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草甘膦抗性候选基因的克隆、表达特性及功能解析

一、引言

1.1研究背景与意义

1.1.1草甘膦的应用现状

草甘膦作为一种有机磷类除草剂，自1971年被拜耳公司商业化以来，在全球农业领域得到了极为广泛的应用。它具有非选择性、无残留和广谱灭生性的特点，能够有效控制多种杂草，对农业生产意义重大。在农业生产中，杂草与农作物争夺养分、水分和阳光，严重影响农作物的生长和产量。草甘膦能够精准地抑制杂草的生长，为农作物创造良好的生长环境，从而显著提高农作物的产量和质量。在玉米、大豆等大田作物的种植中，草甘膦可以有效清除杂草，减少人工除草的工作量，降低生产成本，同时提高作物的产量和品质。在园艺和林业领域，草甘膦也发挥着重要作用，用于除草和植物管理，帮助维持作物和植物的生长和健康。在果园中，使用草甘膦可以控制杂草的生长，减少杂草对果树养分的竞争，有利于果树的生长和结果。在橡胶、桑、茶、果园及甘蔗地等特定作物种植区域，草甘膦同样得到了广泛应用。据相关数据显示，2023年我国草甘膦行业市场规模约为78.38亿元，草甘膦产量约为53万吨，全球范围内，草甘膦的总产能达到了118万吨，实际产量约为90万吨。草甘膦在全球农业生产中占据着举足轻重的地位，是保障农业丰收的重要手段之一。

1.1.2杂草对草甘膦抗性的产生

然而，随着草甘膦的长期大量使用，杂草对其抗性问题日益严重。长期单一使用草甘膦，使得杂草群体中原本存在的抗性基因逐渐被选择和富集，导致抗性杂草的出现和蔓延。目前，世界上公认的草甘膦抗性杂草已有长芒苋、具瘤苋、芒稷、两耳草、牛筋草、小飞蓬、野塘蒿、豚草、三裂叶豚草、瑞士黑麦草、多花黑麦草、长叶车前、猩猩草、假高粱、类黍尾稃草等。在我国，草甘膦抗性杂草主要有问荆（节节草）、李氏禾（游草）、田旋花、刺耳菜、小飞蓬、竹叶草、黄鹌菜、通泉草、鸭跖草、马齿苋等。这些抗性杂草的出现，使得草甘膦的除草效果大幅下降，农民不得不增加草甘膦的使用量或使用其他更为昂贵的除草剂，这不仅增加了农业生产成本，还可能对环境造成更大的压力。过量使用除草剂可能导致土壤污染、水体污染，影响生态平衡。因此，研究草甘膦抗性基因迫在眉睫，这对于解决杂草抗性问题、保障农业可持续发展具有重要意义。

1.1.3研究意义

本研究旨在克隆和研究草甘膦抗性候选基因，这对于农业可持续发展和杂草防控具有多方面的重要意义。通过深入研究草甘膦抗性基因，我们可以揭示杂草对草甘膦产生抗性的分子机制，为开发新型除草剂或改进现有除草策略提供理论依据。了解抗性基因的作用机制后，我们可以有针对性地设计新的除草剂分子，使其能够克服杂草的抗性，提高除草效果。这有助于减少草甘膦的使用量，降低农业生产成本，减轻对环境的压力，实现农业的可持续发展。合理使用除草剂可以减少土壤和水体中的农药残留，保护生态环境。对草甘膦抗性候选基因的研究还有助于培育具有草甘膦抗性的作物品种，提高农作物的抗逆性，保障粮食安全。通过基因工程技术将抗性基因导入农作物中，使农作物具备抗草甘膦的能力，这样在使用草甘膦除草时，就不会对农作物造成伤害，从而提高农作物的产量和质量。

1.2国内外研究现状

在草甘膦抗性基因的研究方面，国内外取得了一系列重要进展。国外在这一领域的研究起步较早，取得了许多开创性的成果。美国孟山都公司在草甘膦抗性基因的研究和应用方面处于领先地位，通过对草甘膦抗性基因的深入研究，开发出了耐草甘膦转基因作物，如耐草甘膦大豆、玉米等，这些转基因作物在全球范围内得到了广泛种植。其他国家的研究人员也在不断探索新的草甘膦抗性基因和抗性机制。澳大利亚的研究人员发现了一些与草甘膦转运相关的基因，这些基因在杂草对草甘膦的抗性中发挥着重要作用。国内在草甘膦抗性基因的研究方面也取得了显著成果。湖南农业大学柏连阳教授团队在杂草抗草甘膦机制研究方面取得了突破性进展。他们通过RNA-Seq分析抗草甘膦稗草种群的敏感和抗性单株的表达差异，成功鉴定并克隆到草甘膦抗性相关基因EcABCC8。转基因水稻实验证明，过表达该基因可导致对草甘膦的抗性，利用基因编辑手段敲除水稻体内的EcABCC8基因的同源基因可提高其对草甘膦的敏感性。该团队还通过转录组技术鉴定到稗草的醛酮还原酶基因AKR4-1，并证实该基因的过量表达与稗草对草甘膦的抗性有关。异源表达稗草AKR4-1蛋白可将草甘膦代谢为低毒的氨甲基磷酸与无毒的乙醛酸，首次从分子水平阐明了植物代谢草甘膦并产生抗性的机理。这些研究成果为我国杂草抗草甘膦研究提供了重要的理论支持和技术参考。

1.3研究目标与内容

1.3.1研究目标

本研究的主要目标是成功克隆特定的草甘膦抗性候选基因，并深入研究其表达特性和功能。通过对草甘膦抗性候选基因的克隆，获得该基因的完整序列，为后续