广东
近日，山东大学微生物改造技术全国重点实验室李盛英教授团队在抗除草剂基因挖掘领域取得重要突破，创新性地提出一种受酶催化机制启发的“机制驱动”挖掘策略，成功发现并改造出一种能够高效降解多种生长素类除草剂的新型细菌P450酶，并培育出对新型除草剂氟氯氨草酸具有显著抗性的转基因水稻材料。该成果以“Anchoring Mechanism-inspired Discovery of a Bacterial P450 Gene Conferring Resistance to Auxin Herbicides”为题，发表于国际权威期刊《自然通讯》（Nature Communications）。山东大学副研究员蒋媛媛、青岛清原农冠作物科学有限公司张俊杰为论文共同第一作者，李盛英教授、彭炜研究员、莫苏东为共同通讯作者，微生物改造技术全国重点实验室为第一完成单位和通讯作者单位。
除草剂是现代农业控制杂草的重要工具，但长期使用导致抗性杂草不断演化。与此同时，能够赋予作物抗除草剂能力的基因资源却十分有限，新型抗性基因的发现速度远不能满足农业生产需求。科研人员寻找抗性基因主要依赖大规模随机筛选，不仅效率低下，也难以发现具有广谱应用价值的新基因。
针对这一难题，研究团队将目光投向一类能够催化氧化反应的天然酶—P450过加氧酶。基于前期研究，团队发现这类酶能够通过一个保守氨基酸位点识别底物末端的羧基，并提出了“末端羧基锚定机制”。受此机制启发，研究人员根据目标除草剂的化学结构特点，精准预测并挖掘最有可能识别并降解它的P450酶，成功实现了抗性基因发现从“随机筛选”到“机制驱动”的范式转变。
按照这一思路，研究团队挖掘出一系列能够降解生长素类除草剂的细菌P450酶，并通过酶工程改造获得性能更优的突变体P450BSβ-F46A，其降解除草剂最高转化数可达9353。实验表明，该酶不仅能够降解多种生长素类除草剂，还能作用于其他含羧基结构的除草剂，展现出较宽的底物适应范围。
为阐明其催化机理，研究团队结合同位素示踪、分子动力学模拟和量子力学/分子力学计算等技术，揭示了该酶独特的“两步式”连续降解路径。它如同精准的“分子剪刀”，首先通过一次氧化反应切断除草剂分子中的关键C–O键，使其失去活性；随后继续对分子进行氧化修饰，最终实现彻底降解。这一发现突破了人们对P450过加氧酶催化方式的传统认知，为开发新型抗除草剂基因提供了坚实的理论基础。
在应用验证中，研究人员将优化后的P450BSβ-F46A与CPR构建为功能模块，实现原位辅因子供应，并利用叶绿体靶向技术实现精准表达。获得的转基因水稻能够耐受新型生长素类除草剂氟氯氨草酸，验证了该抗性基因在抗除草剂作物培育中的应用潜力。
该研究不仅获得了具有广谱应用前景的新型除草剂抗性基因，更重要的是建立了一套基于催化机制、面向目标化学结构的抗性基因精准发现新方法。这一策略有望拓展至其他类型除草剂抗性基因的挖掘，为应对全球抗性杂草挑战、推动现代农业可持续发展提供了新的技术路径。
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