小麦ALS酶突变体G631D/G632S/P174S的结构解析：磺酰脲类除草剂抗性机制与作物改良新策略

时间：2025年4月15日

来源：Scientific Reports

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编辑推荐：本研究针对小麦除草剂抗性培育难题，通过分子对接和动力学模拟揭示了TaALS酶关键突变位点（P174S/G631D/G632S）与磺酰脲类除草剂nicosulfuron的弱结合机制，为CRISPR/Cas介导的基因编辑提供精准靶点，对发展可持续农业具有重要意义。

在全球粮食安全面临挑战的背景下，小麦作为主要口粮作物的产量提升至关重要。然而杂草侵扰导致每年损失高达20-30%的产量，化学除草虽成本低廉却面临"杀敌一千自损八百"的困境——传统磺酰脲类除草剂在抑制杂草乙酰乳酸合酶（Acetolactate synthase, ALS）的同时，也会误伤作物自身。这种靶标酶作为支链氨基酸（缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸）生物合成通路的关键元件，已成为除草剂设计的"黄金靶点"。但如何精准改造作物ALS酶使其获得选择性抗性，一直是农业生物技术的重大挑战。

来自印度旁遮普农业大学的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究中，首次通过计算生物学手段系统解析了小麦ALS酶（TaALS）突变体与除草剂nicosulfuron的相互作用机制。研究采用同源建模（以拟南芥AtALS为模板）、分子对接（AutoDock v4.2.6）和分子动力学模拟（GROMACS 2022，100 ns）等技术，重点分析了P174、G631、G632等关键位点突变对除草剂结合的影响。

模型验证显示，构建的TaALS同源模型质量优异：ERRAT质量因子达93.93%，Ramachandran图中91.7%残基位于最优区。分子对接发现，单突变体TaALS-P174S（-6.55 kcal/mol）和TaALS-G632S（-6.29 kcal/mol）相比野生型（-7.32 kcal/mol）已显著降低nicosulfuron结合力，而双突变体TaALS-G632S/P174S（-5.77 kcal/mol）和三突变体TaALS-G631D/G632S/P174S（-6.58 kcal/mol）效果更佳。特别值得注意的是，三突变体使抑制常数（K_i）提升至14.92 μM，是野生型的3.5倍。

分子动力学模拟揭示了三突变体的稳定抗性机制：100 ns模拟中，三突变体复合物RMSD稳定在0.263 nm，半径回旋（RoG）维持在3.23-3.27 nm，溶剂可及表面积（SASA）波动最小。能量分析显示其与nicosulfuron的相互作用能（-94.70 KJ/mol）显著低于野生型（-160.28 KJ/mol），氢键数量降至0.122个/帧。自由结合能计算（MM-PBSA）进一步证实三突变体结合能（-4.86 kcal/mol）远高于野生型（-8.66 kcal/mol）。

研究还发现，P174S突变通过扩大结合口袋空间阻碍除草剂进入，而G631D/G632S则改变静电相互作用模式。这种"空间位阻+电荷排斥"的双重机制，使得三突变体对多种ALS抑制剂（除pyroxsulam外）均表现出交叉抗性，为广谱抗性品种培育提供了新思路。

该研究首次从原子层面阐明了TaALS三突变体抗除草剂的分子机制，为CRISPR/Cas9介导的碱基编辑提供了精确靶点。相较于传统转基因方法，这种基于天然突变的育种策略更易被市场接受，对实现可持续农业具有重要价值。未来研究可进一步验证这些突变对酶催化活性的影响，并探索在其他作物中的普适性应用。