「禾」你想的不一樣：改造基因讓水稻更耐除草劑

成熟的稻子。圖片來源：維基百科

除草可說是為了保證收成的必要之惡。自從第一個除草劑2,4-D在1940年問世後，目前全球有超過200種化學成分具有殺草的活性；如果把不同的配方都算進來，全世界應該有幾千種除草劑。

這些除草劑有些瞄準了光合作用、有些抑制細胞分裂、有些是如2,4-D一樣的生長調節劑，有些抑制脂肪酸合成，有些抑制胺基酸合成。它們有些只殺死特定雜草（如2,4-D只殺死雙子葉植物），有些則「通殺」（如嘉磷塞，也就是俗稱的年年春）。

但是，雜草也會對除草劑產生耐受性，有些耐受性極高，就成為我們口中的「超級雜草」。超級雜草的出現，使得農夫能使用的除草劑越來越少，也就意味著科學家必須開發出新的除草劑，或者，讓原本會「通殺」以致於無法廣為使用的除草劑，能使用在更多場合。

有一種除草劑，稱為β-三酮類除草劑（β-triketone herbicides），它透過抑制合成葉綠素和類胡蘿蔔素的關鍵酵素HPPD來殺死植物。

科學家發現，有些植物（如玉米）因為它的HPPD活性比較高，或是能更快的代謝除草劑，所以對這類除草劑有耐受性。而水稻中有些秈稻的品系對β-三酮類除草劑沒有抗性，這使得在秈稻中要使用這種除草劑有困難。

但是，越來越多的雜草型紅米（weedy rice）造成除草的需求升高；而這些雜草型紅米有些也對其他的除草劑（如咪唑啉酮）產生了抗性。

因此，科學家想，是否有什麼方法可以讓秈稻能使用β-三酮類除草劑呢？過去的研究發現，對β-三酮類除草劑沒有抗性的秈稻，是因為一個負責代謝這種除草劑的基因，稱為HIS，發生了突變。

HIS基因並不是所有的秈稻都有，而如果用基改的方法把有功能的HIS基因轉入秈稻中，又會引發許多人的反對。不過，水稻中還有一群基因，對β-三酮類除草劑有微弱的代謝能力。這些基因廣泛地存在於水稻中，而且長得有些類似HIS基因，所以被稱為HSL（HIS-Like，「類HIS」之意）。

於是，科學家們想著，能不能讓HSL基因取得HIS基因的能力呢？如果找到關鍵的胺基酸，提升HSL的能力，那麼只要用基因編輯的方法，就可以讓秈稻獲取抗β-三酮類除草劑的能力了。雖然有些人還是不喜歡基因編輯，但是跟基改比起來，對基因編輯有意見的人畢竟是少得多了。

於是，研究團隊把玉米的HSL蛋白質與β-三酮類除草劑一起做結晶，解出它們的結晶結構。為何不直接用水稻的，論文沒說，我「負責任的」推測是，可能水稻的HSL無法做出結晶，也可能水稻的HSL無法與β-三酮類除草劑一起做結晶。做蛋白質結晶是一種藝術，不是有志者事竟成那麼一廂情願的。

然後，他們對照晶體結構，找到四個對HSL的活性很重要的胺基酸，再把這四個胺基酸在水稻的HSL裡面進行個別與組合的突變，並找尋對β-三酮類除草劑作用效率上升的突變蛋白。

最後，他們找到了其中的一個組合，對β-三酮類除草劑的抗性提高了32倍。這個組合是把四個胺基酸都變掉。

所以，透過結合結構生物學與分子生物學，研究團隊找到了可以把水稻的HSL基因改造成對β-三酮類除草劑活性更高的形式，提高秈稻對這種除草劑的抗性，讓β-三酮類除草劑可以在秈稻的田裡使用。

參考文獻：

Dong J, Yu XH, Dong J, Wang GH, Wang XL, Wang DW, Yan YC, Xiao H, Ye BQ, Lin HY, Yang GF. An artificially evolved gene for herbicide-resistant rice breeding. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Aug 20;121(34):e2407285121. doi: 10.1073/pnas.2407285121. Epub 2024 Aug 12. PMID: 39133859.