稗属杂草种间抗二氯喹啉酸机理差异性研究

Echinochloa spp., the general name of annual grass Echinochloa plants, is one of the worst weeds which have serious impacts on the rice quantity and quality in China. At present, the main barnyardgrass in rice fields have developed resistance to quinclorac, but little is known about the difference in resistance mechanism of various barnyardgrass to quinclorac. In our previous work, four species of Echinochloa spp. (Echinochloa crusgalli (L.) Beauv., Echinochloa crusgalli var. zelayensis (H.B.K.) Hitehe, Echinochloa crus-pavonis (H.B.K.) Schult and Echinochloa colonum (L.) Link) including quinclorac-resistant and -susceptible biotypes have been successfully screened. On the basis of these materials, the quinclorac-resistant level will be explored using the research tools of plant physiology. Meanwhile, the activities of ACC synthase (ACS), ACC oxidase (ACO) and β-cyanoalanine synthase (β-CAS) will be measured along with the different treatment dosage of quinclorac and different treatment time. Finally, the key enzyme genes (ACS, ACO and β-CAS) will be identified by PCR method. The point mutations in these genes will be analyzed by sequence alignment, and then the expression of these genes will be determined by quantitative real-time PCR among these four resistant species induced by quiclorac. The different functions of these genes will be elucidated by transgenic Arabidopsis. The results of this project will reveal the quinclorac-resistant mechanism of various barnyardgrass to quinclorac and provide the basis for effective control of barnyardgrass and the gaurantee of rice food safety in our county.

稗草（Echinochloa spp.）是一年生禾本科稗属植物的总称，是严重影响我国水稻安全生产的最重要的恶性杂草之一。本研究团队前期研究发现，稻田稗属主要杂草种对二氯喹啉酸均产生了抗药性，但是其抗药机理是否存在差异，仍缺乏系统研究。申请者拟以4种稻田稗属杂草（稗、西来稗、孔雀稗和光头稗）的敏感型和抗性生物型为研究材料，采用植物生理学和分子生物学等研究手段，确定稗属杂草种对二氯喹啉酸的抗性水平；经二氯喹啉酸处理后，研究供试材料关键酶ACS、ACO和β-CAS的活性随药剂处理剂量和时间的变化规律；最后，克隆ACS、ACO和β-CAS基因，比对各基因在敏感和抗性生物型间的序列差异，分析各基因表达水平差异性，并通过转基因拟南芥验证基因的功能差异。预期结果将揭示稗属杂草不同种抗二氯喹啉酸的机理差异性，为绿色治理稻田稗草和保障我国粮食安全提供依据。

稗属杂草（Echinochloa spp.）作为稻田最主要的恶性杂草之一，严重影响水稻的产量和品质。目前，稻田不同稗属杂草种对二氯喹啉酸均产生了抗药性，但是其抗药机理是否存在差异，仍缺乏系统研究。本项目以4种稗属杂草的敏感和抗性生物型为研究材料，研究稗属杂草种对二氯喹啉酸的抗性水平差异；探讨关键酶ACS、ACO和β-CAS的活性变化规律；最后比对分析ACS、ACO和β-CAS基因在敏感和抗性生物型间的序列差异。结果显示，稗草的8个生物型ECS-S/R、ECB-S/R、ECZ-S/R和ECL-S/R GR50值分别为171.25、1519.23、194.85、4487.30、207.41、1932.81、180.64、1336.55g a.i. ha-1；ECS-S/R、ECB-S/R、ECZ-S/R和ECL-S/R之间的GR50比值（RI）分别为8.87、23.03、9.32和7.40；4个抗性生物型的抗性水平依次为：ECB-R＞ECZ-R＞ECS-R＞ECL-R。酶活测定结果表明，随着二氯喹啉酸剂量的增加，敏感生物型ECS-S、ECB-S、ECZ-S、ECL-S中ACS活性均显著增加，而抗性生物型除了ECL-R中ACS活性增加以外，ECS-R、ECB-R和ECZ-R ACS活性都没有明显变化。ACO活性变化趋势与ACS类似，但光头稗ECL-S和ECL-R中ACO对二氯喹啉酸的响应差异不大。对β-CAS活性而言，孔雀稗、西来稗和光头稗的抗性和敏感性材料之间没有差异，呈现了相同的变化规律；但普通稗抗性材料ECB-R β-CAS活性在24h时显著高于敏感型ECB-S材料。对ACC含量和乙烯生成速率测定，结果表明其变化规律和ACS、ACO变化规律相吻合，与各生物型的抗性倍数负相关。PCR扩增稗草的ACS、ACO和β-CAS基因，氨基酸序列分析发现它们在孔雀稗、普通稗和西来稗的抗性和敏感生物型之间存在差异；但ACS和ACO在光头稗抗性和敏感生物型之间没有差异，仅CAS有差异位点。荧光定量PCR方法分析结果发现，对于ACS和ACO基因表达而言，敏感生物型均呈现先增后减趋势，但抗性生物型变化幅度不大。对于β-CAS基因表达而言，ECB-S 0-5d内变化不大，ECB-R 3d时表达量显著提高。ECS-S和ECS-R的β-CAS基因的表达量没有差异。