澳大利亚昆士兰大学揭示杂草抗除草剂的结构机制

2022年6月11日，《Nature communications》在线发表了澳大利亚昆士兰大学Luke W. Guddat团队题为“Structural basis of resistance to herbicides that target acetohydroxyacid synthase”的研究论文。该研究通过对乙酰羟酸合成酶突变体（W574L和P197T）与除草剂CE或BS结合的晶体结构的解析，发现这些突变可降低除草剂与乙酰羟酸合成酶的结合亲和力，并阻碍除草剂对乙酰羟酸合成酶的时间性氧化失活；揭示了杂草通过AHAS突变获得除草剂抗药性的结构机制，有助于新除草剂的设计。

除草剂广泛使用的同时，杂草的抗药性（主要由AHAS的突变引起）正变得越来越普遍。为了解决这个问题，已有不少研究利用计算机预测和试验来设计、筛选并发现新的AHAS抑制剂，这些研究在一定程度上扩大了AHAS抑制剂的选择空间；然而，杂草的AHAS突变体是如何对除草剂产生抗药性的，其机制仍不清楚。

目前，杂草AHAS的P197和W574突变是最常见的抗药性突变。该研究选取了W574L、P197L、P197T和S653T这4种AHAS突变体，通过酶的催化活性鉴定和氧化还原信号调控分析，发现这些AHAS突变体具有类似的调控作用和活性，甚至活性更高（如W574L）。同时，研究人员分别解析了W574L突变体及其与除草剂CE或BS结合时的晶体结构。结果显示，W574L突变可分别使CE和BS的结合亲合力降低70倍和150倍，同时，W574L突变使AHAS构象发生变化，并阻碍CE对AHAS酶的氧化失活，但BS仍可起作用。

最后，研究人员进一步解析了P197T突变体与除草剂CE或BS结合的复合体晶体结构，结果显示，由于CE芳香环与P197吡咯烷环（pyrrolidine ring）之间的互作受影响，CE和P197T突变体的结合亲和力下降了30倍，同时阻碍了它对AHAS酶的氧化失活；但是，P197T突变体并不能影响BS与它的结合，且该突变可成倍促进BS对AHAS酶的时间性氧化失活。

综上所述，该研究分别解析了AHAS突变体W574L、P197T与除草剂CE或BS结合的晶体结构，并显示这些突变通过2种方式来增强对除草剂的抗药性：降低除草剂与AHAS的结合亲和力，以及阻碍除草剂对AHAS酶的时间性氧化失活；揭示了杂草通过AHAS突变获得除草剂抗药性的结构机制。