华大在线讯（通讯员 董进）近日，我校绿色农药全国重点实验室（华中师范大学）杨光富课题组在《美国国家科学院院刊（PNAS）》在线发表题为“An artificially evolved gene for herbicide-resistant rice breeding”的研究论文。该研究报道了一种广谱抗除草剂的新基因，能够赋予水稻对HPPD类除草剂的广谱抗性，该基因对作物育种具有重要的意义，应用前景广阔。

水稻是全世界一半以上人口的主粮。在水稻种植中，使用除草剂是防控杂草最经济有效的手段。但除草剂的长期使用会导致杂草抗药性的发展，因此发现广谱抗除草剂的新基因，并将其工程化成为分子育种研究面临的一个关键挑战。2019年，Science曾报道了一种对三酮类除草剂具有抗性的基因HIS1。然而，HIS1只在粳稻中才能正常表达，在籼稻中由于基因的缺失而无法表达。此外，由于HIS1降解三酮类除草剂的活性还不够高，在实际生产中粳稻仍对大部分三酮类HPPD除草剂仍然较敏感，导致三酮类除草剂在水稻田无法得到实际应用。HSL是HIS1的同源蛋白，在粳稻、籼稻以及小麦、玉米、高粱等作物中均广泛存在，但其降解三酮类除草剂的能力明显弱于HIS1，且适应的底物范围也较窄。因此，对HSL开展定向进化，设计对除草剂具有广谱抗性的新基因，为抗除草剂作物分子育种提供新的基因资源，具有极其重要的理论和现实意义。

图为基于结构的人工进化策略及其在水稻上的应用

针对这一挑战，研究团队率先成功解析了HSL与HPPD除草剂的复合物晶体结构，揭示了HSL与底物的结合模式，发现了对催化反应起重要作用的4个氨基酸残基。为提高HSL的催化效率，研究人员利用点突变产生了单重突变到四重突变的水稻HSL（OsHSL1）突变体M1-M10，并系统评估了它们对三酮类除草剂的催化活性，其中M10与HIS1的催化活性总体相当，但其催化降解甲基喹草酮（MBQ）的能力优于HIS1。为考察突变体实际应用价值，研究团队以中花11为母本，构建了可稳定遗传的抗除草剂转基因水稻，并系统评价了其抗性水平。结果表明，表达OsHSL1-M10的品系对MBQ具有显著抗性，相比表达OsHSL1-WT的品系，抗性水平提高了32倍，这为抗除草剂水稻育种提供了新基因，也为MBQ应用防控杂草稻等稻田恶性杂草奠定了基础。

本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及湖北省重点研发计划项目的支持。我校董进博士、于欣禾博士和湖北时珍实验室董江清研究员为本文的共同第一作者，我校杨光富教授和林红艳副教授为共同通讯作者，绿色农药全国重点实验室（华中师范大学）为唯一通讯单位。

（审读人：杨光富）

文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2407285121