大穗看麦娘中已存在的抗除草剂遗传变异

大穗看麦娘已经成为欧洲最具经济破坏性的抗性杂草。来自德国图宾根大学马普生物研究所和德国斯图加特霍恩海姆大学的研究人员发现，这些抗性主要归因于除草剂使用之前的遗传多态性。

几十年来，使用针对植物中特定蛋白质的除草剂来控制这种杂草的做法导致了杂草对除草剂抗性的惊人增长：仅在英国，大穗看麦娘预计每年就可造成约5 亿欧元的损失。它对除草剂的快速适应威胁超过了化学除草技术。

由德国图宾根马普生物研究所分子生物学Detlef Weigel 实验室和德国霍恩海姆大学作物生物多样性和育种信息学Karl Schmid 实验室领导的科学家团队研究了导致抗性的进化机制。防除大穗看麦娘的2 种最常用除草剂可以抑制大穗看麦娘生长所必需的2 种蛋白质中的一种的作用。

为了对付这些毒素，大穗看麦娘已经发展出了各种策略，包括通过代谢毒素来阻止毒素接触到它们本应使之失效的蛋白质。不过，具有这种抗性的植物对高剂量的农药还是很敏感的。更糟糕的、也更常见的是所谓的靶标位点抗药性：直接在编码靶标蛋白质的基因中进行修饰可以使植物对甚至高剂量除草剂产生抗性。

这些靶标位点抗性的迅速出现促使研究人员考虑了新发生的突变与在除草剂暴露前杂草种群中已经存在的变异所起的作用。

了解大穗看麦娘等的基因组使研发公司能够制定有助于长期使用除草剂产品的管理措施。遗传变异揭示了进化史。研究人员创建了大穗看麦娘的参比基因组——作为遗传研究中比较基准的DNA 序列的理想代表，并研究了抗性种群的遗传结构。

在大多数抗性杂草种群中发现的变异表明，抗药性的传播是预先存在的基因变异的结果，并且仅在较小程度上是自发突变。通常，当进化优势来自自发突变时，可以看到整个种群的遗传变异有所减少，但这里的情况并非如此。研究人员将他们的实际数据与几种适应情景的模拟相匹配，表明靶标位点抗性突变很可能在除草剂开始施加选择性压力之前就已经存在。

为了获得他们的发现，研究人员使用生物学家所谓的长读长扩增子对编码靶标蛋白质及其周围区域的基因进行了非常准确的测序。然而，他们面临着处理数百个植物单株的挑战，这是一项耗时且昂贵的工作。

因此，研究人员设计了一种基因测序过程，使他们能够分析来自单个DNA 提取的100 多个个体，而不会损失大部分原始精度。他们使用从斯图加特公司Agris42 提供的样本，将他们的方法应用于德国的64 个田间杂草种群。

该研究可能是追踪抗药性发生率的有用资源，特别是因为研究中包括的模拟表明，抗性基因变异，即使是罕见的变异，也可以在未经过除草剂处理的地区保留几十年。在直接的实际影响方面，杂草防除计划不应该仅仅依赖除草剂，还应该将机械除草和作物轮作结合起来，使田间杂草发生率持续保持在较低水平。