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修饰叶绿体(质体)基因组中编码光合作用相关的基因,具有提高作物产量的潜力.然而,由于许多植物的叶绿体基因组是单亲遗传的,通过传统杂交方法改造叶绿体基因存在困难.此外,将外源基因整合到叶绿体基因组中的技术,称为叶绿体转化,目前仅适用于少数物种.而且,叶绿体转化体被归类为转基因生(GMO),在一些国家受到严格限制.最近开发的靶向叶绿体基因组的碱基编辑方法,避免了叶绿体转化相关的限制,有望为未来的作物育种解锁叶绿体基因组.然而,迄今为止,这些碱基编辑技术尚未被用于改善农艺性状.除草剂通过抑制杂草生长来增加作物产量,但它们也可能对作物本身造成伤害.为了解决这一问题,一种常见的方法是通过编辑核基因组来培育抗除草剂作物.然而,将抗除草剂基因引入核基因组可能通过花粉传播到环境中,从而导致野生近缘植物获得抗性.相比之下,叶绿体基因组的遗传信息在许多物种中主要通过母系遗传,因此通过花粉传播的风险较低,基因扩散更可控.此外,如果母本携带叶绿体基因组中的除草剂抗性突变,所有后代都会继承抗性,而在核基因组中,若突变为杂合或不完全显性,则只有部分后代会获得该性状.这使得叶绿体基因组成为开发抗除草剂作物的更具优势的靶点.第5类和第6类除草剂(参见https://hracglobal.com/)通过与叶绿体基因psbA编码的光系统II(PSII)D1蛋白结合来干扰光合作用.然而,D1蛋白中的某些氨基酸多态性可能会影响这种结合,从而赋予植物抗除草剂的能力.例如,V219I和A251V这两种多态性可以通过C-to-T碱基编辑引入,使多个物种对这些类别的除草剂产生抗性,尤其是对嗪草酮的抗性.近日,日本东京大学的Shin-ichi Arimura团队在国际知名杂志Plant Biotechnology Journal发表了题为“Resistance to the herbicide metribuzin conferred to Arabidopsis thaliana by targeted base editing of the chloroplast genome”的研究文章.研究人员使用胞嘧啶碱基编辑器Ptptalecd和Ptptalecd_v2将V219I和A251V突变引入了拟南芥thaliana Ecotype columbia-0(Col-0)的D1蛋白.随后,评估了突变体对嗪草酮的抗性.![]()
在研究人员调查的275种物种中,从光合细菌到被子植物,除抗除草剂杂草外,所有物种在D1蛋白中都显示出V219和A251残基.与V219和A251相对应的密码子在拟南芥和作者研究的其他12种作物中是保守的.因此,这些物种是V219I和A251V替代的候选者.此外,据报道,拟南芥对嗪草酮除草剂敏感.因此,研究人员选择拟南芥进行测试.研究人员使用胞嘧啶碱基编辑器Ptptalecd和Ptptalecd_v2将V219I和A251V突变引入拟南芥thaliana Ecotype columbia-0(Col-0)的D1蛋白后获得psbA 突变体(图1).![]()
图1 利用碱基编辑在psbA编码的D1蛋白中引入V219I和A251V突变
通过一系列的除草剂抗性的评估,A251V突变赋予了拟南芥对嗪草酮的抗性抗性,且V219I和A251V双突变体比A251V单突变体对嗪草酮更具抗性.在生长条件下,A251V突变对生长具有抑制作用.此外,V219I单突变没有促进生长,但它与A251V突变的结合部分减轻了A251V基因突变的抑制作用.为了更好地了解突变体对嗪草酮抗性的影响,作者使用AutoDock-Vina通过对接模拟构建了嗪草酮与野生型D1蛋白结合的模型.在作者的对接模型中,嗪草酮的叔甲基与疏水袋结合(图4c,d),就像之前嗪草酮与豌豆野生型D1蛋白的对接模型一样.嗪草酮靠近A251的侧链.据推测,用缬氨酸取代A251会引起嗪草酮和疏水袋之间的空间冲突,从而阻止嗪草酮的结合.此外,预计A251V取代会在质体醌和疏水袋之间引入空间碰撞,从而阻碍PSII中的电子传递.作者还使用ColabFold v1.5.3(使用MMseqs2的AlphaFold2)预测了A251V突变体和V219I和A251V双突变体的D1蛋白的结构.基于预测的LDDT评分,疏水袋周围结构的置信度是可靠的.V219I和A251V双突变体以及A251V突变体预测的D1蛋白的叠加表明,V219I置换提升了Y246的侧链,这略微扩大了疏水袋(A251V),g.口袋的扩张可能有助于质体醌的调节,同时仍然抑制嗪草酮的结合(图2).这种结构见解共同为为什么V219I和A251V双突变体在土壤条件下比A251V突变体生长得更好提供了合理的解释.![]()
图2 嗪草酮或质体醌与D1蛋白的相互作用
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14490
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