广东省农科院解析牛筋草高质量基因组，揭示草甘磷靶基因复增新机制

日期: 2023/8/14

世界农化网中文网报道：草甘膦是全球产、销、用居首位的非选择性除草剂，近年来杂草对草甘膦抗性快速进化问题越来越突出，是杂草科学防控和草甘膦产业可持续发展的瓶颈问题。EPSPS ( 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase) 基因复增是杂草抗草甘膦的普遍机制，近年来在越来越多的抗草甘膦杂草中发现。但由于全球杂草基因组学资源有限，EPSPS基因复增的起源和分子机制在许多草甘膦抗性杂草中难以解析。牛筋草（Eleusine indica）是一种全球性恶性杂草，在我国华南地区广泛发生，前期研究发现广东地区绝大多数牛筋草种群通过EPSPS基因复增对草甘膦产生抗药性。

近日，广东省农业科学院植物保护研究所杂草防控课题组联合澳大利亚西澳大学、美国密歇根州立大学相关团队在Nature communications发表了题为″Subtelomeric 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase copy number variation confers glyphosate resistance in Eleusine indica″ 的研究论文，从染色体水平上揭示了草甘膦靶基因EPSPS通过在近端粒区复增促进杂草对草甘膦产生抗药性的新机理。

基因组结构变异（Genomic structural variation, SV）对生物进化有着深刻的影响，是生物遗传变异的重要来源。基因拷贝数变异（CNV）即基因复增是SV的一种，它与真核生物的适应性进化，特别是环境胁迫有关。为了研究抗草甘膦牛筋草中的这种CNV机制，研究人员采用三代基因组测序技术，分别获得草甘膦敏感型和抗型牛筋草高质量基因组资源。

利用该基因组及重测序信息等，研究人员首先对草甘膦靶基因EPSPS的新增拷贝序列进行了精细组装和分析，明确了草甘膦敏感型牛筋草的EPSPS基因定位于3号染色体上，而在草甘膦抗性牛筋草中，EPSPS基因则与其它几个基因融合后形成复增片段插入到基因组的一个或多个亚端粒区域，非单基因复增，复增片段称之为″EPSPS- cassette″，在不同抗性植株中平均重复约25次。进一步分析推测，抗草甘膦牛筋草中EPSPS-Cassette CNV可能是在减数分裂期通过染色体不均等杂交发生。牛筋草染色体亚端粒区序列高度重复，功能基因不多，EPSPS基因在这个区域复增不影响其它基因功能，从而使牛筋草在较小的适合度代价上获得新抗性，促进抗性种群快速进化。

这一发现拓展了对染色体亚端粒区作为新变异发生区的重要性的认识，为除草剂抗性进化研究开辟了新的视野；同时，牛筋草高质量基因组的解析为新一代可喷施基因除草剂的研发和新作用机制除草剂的创制提供丰富的基因资源。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40407-6