科學家揭開超級雜草如何破解除草劑的秘密

近年來，農民面臨著越來越嚴峻的挑戰，尤其是那些對除草劑產生抗藥性的超級雜草，如帕爾默藜（Palmer amaranth）和其他莧菜屬雜草。這些雜草不僅讓耕作變得更加困難，還降低了農作物的收益。為了找到更有效的解決方案，科學家們首先需要深入瞭解這些雜草的基因組。

由伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（University of Illinois Urbana-Champaign）及其合作機構進行的一項新研究，首次完成了帕爾默藜、平滑莧（smooth pigweed）和紅根莧（redroot pigweed）的染色體級基因組測序。這項突破性研究大大提升了科學家對這些雜草生物學的理解，尤其是它們如何抵抗並解毒常見除草劑的機制。

研究共同作者、伊利諾伊大學作物科學系教授帕特·特拉內爾（Pat Tranel）表示：「有了這些參考基因組，我們能夠更快地研究具有多重抗藥性的雜草，並更接近開發出新的控制策略。」

除了公開這些基因組，研究還深入探討了重要的基因家族，例如細胞色素P450。由於這些雜草擁有數百個相似的P450基因，過去很難確定哪些基因在非靶點抗性中扮演重要角色，即透過解毒除草劑來避免損害。特拉內爾指出，非靶點抗性長期以來被視為一個「黑盒子」，但新的基因組正在揭開其中的秘密。

「現在我們有了P450基因的目錄，可以系統性地找出哪些基因對哪些除草劑產生抗性，」他解釋道。「這樣我們就能避免混合使用那些會被同一種非靶點抗性機制解毒的除草劑。」

研究特別關注了帕爾默藜，這可能是三種雜草中最棘手的物種。研究團隊首先分析了帕爾默藜對草甘膦（glyphosate）的抗性基因，該基因存在於一個大型環狀DNA片段中。雖然草甘膦抗性與這種奇特結構的關聯早已被發現，但這項研究提供了關於其起源的新見解。

研究共同作者、現任芝加哥大學博士後研究員傑克·蒙哥馬利（Jake Montgomery）表示：「這個基因曾經被插入到一個環狀結構中，然後這個環狀結構在全球範圍內擴散。這一進化事件導致了我們在幾乎每個大陸發現的帕爾默藜抗性。」

此外，研究團隊還聚焦於帕爾默藜的性別決定基因。特拉內爾的目標是開發一種帶有基因驅動（gene drive）的改良雄性植物，這種基因驅動會將雄性特徵傳遞給後代，最終使整個種群變成雄性，從而停止繁殖並導致種群崩潰。

研究主要作者、特拉內爾的博士生達米洛拉·亞歷克斯·拉伊耶莫（Damilola Alex Raiyemo）表示：「我們在第三號染色體上發現了兩個可能控制雄性特徵的基因。雖然還需要進一步驗證，但這是一個重要的進展。」

值得一提的是，這項研究也是國際雜草基因組聯盟（International Weed Genomics Consortium, IWGC）首次發布的基因組。該聯盟由學術機構和產業夥伴組成，致力於生成雜草物種的參考基因組，以促進相關研究。IWGC免費提供這些基因組，消除了研究障礙，並加速了對重要雜草的發現。

研究共同作者、科羅拉多州立大學教授兼IWGC執行委員會成員託德·蓋恩斯（Todd Gaines）表示：「在IWGC之前，研究人員需要向資助機構申請經費來繪製重要特徵，例如新型除草劑抗性。但現在有了這些資源，研究人員幾乎可以立即展開工作。」

隨著更多科學家使用這些基因組資源，特拉內爾和他的同事們相信，發現的速度將會加快，農民也將更快獲得可行的解決方案。