今天给大家分享的是由日本东京大学的Shini-chi Arimura教授和Nobuhiro Tsutsumi教授团队于2025年2月在《Plant Biotechnology Journal》上发表的研究性论文，文章的题目为“Resistance to the herbicide metribuzin conferred to Arabidopsis thalianaby targeted base editing of the chloroplast genome”。 在现代农业中，除草剂的使用对于降低杂草危害，保障农作物稳产至关重要。但同时也面临一些挑战，如除草剂对作物本身的伤害以及可能对环境造成的影响。这项研究为我们提供了一种新的解决方案——通过基因编辑技术，修改植物的叶绿体基因组，使植物自身获得对除草剂的抗性。
叶绿体是植物细胞中负责光合作用的重要细胞器，与核基因组不同，叶绿体基因组在遗传上具有母系遗传的特点，这意味着它在很多物种中不会通过花粉传播到野生种群中，从而降低了基因传播的风险。此外，由于改造叶绿体基因组相对困难，故叶绿体基因组的改造在作物育种中一直未能得到充分利用。
研究团队利用了一种名为C-to-T碱基编辑器的工具，核心为ptpTALECD_v2（单链DNA胞嘧啶脱氨酶），通过改变TALE阵列的设计方向，这种酶能够结合到DNA双链中的任意一条上，该工具能够精准地对叶绿体基因组中的特定碱基进行编辑。他们选择了拟南芥作为实验对象，这是一种常用于植物科学研究的模式植物。实验的目标是改造拟南芥叶绿体基因组中的psbA基因，该基因编码的D1蛋白是光系统II的关键组成部分，并是除草剂嗪草酮的作用靶点。
研究人员引入了两种已知的D1蛋白突变——V219I和A251V。这两种突变在自然界中的一些植物中已被发现能够赋予对嗪草酮等除草剂的抗性。通过构建含有ptpTALECD_v2碱基编辑器的二元载体，并将其整合到拟南芥的核基因组中，研究人员成功地在叶绿体基因组中引入了这些突变，这种突变也被证明是稳定可遗传的。
结果显示，A251V单突变和V219I & A251V双突变的拟南芥植株在含有1 mg/L嗪草酮的培养基上表现出了显著的抗性，而野生型植株则生长不良。在0.1 mg/L嗪草酮的条件下，V219I突变植株也显示出比野生型更强的抗性。此外，V219I & A251V双突变植株在没有嗪草酮的条件下生长状况与野生型植株相似，但在嗪草酮存在时，它们的生长状况却比单突变植株更好。
而在0.5 g/L的嗪草酮喷雾浓度下（农业推荐剂量）WT和V219I完全枯萎；A251V部分受损；双突变体几乎不受影响，在不进行除草剂处理的农艺评估中A251V单突变体的地上干重，显著低于WT；双突变体与WT无差异。A251V的莲座叶面积比WT小~30%；双突变体恢复至WT水平，这说明了A251V单突变在土壤中存在生长代价，而V219I可补偿这一缺陷，使双突变体实现"抗性-产量"平衡。
基于冷冻电镜结构，野生型D1蛋白质体醌（plastoquinone）的苯醌基团被疏水口袋包围，关键残基包括F255, H252, A251, I248, L218, V219。研究团队使用AutoDock Vina模拟嗪草酮结合，结果显示嗪草酮的三级甲基进入疏水口袋，与A251侧链密切接触。而在突变型D1蛋白中，缬氨酸侧链比丙氨酸大，产生空间位阻，阻止嗪草酮结合，但也轻微阻碍质体醌结合（降低本底光合效率）。而对于V219I&A251V双突变来说，疏水口袋体积略微扩大，可容纳质体醌（恢复光合效率），但仍排斥嗪草酮（保持抗性）。随后的AlphaFold2预测显示双突变口袋构象介于野生型与A251V之间。
本研究第一作者为Issei Nakazato，Nobuhiro Tsutsumi教授和Shin-ichi Arimura教授为本文的共同通讯作者。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14490
撰稿：刘品谷
审稿：陈克
