2026年10月12日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞、陈宇航团队在Nature Plants在线发表了题为《Coordinating structure-guided design and cis-regulatory optimization to engineer elite herbicide-tolerance alleles in crops》的研究。杂草抗药性加重，HPPD抑制剂是重要除草剂靶标，作物耐除草剂等位基因设计常受酶活与抗性权衡限制。该研究把结构导向蛋白设计与顺式调控优化结合，以水稻HPPD为模型，设计编码区抗性变异并插入短调控元件，创制双层优化等位基因，并在小麦验证。
研究团队解析水稻HPPD与mesotrione的2.3 Å复合物结构，识别Val225、Phe250、Ser264、Gln304、Leu365、Phe378、Phe389、Gly414、Gly415和Gly417等口袋残基。他们替换这些位点，获得F378A、G414A、G415V和G417A/K/S/N/F等变异，体外催化效率中度下降而MST抑制常数升高，Gly417系列抗性最强。过表达变异的水稻在3.6 μM MST下保持绿色，G417在50 μM下仍多数存活；把替换放入内源OsHPPD后，prime editing效率为1.5%到61.5%，纯合株除G414A外普遍黄化致死，杂合株正常，温室标准剂量下G414A、G417A、G417N和G417F可存活，两倍剂量下全部死亡，编码编辑仅中等抗性。
双荧光素酶筛选找到22 bp表达调控元件EME，其中含12 bp植物保守回文序列，预测为bZIP结合位点。EME放在TSS附近效果最好，-100 bp到+59 bp内提高LUC活性3到56倍，+38位点最强，远离TSS无效。prime editing把EME插入OsHPPD的+38或-57位点后，转录和蛋白升高，+38高于-57，EME还让纯合G417A致死突变体完成生命周期；单独EME只延迟MST白化，不足以形成高抗性。
EME与编码区变异组合后，G414A纯合+38替换和G417A杂合+38双等位插入材料表达明显增加，0.45 μM MST下保持绿色，温室1到8倍推荐剂量中417A(He)+38(BI)损伤最轻、鲜重最高。田间四倍推荐剂量692 g ai ha−1下，仅EME的野生型背景全部死亡，两个双层组合材料存活并接近未处理对照，417A(He)+38(BI)还抗isoxaflutole和fenpyrazone。小麦中两个pegRNA同时编辑TaHPPD-B1调控区和编码区，EME-G407A表达升高并在0.15 μM MST下保持浅绿；产量评价显示EME单独插入不影响产量，G414A纯合减产，417A杂合不减产，417A+38(BI)减产41%，WT/RP配置可减轻抗性与产量权衡。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-026-02423-4#citeas
来源: 公众号：BioPeers
