草甘膦（Glyphosate）是全球使用最广泛的除草剂，主要通过抑制莽草酸途径中的关键酶——5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶（EPSPS）来发挥作用。随着转基因抗草甘膦作物大规模种植，如何在保证除草药效的同时减少作物中草甘膦残留成为是亟待解决的问题。近日，中国农业科学院植物保护研究所农药应用风险控制创新团队联合湖南大学隆平农学院/生物学院姚瑞枫教授团队在《PNAS》上在线发表了题为“Glycosylation of glyphosate drives residue reduction and herbicide tolerance in rice”的研究论文，揭示了水稻Kitaake通过内源UDP-糖基转移酶对草甘膦进行糖基化修饰的天然解毒机制，为开发低残留、天然的耐草甘膦作物提供了新思路。
该研究发现了一种名为Kitaake的水稻（Oryza sativa L.）品种对草甘膦具有天然的耐受性，进一步分析发现该品种体内的草甘膦残留量比敏感品种日本晴减少了72%，但已知的草甘膦主要代谢物AMPA无显著变化。通过高分辨质谱技术，在水稻Kitaake中鉴定到了11种代谢产物，其中两种糖基化衍生物M329和M345在Kitaake中显著积累，表明Kitaake通过将草甘膦与糖基结合，形成低毒轭合物，实现对除草剂的代谢解毒。转录组测序、分子对接、体外酶活测定和Kitaake背景敲除明确了UDP-糖基转移酶GRGT1是降解草甘膦的关键酶；通过与日本晴水稻GRGT1基因序列比对，明确了Kitaake的启动子区域存在一个单碱基缺失（A/-803）进而导致了GRGT1在Kitaake中高表达。将Kitaake的GRGT1基因导入日本晴背景的grgt1突变体后，互补株系恢复了代谢草甘膦的能力，证明该启动子变异是Kitaake耐受性的关键原因之一。将GRGT1-GFP融合蛋白在敏感品种日本晴中过表达后，日本晴对草甘膦也产生了明显的耐受性，收获期糙米中草甘膦残留量降低60%以上，同时未检测到糖基化产物的积累，表明GRGT1可显著降低草甘膦植物残留风险。
湖南大学生物学院2020级博士研究生杨付来为论文第一作者，中国农业科学院植物保护研究所潘兴鲁研究员和湖南大学生物学院姚瑞枫教授为论文共同通讯作者，郑永权研究员、董丰收研究员以及湖南农业大学潘浪教授对该研究工作给予了指导。该研究得到中国农业科学院科技创新工程等项目的资助。
文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2516099123
