马泡瓜抗烟嘧磺隆相关P450基因的挖掘与解析

Field muskmelon (Cucumis melo L. var. agrestis Naud.), a global troublesome weed affecting corn, is difficult to control and drastically reduces crop yields. Over dependence on nicosulfuron has led to the development of resistance. P450s play an important role in conferring resistance to herbicides in weeds. To date, there exist few reports about P450 genes in resistant weeds. The mechanisms of resistance mediated by P450s were still unclear. We have documented that P450s involved in conferring resistance to nicosulfuron in field muskmelon. By RNA-Seq, RT-PCR, qPCR and transgenic researches, we propose to: build the gene bank of field muskmelon; indentify, clone and analysis the P450 genes and its function; specific the expression patterns of P450 genes; validate the function of P450 genes, and decipher the mechanism of resistance to nicosulfuron mediated by P450s. The results of this study will help us deepen the understanding of the action modes and roles of P450s, decipher the mechanism of resistance to nicosulfuron mediated by P450s, and provide key information to the management of resistant weeds.

马泡瓜是我国乃至世界范围内玉米田危害最为严重的杂草之一。随着玉米田除草剂烟嘧磺隆的广泛使用，抗药性问题逐步突显。P450s介导的代谢能力增强是杂草对烟嘧磺隆产生抗药性的重要机制，目前杂草抗性相关P450基因研究甚少，其介导的抗药性分子机制仍不清楚。本项目拟以存在P450s介导的抗性马泡瓜为材料，通过转录组测序分析、RT-PCR、qPCR、转基因等技术，建立马泡瓜转录组数据库，筛选鉴定差异表达P450基因；克隆差异表达P450基因并进行生物信息学分析，解析其表达模式；验证差异表达P450基因的功能；揭示抗性相关P450基因的功能及其介导的马泡瓜抗性分子机制。预期本研究能够促进对P450基因生理功能的认识，对进一步明确其介导的代谢抗性机制，全面揭示杂草抗药性机制具有重要意义，同时在实践上对于制定抗性治理策略亦具有重要指导意义。

马泡瓜是一年生阔叶杂草，近年来已经成为我国乃至世界玉米田危害最为严重的杂草之一。烟嘧磺隆是玉米田使用最广泛，地位最重要的除草剂；但是随着该除草剂的使用，抗药性问题逐步突显。目前, 马泡瓜对烟嘧磺隆抗药性机制未见报道；杂草代谢抗性相关基因研究甚少，代谢抗性分子机制仍不清楚。. 本项目针对马泡瓜对烟嘧磺隆的抗药性问题，开展了以下研究：（1）不同马泡瓜种群对烟嘧磺隆的敏感性；（2）P450抑制剂马拉硫磷对马泡瓜抗药性的影响（3）靶标酶ALS的活性测定；（4）靶标酶ALS的基因克隆、序列分析及表达量研究；（5）马泡瓜转录组测序和组装；（6）差异表达基因的筛选及功能分析；（7）P450等候选代谢抗性基因的验证及表达模式解析。结果表明： 26 个马泡瓜种群对烟嘧磺隆的敏感性存在较大差异，抗性水平最高的为Cm-140种群，其 ED50值为87.89 g·ha–1，相对抗性倍数为7.31倍。以Cm-140作为后续研究的R种群，Cm-119作为S种群，研究了其在靶标ALS活性，ALS基因表达量及基因序列上的差异，结果未发现以上R和S种群间存在差异。在对P450抑制剂马拉硫磷对马泡瓜抗药性水平的影响研究中发现，P450抑制剂马拉硫磷可以降低马泡瓜的抗药性，而对敏感马泡瓜无影响，由此间接表明P450介导的代谢抗性是马泡瓜产生抗药性的重要原因。利用转录组测序技术，对R和S马泡瓜的转录组进行了测序分析，质量控制后有954,925,154条clean reads。通过对差异基因的GO功能分析和KEGG代谢途径富集分析，确定了差异表达基因参与的可能代谢途径。分析差异表达基因，筛选得到了5个差异表达基因，包括4个P450基因和1个GST基因。通过进一步的qPCR验证及表达模式分析确定了这些基因构成性表达的提高及烟嘧磺隆诱导性的表达提高是马泡瓜产生抗药性的重要代谢抗性机理。本项目对于揭示杂草抗性分子机制具有重要意义，在实践上对于制定抗性治理策略亦具有重要指导意义。