大穗看麥娘已經(jīng)成為歐洲最具經(jīng)濟(jì)破壞性的抗性雜草。來自德國(guó)圖賓根大學(xué)馬普生物研究所和德國(guó)斯圖加特霍恩海姆大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，這些抗性主要?dú)w因于除草劑使用之前的遺傳多態(tài)性。

幾十年來，使用針對(duì)植物中特定蛋白質(zhì)的除草劑來控制這種雜草的做法導(dǎo)致了雜草對(duì)除草劑抗性的驚人增長(zhǎng)：僅在英國(guó)，大穗看麥娘預(yù)計(jì)每年就可造成約5 億歐元的損失。它對(duì)除草劑的快速適應(yīng)威脅超過了化學(xué)除草技術(shù)。

由德國(guó)圖賓根馬普生物研究所分子生物學(xué)Detlef Weigel 實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)霍恩海姆大學(xué)作物生物多樣性和育種信息學(xué)Karl Schmid 實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研究了導(dǎo)致抗性的進(jìn)化機(jī)制。防除大穗看麥娘的2 種最常用除草劑可以抑制大穗看麥娘生長(zhǎng)所必需的2 種蛋白質(zhì)中的一種的作用。

為了對(duì)付這些毒素，大穗看麥娘已經(jīng)發(fā)展出了各種策略，包括通過代謝毒素來阻止毒素接觸到它們本應(yīng)使之失效的蛋白質(zhì)。不過，具有這種抗性的植物對(duì)高劑量的農(nóng)藥還是很敏感的。更糟糕的、也更常見的是所謂的靶標(biāo)位點(diǎn)抗藥性：直接在編碼靶標(biāo)蛋白質(zhì)的基因中進(jìn)行修飾可以使植物對(duì)甚至高劑量除草劑產(chǎn)生抗性。

這些靶標(biāo)位點(diǎn)抗性的迅速出現(xiàn)促使研究人員考慮了新發(fā)生的突變與在除草劑暴露前雜草種群中已經(jīng)存在的變異所起的作用。

了解大穗看麥娘等的基因組使研發(fā)公司能夠制定有助于長(zhǎng)期使用除草劑產(chǎn)品的管理措施。遺傳變異揭示了進(jìn)化史。研究人員創(chuàng)建了大穗看麥娘的參比基因組——作為遺傳研究中比較基準(zhǔn)的DNA 序列的理想代表，并研究了抗性種群的遺傳結(jié)構(gòu)。

在大多數(shù)抗性雜草種群中發(fā)現(xiàn)的變異表明，抗藥性的傳播是預(yù)先存在的基因變異的結(jié)果，并且僅在較小程度上是自發(fā)突變。通常，當(dāng)進(jìn)化優(yōu)勢(shì)來自自發(fā)突變時(shí)，可以看到整個(gè)種群的遺傳變異有所減少，但這里的情況并非如此。研究人員將他們的實(shí)際數(shù)據(jù)與幾種適應(yīng)情景的模擬相匹配，表明靶標(biāo)位點(diǎn)抗性突變很可能在除草劑開始施加選擇性壓力之前就已經(jīng)存在。

為了獲得他們的發(fā)現(xiàn)，研究人員使用生物學(xué)家所謂的長(zhǎng)讀長(zhǎng)擴(kuò)增子對(duì)編碼靶標(biāo)蛋白質(zhì)及其周圍區(qū)域的基因進(jìn)行了非常準(zhǔn)確的測(cè)序。然而，他們面臨著處理數(shù)百個(gè)植物單株的挑戰(zhàn)，這是一項(xiàng)耗時(shí)且昂貴的工作。

因此，研究人員設(shè)計(jì)了一種基因測(cè)序過程，使他們能夠分析來自單個(gè)DNA 提取的100 多個(gè)個(gè)體，而不會(huì)損失大部分原始精度。他們使用從斯圖加特公司Agris42 提供的樣本，將他們的方法應(yīng)用于德國(guó)的64 個(gè)田間雜草種群。

該研究可能是追蹤抗藥性發(fā)生率的有用資源，特別是因?yàn)檠芯恐邪ǖ哪M表明，抗性基因變異，即使是罕見的變異，也可以在未經(jīng)過除草劑處理的地區(qū)保留幾十年。在直接的實(shí)際影響方面，雜草防除計(jì)劃不應(yīng)該僅僅依賴除草劑，還應(yīng)該將機(jī)械除草和作物輪作結(jié)合起來，使田間雜草發(fā)生率持續(xù)保持在較低水平。