基于菵草ACCase等位基因突变的适合度代价研究

American sloughgrass (Beckmannia syzigachne Steud.) is a widely spread poaceaea weed in wheat or oilseed rape fields rotated with rice. With the repeated and extensive use of acetyl coenzyme A carboxylase (ACCase) inhibitor herbicides, American sloughgrass had evolved high-level resistance. Accompanied by the development of herbicide resistance ,knowing fitness cost is so important to develop resistance weed control stratagies.Project team had confirmed amino acids substitution at site 1781、2027、2041、2078、2096 of ACCase is one of the most important reason.On this basis,the objectives of this project is ①develop methods for rapid detection of known point mutations and obtaining homozygous seeds segregating for1781、2041、2078、2096 alleles sharing common genetic backgrounds;②analyze the difference of each mutation resistant and sensitive genotypes in biology, ecology at each growth stage and the different reactions under stress conditions, comprehensively and accurately evaluate fitness costs caused by various mutations;③compare the difference of ACCase activities of each mutation resistant and sensitive genotypes to initially reveal the reason for generation of fitness cost.

由于长期使用乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)抑制剂类除草剂防除麦田禾本科杂草，稻茬麦田和油菜田主要杂草菵草对该类除草剂已产生了高水平抗性。伴随着抗性的产生，适合度代价研究已成为制定抗性杂草治理策略的重要依据之一。课题组前期研究证实，菵草ACCase基因在 1781、2027、2041、2078、2096位点氨基酸替换是导致其产生高抗性的主要原因，在此研究基础上本课题：一是利用CAPS(或dCAPS)子标记技术快速检测ACCase的突变位点基因型和突变类型的纯合性，分离并获得遗传背景相对一致的各ACCase突变位点的纯合材料；二是利用已分离的纯合材料，分析各突变位点抗、敏基因型在各个生长阶段生物学、生态学方面的差异以及在逆境条件下的反应，全面、准确地衡量各突变方式引起的适合度代价；三是对比各位点突变抗敏、基因型ACCase离体活性及酶动力学差异，以初步揭示适合度代价产生的原因。

精噁唑禾草灵等ACCase抑制剂类除草剂的长期施用导致了菵草严重的抗药性。质体ACCase发生突变是其对精噁唑禾草灵产生高水平抗性的原因之一，为明确5种ACCase突变（Ile1781Leu、Trp2027Cys、Ile2041Asn、Asp2078Gly、Gly2096Ala）对菵草适合度的影响，以期为预测抗性菵草在田间的演化及为综合治理抗性杂草提供理论指导。本项目主要研究结果如下：1. 菵草种子萌发特性方面：Ile1781Leu纯合突变能够导致菵草种子在更低的渗透压及更高的NaCl浓度下萌发；Asp2078Gly纯合突变则可导致菵草种子抗老化能力显著降低；Trp2027Cys纯合突变使菵草种子在老化16天后依然能够保持较高的萌发率；Gly2096Ala纯合突变未改变菵草种子在各种条件下萌发趋势。2. 生长特性方面：Ile1781Leu纯合突变可导致菵草相对生长速率及净同化率的提高（经典分析分别为10.5%、31.7%，组合分析分别为7.34%、12.8%），Asp2078Gly纯合突变可导致菵草生长速率、净同化率的降低（经典分析分别为10.7%、15.4%，组合分析分别为8.53%、13.4%）。Trp2027Cys、Ile2041Asn、Gly2096Ala突变都未对菵草营养生长阶段的生长产生影响。3. 竞争能力方面：Asp2078Gly纯合突变可导致菵草植株生物量、结种量、株高均显著降低，Trp2027Cys纯合突变仅可导致菵草种子产量显著降低，Ile1781Leu、Ile2041Asn纯合突变对菵草竞争能力基本无影响，Gly2096Ala突变未对菵草的竞争能力产生影响。4. 低温、干旱胁迫试验表明：Asp2078Gly纯合突变可导致菵草在低温处理时SOD、CAT活性显著降低（约10%），在干旱胁迫下CAT活性降低低（约9%），导致抗寒、抗旱能力有一定程度降低。Ile1781Leu、Trp2027Cys、Ile2041Asn、Gly2096Ala纯合突变对低温、干旱条件下保护酶活性基本无影响，对菵草抗寒、抗旱能力基本无影响。该抗性基因的传播产生较小影响，Ile1781Leu突变能引起的种子萌发、植株生长等方面的适合度增强可能对该基因的传播提供有力条件，Ile2041Asn、Gly2096Ala突变也可导致菵草轻微的适合度变化，但对其繁育能力未产生明显影响。