北京时间2026年7月25日，依托微生物改造技术全国重点实验室，山东大学李盛英团队联合青岛清原农冠作物科学有限公司，在《Nature Communications》发表题为“Anchoring mechanism-inspired discovery of a bacterial P450 gene conferring resistance to auxin herbicides”的研究论文。

针对新型除草剂抗性基因资源匮乏的问题，研究团队提出“末端羧基锚定机制”启发的定向挖掘策略，发现并改造获得可广谱降解含羧基除草剂的细菌P450过加氧酶。最优突变体P450_BSβ-F46A可连续催化除草剂醚键裂解与芳环羟基化；进一步构建的P450_BSβ-F46A-CPR功能模块赋予水稻对新型非选择性生长素类除草剂fluchloraminopyr的显著抗性。该研究贯通抗性基因发现、酶工程、机制解析与作物验证，推动抗性基因挖掘由经验筛选向机制驱动转变。

TOC图  细菌P450酶介导生长素类除草剂降解并赋予转基因水稻抗性的示意图

从经验筛选到机制引导：以共同“锚点”锁定抗性酶

除草剂与抗性作物协同应用是现代杂草防控的重要策略，但抗性杂草持续演化，而现有抗性基因数量有限、底物谱较窄，难以匹配不断更新的除草剂。研究团队发现，生长素类除草剂普遍依靠末端羧基与蛋白残基形成盐桥或氢键，实现底物锚定。细菌CYP152过加氧酶同样利用保守精氨酸固定底物羧基，并借助羧基促进H₂O₂活化。基于这一共同机制，团队筛选代表性CYP152酶，发现OleT_JE和P450_BSβ均能降解多种苯氧羧酸类除草剂及fluchloraminopyr，验证了该机制驱动策略的有效性。

图1  基于末端羧基锚定机制定向发现可降解生长素类除草剂的P450过加氧酶

底物通道工程获得广谱高效突变体P450_BSβ-F46A

野生型P450_BSβ的底物通道较窄，不利于体积较大的除草剂进入。团队对通道内5个关键苯丙氨酸进行丙氨酸扫描，获得最优突变体P450_BSβ-F46A。该突变体对fluchloraminopyr的转化率达到86%，对2,4-DB接近100%，对MCPP由29%提高至96%，催化MCPB的效率提高4.7倍。自由能计算表明，F46A突变消除了π–π作用和空间位阻，使底物进入能垒由约30降至13 kcal mol⁻¹。P450_BSβ-F46A可作用于8种生长素类除草剂和2种芳氧苯氧丙酸类除草剂，最大总转化数达到9353，表现出广泛的除草剂底物降解适用性。

图2  P450_BSβ底物通道工程及P450_BSβ-F46A对多类含羧基类除草剂的广谱降解

揭示“先羟化、后断键”的独特C–O键裂解机制

结构分析和计算表明，不同生长素类除草剂均通过末端羧基与保守R242形成盐桥，从而被固定于活性中心，并参与H₂O₂活化。去除底物羧基或突变R242均显著削弱催化，证明羧基兼具底物识别和辅助催化功能。

图3  P450_BSβ-F46A与生长素类除草剂对接复合物的结构分析揭示了由胍基–羧基相互作用介导的保守底物锚定模式

进一步研究显示，底物辅助H₂O₂异裂生成Compound I，随后Compound I夺取醚氧邻位C–H键的氢原子，经羟基回弹形成羟化中间体。该中间体在水介导的质子转移作用下发生C–O键裂解，生成无除草活性的产物。P450_BSβ-F46A还能继续催化芳环羟化，形成可进入后续芳环开环过程的儿茶酚类中间体，从而实现单酶连续“醚键裂解—芳环羟化”的两步降解。

图4  P450_BSβ-F46A催化生长素类除草剂C–O键裂解的反应机制全解析

从酶活性走向作物性状：抗性水稻验证

为将P450_BSβ-F46A转化为作物抗性性状，团队将其与P450还原酶结构域构建为P450_BSβ-F46A-CPR功能模块，并通过叶绿体靶向信号肽实现其在水稻中的定向表达。在0.03 μM fluchloraminopyr-methyl处理下，野生型水稻生长明显受抑，而转基因植株根系受损显著减轻。在40和80 g a.i. ha⁻¹喷施条件下，转基因水稻未出现明显生长缺陷，表明P450_BSβ-F46A-CPR能够赋予水稻显著的除草剂抗性。

图5  P450_BSβ-F46A-CPR基因赋予水稻对非选择性生长素类除草剂fluchloraminopyr的抗性

研究意义

本研究建立了“目标结构识别—机制引导挖掘—酶工程优化—作物性状验证”的抗性基因开发路径，为广谱除草剂抗性基因发现提供了可解释的新策略。P450_BSβ-F46A兼具广谱降解能力和作物抗性应用潜力，同时可生成有利于芳香族污染物后续开环降解的儿茶酚中间体，为抗性作物育种和除草剂残留生物修复提供了新的酶工具。

作者与资助信息

山东大学蒋媛媛副研究员和青岛清原农冠作物科学有限公司张俊杰博士为论文共同第一作者；山东大学李盛英教授、彭炜研究员与青岛清原农冠作物科学有限公司莫苏东博士为共同通讯作者。微生物改造技术全国重点实验室为论文第一完成单位和通讯作者单位。南京师范大学、厦门大学、代尔夫特理工大学和中国科学院华南植物园等单位研究人员参与了该项工作。该研究得到山东省重点研发计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东省青年科技人才托举工程等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75811-1