细胞色素P450基因CYP81A1过表达介导多花黑麦草抗精噁唑禾草灵的代谢机制

Wheat is an important crop in China. Lolium multiflorum is a serious gramineous weed in wheat fields in China. Fenoxaprop is one of the most widely used aryloxyphenoxypropionate herbicides (AOPPs) in China to control annual gramineous weeds in wheat fields. However, its controlling efficiency has been decreasing with the contiuous application in fields. Currently, target-site resistance and metabolic resistance are recognized as the main mechanism of resistance. In our previous research, target-site resistance were excluded from one fenoxaprop-resistant L. multiflorum. RNA-seq analysis and a series of phenotype/genotype validation experiments reveal one cytochrome P450 contig CYP81A1 higher expressed in the R than S L. multiflorum plants. Rice calli overexpressing the CYP81A1 gene is resistant to fenoxaprop. In the present study, we aim to study the bioinformatics molecular modeling of CYP81A1 gene, express the CYP81A1 protein in E.coli, and overexpress CYP81A1 gene in rice seedlings, performe metabolomics analysis of CYP81A1 transgenic rice seedlings. The results of this study can reveal a novel metabolic gene that confers resistance to fenoxaprop, and provide the key information to the management of fenoxaprop-resistant L. multiflorum.

抗精噁唑禾草灵的多花黑麦草是严重威胁我国小麦安全生产的重要恶性杂草之一。代谢抗性作为最重要、最常见的非靶标抗性机理，其威胁相比靶标抗性更大但研究进展缓慢。本项目申请者前期研究发现：细胞色素P450基因CYP81A1参与了多花黑麦草对精噁唑禾草灵的代谢解毒，该基因过量表达后可导致水稻愈伤组织对精噁唑禾草灵产生抗性，但是其精准的机理尚不清楚。申请者拟继续以多花黑麦草的抗性生物型与对应的敏感型为研究材料，通过生物信息学、分子生物学与代谢组学等多学科的交叉研究方法，首先以分子模拟、异源表达明确多花黑麦草CYP81A1基因与精噁唑禾草灵抗性的关系，其次通过转基因水稻佐证多花黑麦草来源CYP81A1基因的功能，最后探明多花黑麦草CYP81A1基因参与解毒精噁唑禾草灵的代谢通路。预期研究结果可揭示CYP81A1过表达介导的多花黑麦草代谢抗性的机理，发现杂草代谢抗性的新机理，应用前景广阔。

小麦是我国重要粮食作物，多花黑麦草是我国小麦田恶性杂草，精噁唑禾草灵是防除小麦田禾本科杂草的重要药剂，目前抗性严重。目前靶标抗性和代谢抗性被公认为抗性产生的主要原因。本项目前期研究已发现抗精噁唑禾草灵多花黑麦草R3种群，并发现R3种群仅存在代谢抗性，且通过转录组测序技术挖掘出可能参与抗性的细胞色素P450基因CYP81A1，该基因过量表达后可导致水稻愈伤组织对精噁唑禾草灵产生抗性。本项目通过同源建模法解析多花黑麦草CYP81A1蛋白与精噁唑禾草灵的结合及其位点，明确精噁唑禾草灵伸入由CYP81A1蛋白多个氨基酸组成的疏水口袋中，并可与之稳定结合。异源表达成功获得多花黑麦草CYP81A1蛋白，将成功重组蛋白与精噁唑禾草灵进行降解实验，通过质谱解析了代谢最终产物的结构。成功获得CYP81A1过表达的转基因水稻幼苗，用精噁唑禾草灵处理后，明确多花黑麦草中的CYP81A1基因可在成株水平导致水稻对精噁唑禾草灵的抗性，确定了该基因的功能。使用代谢组学分析了对抗性/敏感多花黑麦草、CYP81A1/GFP过表达的转基因水稻的代谢通路，通过联合分析找出它们共同变化的部分为初级胆酸合成途径和二级代谢物合成途径，表明这两个途径很有可能是多花黑麦草CYP81A1 基因参与的代谢通路。本项目的研究结果可明确CYP81A1基因参与的代谢抗性，丰富杂草代谢抗性机理，还能为该抗性多花黑麦草种群的治理提供有效的技术指导。