作物育种中乙酰乳酸合成酶的自然与人工进化：从除草剂抗性到精准基因组编辑

推荐：为解决ALS(乙酰乳酸合成酶)靶向除草剂抗性作物培育难题，研究人员系统综述了ALS基因的自然突变、化学诱变及CRISPR/Cas等基因组编辑技术的应用进展，揭示了W574L、P197F等关键突变位点的抗性机制，为多除草剂抗性作物设计提供新策略。

　　

【研究背景】
在全球农业实践中，ALS抑制剂类除草剂因高效低毒成为杂草防控的主力军，但其长期使用导致176种杂草产生靶点抗性(TSR)。作物中ALS基因突变虽能赋予除草剂抗性，但传统化学诱变效率低下且突变谱有限。随着CRISPR/Cas技术的突破，如何精准创制ALS新等位基因成为作物育种领域的关键挑战。

中国农业科学院研究人员在《The Crop Journal》发表综述，系统梳理了ALS从自然进化到人工定向进化的技术路径。研究揭示：通过碱基编辑(BE)和引导编辑(PE)技术，可在水稻、玉米等作物中高效引入W₅₄₈M、P₁₇₁Y等新型突变，其抗性水平超越传统突变体4倍以上；创新性开发的生殖细胞特异性碱基编辑系统，单次转化即可产生23种ALS新等位基因，其中P₁₉₇V/R₁₉₈C/R₁₉₉C三重突变对五种除草剂的抗性提升显著。

【关键技术】
研究采用多组学分析结合结构生物学确定ALS关键抗性位点；运用CRISPR/Cas9介导的同源重组修复(HDR)和两步编辑法创制复合突变；开发双碱基编辑器BEMGE实现A-to-G/C-to-T同步编辑；建立基于MutaT7系统的植物持续进化平台，在729bp靶区实现15.89%的突变频率。

【研究结果】

1. ALS结构与除草剂抗性机制
   通过拟南芥ALS晶体结构解析(PDB 6U9H/3EA4)，证实除草剂结合于催化亚基二聚体入口通道，关键残基Ala₁₂₂、Trp₅₇₄等突变可阻碍抑制剂结合而不影响BCAAs合成。

2. 基因组编辑技术应用
   • 碱基编辑：在水稻中实现P₁₇₁位点CCC→TAC(P₁₇₁Y)突变，抗性较P₁₇₁S提升3倍
   • 引导编辑：克服TGG→ATG(W₅₄₈M)的终止密码子风险，获得广谱抗性水稻
   • 生殖细胞编辑：EC1启动子驱动的A3A-PBE系统创制45种ALS突变，包括新型P₁₉₇V/R₁₉₈C/R₁₉₉C

3. 持续进化技术突破
   eMutaT7^GDE系统在烟草叶片实现日均4突变/1kb的效率，筛选出G₆₂₉R等9个新型抗性突变。

【结论与意义】
该研究建立了ALS人工进化的技术体系：传统化学诱变仅能获得有限突变，而基因组编辑可在单周期内产生自然界数百万年才能积累的遗传变异。特别值得注意的是，P₁₇₁F/G₆₂₈E/G₆₂₉S三重突变体对烟嘧磺隆的抗性达到野生型100倍，已成功应用于中国"洁田稻"品种，使农民增收200美元/公顷。研究提出的"编辑-选择"循环策略，为其他农艺性状相关基因(如ACCase、EPSPS)的定向进化提供范式，将加速非转基因抗逆作物的培育进程。