「PNAS」生長素共受體IAA2的缺失突變賦予植物除草劑抗性

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生長素IAA（吲哚-3-乙酸）是植物生長和發育的關鍵調節劑，其人工合成類似物2，4-D能夠強烈誘導生長素訊號反應，導致植物死亡，因此常被用作除草劑。目前，有41種不同的雜草已經進化出對除草劑的抗性，但其中所涉及的分子基礎仍瞭解尚少。

近日，德國科羅拉多州立大學Todd A。 Gaines等在期刊PNAS發表題為“An in-frame deletion mutation in the degron tail of auxin coreceptor IAA2 confers resistance to the herbicide 2，4-D in Sisymbrium orientale”的研究論文，證實生長素共受體IAA2在DT區域27bp的缺失使東方大蒜芥獲得除草劑抗性。

https：//doi。org/10。1073/pnas。2105819119

東方大蒜芥（Sisymbrium orientale）是一種農田惡性雜草。為了確定東方大蒜芥雜草種群中具有2，4-D抗性的機制，研究者對具有2，4-D抗性（R）和對2，4-D敏感（S）的植株進行了轉錄組分析。結果顯示，植株具有2，4-D的抗性與SoIAA2基因的缺失突變有關。擴增測序顯示，抗性植株中SoIAA2序列缺失了27bp的片段（SoIAA2Δ27），從而導致編碼的蛋白質缺失了九個氨基酸（SoIAA2Δ9），缺失的片段為degron和PB1結構域之間的DT區域（圖1）。

圖1 SoIAA2的片段缺失賦予植株對 2，4-D 的抗性

接下來，研究者透過正向遺傳學，利用基因表型分析、基因分離等證實了SoIAA2Δ27與抗性表型的關係。自花授粉雜合子個體的後代中，最為敏感的是SoIAA2純合子，2，4-D處理能夠損傷70%的植株，雜合子受2，4-D的影響大致損傷24%的植株，抗性植物SoIAA2Δ27大概損傷12%。

為了檢測SoIAA2Δ27是否足以賦予植株2，4-D的抗性，研究者將CaMV35S啟動子驅動下的SoIAA2和SoIAA2Δ27 分別轉化至擬南芥（圖2）。表型分析發現含有空載體和SoIAA2的植物沒有表現出明顯的異常表型；SoIAA2Δ27雜合的擬南芥轉化植株表現出針形的葉子，並且植株株繫有所減小；SoIAA2Δ27純合植株具有形態異常、植株矮小、花器官數量減少和種子產量降低的明顯表型。與此同時，植株根伸長測定發現，相比於野生型、空載體轉化株和SoIAA2的轉基因植株，SoIAA2Δ27轉化植株根發育受IAA、2，4-D和麥草畏處理的影響最小。以上結果表明，表達SoIAA2Δ27就足以賦予擬南芥對2，4-D和麥草畏的抗性。

圖2 IAA2和IAA2Δ27轉基因擬南芥的表型和抗性分析

前人研究報道，AUX/IAA的DT區域對AUX/IAA與生長素受體TIR1的相互作用至關重要。為了確定SoIAA2中DT缺失干擾除草劑結合的機制，研究者進行了表面等離子共振（SPR）測定。結果顯示SoIAA2和SoIAA2Δ9（SoIAA2Δ27的蛋白產物）都能與TIR1和AFB5結合，但SoIAA2Δ9與TIR1的結合較弱。這種較低親和力的結合可能會引起泛素化的減少、AUX/IAA 蛋白壽命的延長以及植株對生長素敏感性的降低。最後，研究者使用同源性蛋白質模型來探索DT缺失對TIR1和SoIAA2之間相互作用的影響。結果顯示，SoIAA2Δ9中9個殘基的缺失導致了IAA2 結構發生巨大變化，阻止了PB1結構域與TIR1的正確結合（圖3）。

圖3 SoIAA2Δ9中的DT區域缺失改變了其構象及與生長素的結合力

綜上所述，本文基於轉錄組測序挖掘了東方大蒜芥中的抗除草劑功能獲得突變基因，透過轉基因在擬南芥中進行了功能驗證，利用生理生化和同源建模解析了抗性分子機制，研究結果為培育抗除草劑作物提供了新的思路。

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