基因的

论文《对菜豆多样性面板中氟噻嗪耐受性的映射导致发现控制多种抗逆基因的主基因组区域》发表在《植物科学前沿》杂志上。

“抗逆性是许多不同基因对不同环境刺激作出反应的结果，因此，试图提高植物的总体抗逆性对植物育种者来说可能非常复杂和困难。但现在我们认为育种者可以纵这一个基因，并控制数百个其他基因。这真的非常令人兴奋，”该研究的主要作者 Ana Saballos 说道。Ana Saballos 是 ORISE ARS 的常任科学研究员，也是诺伊州农业、消费者和环境科学学院作物科学系的研究员。

Saballos 和她的同事们利用了 377 种豆角基因型组成的多样性面板，这些基因型代表了该作物一个世纪以来的改良。该团队种植了来自多样性面板的种子，然后在一天后用氟噻嗪处理土壤。

虽然除草剂降低了植物密度降低了 84%，每株植物的生物量减少了近 60%，但研究人员高兴地发现，一些基因型几乎毫发无损地存活了下来。

当研究人员分析所有 377 种菜豆的内部工作原理时，他们发现 2 号染色体上的一个基因组区域与氟虫腈耐受性明显相关。

“这就像一个开关：决定生存还是毁灭，”资深研究作者、ARS 生态学家和作物科学系兼职教授马蒂威廉姆斯 (Marty Williams) 说。

如果除草剂的特定酶靶标(原卟啉原氧化酶，PPO)在耐受性植物中发生突变，则会出现如此明显的转变。在这种情况下(一种称为靶位抗性的现象)，除草剂无法与突变的 PPO 酶结合以改变其活性。但研究人员没有在与除草剂耐受性相关的基因组区域中发现 PPO 基因。

“当你看到这种时断时续的反应时，通常就意味着靶位点抗性。因此，令人惊讶的是，与耐受性相关的区域并不靠近已知的 PPO 酶位置，”Saballos 说。

“我们还寻找了可能能够解除草剂的酶——包括一类称为 P450 的酶——但我们没有找到任何这些酶的基因。我们不得不采取另一种方法。”

接下来，团队研究了基因表达。尽管他们没有在基因组区域内发现 P450 基因本身，但这些酶在耐受性植物中的表达率更高。Saballos 认为耐受性植物基因组区域中的某些神秘元素(可能是转录因子)可能控制着其余基因组中 P450 基因的激活。

某些抗氧化剂在耐受植物中的表达率也更高，而与细胞凋亡(萨巴洛斯称之为“细胞自杀”的过程)相关的基因的表达率较低。

研究人员表示，基因表达的整体模式不仅可以解释对氟噻嗪的耐受性;它还可以影响植物对多种环境压力的反应。

“最终，我们决定确定氟噻嗪是否可以选择性地控制菜豆中的水麻。不幸的是，大多数菜豆品种对这种除草剂的耐受性不足，”威廉姆斯说。

“然而，存在一个能够调节大量与抗逆性有关的基因表达的单一元素是令人兴奋的，并且对基础科学和应用作物育种具有很高的兴趣。”