EPSPS基因5'端非翻译区串联重复序列介导牛筋草抵抗草甘膦的调控机制

Glyphosate- resistant (R) Eleusine indica population seriously threatens the output and quality of crops in China, the expansion of R E. indica will continue to affect the safe production of crops. The applicant's previous study found that the insertion of the (CT)n repeat sequence in the 5′-untranslated region(5’UTR) of the EPSPS gene resulted in a significant up-regulation of EPSPS gene expression in R E. indica. But so far, how the (CT)n sequence regulates the expression of EPSPS gene and conferred E. indica resistance to glyphosate is poorly understood. This project intends to use molecular biology and genetic methods to determine the relationship between the length of (CT)n sequence and the resistant level of E. indica to glyphosate firstly, and then to explore the transcription factor and its interactive protein that bind to (CT)n sequence and regulate the expression of EPSPS gene, and finally to verify the biological functions of the transcription factors and interaction proteins. The above studies will elucidated the regulatory mechanism of (CT)n sequence-mediated expression of EPSPS genes and discover new mechanisms of weed resistance to glyphosate. These findings may provide a theoretical basis for formulating new strategies of farmland weeds control and improving the quality of farmland ecological environment in China, which have a broad application prospect.

抗草甘膦的牛筋草种群严重威胁着我国农作物的产量与品质，抗性牛筋草种群的扩展将持续影响农作物的安全生产。申请者前期研究发现：抗草甘膦的牛筋草EPSPS基因5’非翻译区串联重复序列（CT）n发生插入突变后，可导致抗性牛筋草植株EPSPS基因的表达显著上调。迄今为止，有关（CT）n序列突变如何调控EPSPS基因表达，并赋予牛筋草对草甘膦产生高抗性的分子机制知之甚少。本申请项目拟采用分子生物学和遗传学等研究方法，首先明确（CT）n序列长度与牛筋草对草甘膦抗性水平的关联性；然后发掘与（CT）n序列结合且调控EPSPS基因表达的转录因子及互作蛋白；最后探寻该转录因子与互作蛋白的生物学特征及功能。以上研究可解析（CT）n序列介导EPSPS基因表达的调控机理，发现杂草对草甘膦产生抗性的新机制。这些研究结果也许能为制定我国绿色治理农田恶性杂草新策略和提升我国绿色农田生态环境质量提供理论依据，应用前景广阔。

草甘膦在中国地区被用于杂草防控超40年，前期调研发现，华南地区主要作物种植区多数牛筋草种群可能已经进化出了草甘膦的抗性。本研究以田间收集的6个抗草甘膦(R)牛筋草种群为材料，研究潜在靶标抗性机制，取得如下研究进展：1）所检测的抗草甘膦牛筋草种群机制丰富，靶标基因5-烯醇丙酮酸草基酸3-磷酸合成酶(EPSPS)过表达(OE)和基因拷贝数变异(CNV)在94%的R植株中发生,其中16%的R植株发生P106A突变，49%的R植株发生杂合双TIPS (T102I + P106S)突变(加P381L)。此外，少数R系植株(6%)仅有同源TIPS(加P381L)突变。2）EPSPS 5’-UTR元件中(CT)6插入突变与EPSPS OE和CNV呈正相关；发生EPSPS OE和CNV的植株生物量显著增加，同时获得TIPS突变和EPSPS OE/CNV的单株植物具有进化优势；3）鉴定到7个与EPSPS基因表达调控相关的转录因子，其中2个(ARF8和BPC6)转录因子能与5ups元件结合，但不能与(CT)6插入突变后的5ups元件结合。因此进一步研究了(CT)6插入突变在EPSPS CNV中的用。4) 探索从基因组层面解析EPSPS CNV新机制，完成了草甘膦敏感和耐草甘膦牛筋草个体高质量的基因组测序和精细组装，明确了EPSPS基因在敏感型牛筋草中的定位，以及在抗型牛筋草中的复增区序列特征，发现了典型的复增区域，初步揭示了EPSPS在染色体端粒亚区域的一种新的重排是最终导致了除草剂抗性进化的新机制。