澳大利亞昆士蘭大學揭示雜草抗除草劑的結構機制

2022年6月11日，《Nature communications》在線發表了澳大利亞昆士蘭大學Luke W. Guddat團隊題為“Structural basis of resistance to herbicides that target acetohydroxyacid synthase”的研究論文。該研究通過對乙酰羥酸合成酶突變體（W574L和P197T）與除草劑CE或BS結合的晶體結構的解析，發現這些突變可降低除草劑與乙酰羥酸合成酶的結合親和力，并阻礙除草劑對乙酰羥酸合成酶的時間性氧化失活；揭示了雜草通過AHAS突變獲得除草劑抗藥性的結構機制，有助于新除草劑的設計。

除草劑廣泛使用的同時，雜草的抗藥性（主要由AHAS的突變引起）正變得越來越普遍。為了解決這個問題，已有不少研究利用計算機預測和試驗來設計、篩選并發現新的AHAS抑制劑，這些研究在一定程度上擴大了AHAS抑制劑的選擇空間；然而，雜草的AHAS突變體是如何對除草劑產生抗藥性的，其機制仍不清楚。

目前，雜草AHAS的P197和W574突變是最常見的抗藥性突變。該研究選取了W574L、P197L、P197T和S653T這4種AHAS突變體，通過酶的催化活性鑒定和氧化還原信號調控分析，發現這些AHAS突變體具有類似的調控作用和活性，甚至活性更高（如W574L）。同時，研究人員分別解析了W574L突變體及其與除草劑CE或BS結合時的晶體結構。結果顯示，W574L突變可分別使CE和BS的結合親合力降低70倍和150倍，同時，W574L突變使AHAS構象發生變化，并阻礙CE對AHAS酶的氧化失活，但BS仍可起作用。

最后，研究人員進一步解析了P197T突變體與除草劑CE或BS結合的復合體晶體結構，結果顯示，由于CE芳香環與P197吡咯烷環（pyrrolidine ring）之間的互作受影響，CE和P197T突變體的結合親和力下降了30倍，同時阻礙了它對AHAS酶的氧化失活；但是，P197T突變體并不能影響BS與它的結合，且該突變可成倍促進BS對AHAS酶的時間性氧化失活。

綜上所述，該研究分別解析了AHAS突變體W574L、P197T與除草劑CE或BS結合的晶體結構，并顯示這些突變通過2種方式來增強對除草劑的抗藥性：降低除草劑與AHAS的結合親和力，以及阻礙除草劑對AHAS酶的時間性氧化失活；揭示了雜草通過AHAS突變獲得除草劑抗藥性的結構機制。