李 崗， 吳聲敢， 俞瑞鮮， 陳麗萍， 蒼 濤， 蔡磊明， 王 強， 吳長興

(省部共建國家重點實驗室培育基地“浙江省植物有害生物防控重點實驗室”/ 農業(yè)部農藥殘留檢測重點實驗室/浙江省農業(yè)科學院農產品質量標準研究所，浙江杭州 310021)

李 崗，吳聲敢，俞瑞鮮，等. 植物谷胱甘肽轉硫酶及其與雜草抗藥性的關系[J]. 雜草科學，2012，30(3)：1-8.

植物谷胱甘肽轉硫酶及其與雜草抗藥性的關系

李 崗， 吳聲敢， 俞瑞鮮， 陳麗萍， 蒼 濤， 蔡磊明， 王 強， 吳長興

(省部共建國家重點實驗室培育基地“浙江省植物有害生物防控重點實驗室”/ 農業(yè)部農藥殘留檢測重點實驗室/浙江省農業(yè)科學院農產品質量標準研究所，浙江杭州 310021)

谷胱甘肽轉硫酶(GSTs)是由一個超基因家族編碼的廣泛存在于好氧生物中的多功能蛋白。GST通常都是成簇地非隨機地分布在染色體中。每種植物GSTs家族一般有25～60個成員。根據植物GST序列的相似性、基因結構、蛋白中的活性位點，分成6類(6個家族)。其中Phi類和 Tau類是植物特有的常見類型，Zeta 和Theta類通常存在于動物中。GST基因盡管在序列和功能上表現(xiàn)很高的多樣性，但它們都有相似的空間結構。大部分GST都是胞質型的，通常以二聚體的形式發(fā)揮功能，具有親電疏水性異物谷胱甘肽化酶、谷胱甘肽依賴的異構化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和還原毒性有機過氧化物酶等酶學功能，還以非酶學結合的方式來保護植物細胞，例如作為內源性毒物的植物激素或類黃酮類物質的配體(分子伴侶或載體)與GST結合。酶學和非酶學這兩種功能都與異物或有毒內源性物質的解毒和防止細胞氧化損傷有關。除草劑的谷胱甘肽化是雜草產生抗藥性的機制之一。谷胱甘肽通過過氧化物酶功能消除除草劑造成的氧化逆境而間接參與雜草抗藥性。

谷胱甘肽轉硫酶； 結構； 功能； 雜草； 抗藥性； 機理

谷胱甘肽轉硫酶(glutathioneS-transferases，簡稱GSTs，EC21 511118 )是一個古老的超基因家族，廣泛存在于好氧生物中，包括從細菌到人類都有。這類基因與有毒化學物質、環(huán)境逆境和疾病等生物逆境和非生物逆境有關。它們受逆境誘導表達。在哺乳動物中，它們對化學致癌物和化學藥物解毒。細菌中，它們參與降解惰性化學物質(recalcitrant chemical)和產生抗藥性。在植物中，它們對除草劑、有機污染物和天然毒素解毒。

大部分生物的GSTs家族一般都有幾十個成員。根據蛋白質序列相似性和免疫交叉反應(immunological cross-reactivity)，哺乳動物的GSTs分成8類，分別是Alpha、Kappa、Mu、Pi、Theta、Sigma、Zeta和Omega。在植物中已經鑒定了5類，包括Phi、Tau、Zeta、Theta、Lambda[1]。其中Phi、Tau是植物特有的。另外，在擬南芥、水稻和大豆中還存在類似GSTs的基因，叫DHAR(dehydroascorbate reductase activity，DHAR)，它具有脫氫抗壞血酸還原酶活性[2]。

真核生物的GSTs大部分都是胞質型可溶性蛋白，占到細胞質中可溶性蛋白的2%[4]。在植物和動物的細胞微體(microsomal)中也有GSTs[5-7]。另外，在植物的細胞核和非原生質體(apoplast)中也有GSTs，它們的產物帶有定位的信號肽[2，8-9]。

一般情況下，活性GST蛋白由兩個同源二聚體(homodimers)亞基或異源二聚體(heterodimers)亞基組成。每個亞基基因都有獨立的基因編碼。雖然異源二聚體的兩個亞基也來自同一個家族，但是卻構成了GST的多樣性。

GST蛋白通過取代和加成化學反應，催化親電疏水性異物(xenobiotics)或植物源的有毒物質形成無毒性的多肽衍生物，實現(xiàn)解毒功能，GST有谷胱甘肽依賴的過氧化氫酶[10]或異構酶功能[11]，GST有結合細胞毒性物質的能力，如在動物中能結合卟啉或藥物，在植物中有結合花青素和生長素的功能[12-13]。GST還參與逆境誘導的信號通路[14]和具有阻止細胞凋亡的能力[15]。

1 GST分類和命名

直到1980年代測序和克隆了一些植物的GST基因和酶，由于在序列上與當時人的Alpha，Mu和Pi類GST的相關，因而按人的GST分類方法分別歸類。隨著1990年代植物cDNA和基因組GST序列的分離鑒定，發(fā)現(xiàn)植物的GST基因是個大家族，每種植物大概有25～60個GST基因[16-18]。隨著更多GST的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)植物的GST之間差別很大，而且植物和動物差別也很大。因此有必要對GST進行分類，目前的分類系統(tǒng)最初由Droog于1997年提出[19]，接著被Edwards完善[20]，基于基因結構(指內含子的數量和位置)、氨基酸序列的相似性、蛋白質序列上特殊位點氨基酸的保守性等特點進行分類。根據這種分類方法，植物 GST分成3種類型，類型Ⅰ(后來叫Phi類)、Ⅱ(Zeta類)、Ⅲ(Tau類)[19]，接著發(fā)現(xiàn)類型Ⅳ(后來叫Theta類，因為與哺乳動物的Theta類似而得名)[21]。2002年發(fā)現(xiàn)Lambda類和DHAR類(DHAR類與GST相似，具有依賴谷胱甘肽的脫氫抗壞血酸還原酶功能 dehydroascorbate reductase，DHAR)[1-2]。這些都是通過比較擬南芥和人的Omega類GSTs發(fā)現(xiàn)的，雖然DHAR在序列上與GSTs基因相差很大，但是DHAR仍然具有GSTs的保守N端及與GSH結合的空間結構。Phi類GSTs主要由植物GSTs組成，具有除草劑解毒功能，它們的基因保守區(qū)有兩個內含子。Tau類GSTs包括生長素誘導表達的基因，參與病原侵染、外傷、重金屬、氧化逆境、溫度逆境等，在保守區(qū)只有一個內含子。Phi類和Tau類GSTs的大部分成員來自植物，是植物特有的類型。Zeta類GSTs受乙烯誘導和衰老過程中產生。Zeta類首先在康乃馨中發(fā)現(xiàn)，后來發(fā)現(xiàn)在其他植物中也存在。在保守區(qū)只有8～9個內含子，與哺乳動物和真菌的Zeta類相似，因而得名。Theta類GSTs包括一些擬南芥和水稻的GSTs，它們與哺乳動物的Theta類相似，在保守區(qū)有6個內含子(而動物有4個內含子)。Lambda類GSTs包括兩個擬南芥可溶性GSTs，在大豆、玉米、小麥和水稻中也有，在擬南芥保守區(qū)有8個內含子，其中一個預測的多肽有長的N端，可能橫跨葉綠體起錨定作用。DHAR蛋白存在于擬南芥和其他植物中。擬南芥的DHAR有兩個內含子和一個錨定葉綠體或線粒體定位的結構。

Edwards提出的GSTs的標準命名規(guī)則已經被國際接受，由以下部分組成：(1)GST來源物種拉丁名的種和種加詞的首字母，均斜體，種名要大寫，例如來源水稻的GST可縮寫為Os；(2)GST；(3)用一個表類別的字母表示類別，如F代表Phi，U代表Tau，Z代表Zeta，T代表Theta，L代表Lambda；(4)用一個數字表示發(fā)現(xiàn)順序，如OsGSTU1 和 OsGSTU2 中表示第一和第二個被發(fā)現(xiàn)的水稻Tau類GST。而OsGSTU1-2表示U1和U2的異源二聚體。

2 GST結構與功能特點

大部分胞質型活性GST都是同源或異源二聚體亞基組成，每個亞基23～30 kDa大小，由200～250氨基酸組成。盡管動物、植物和微生物的GST蛋白序列的相似性不高，但是卻都有相似的保守空間結構。每個亞基都由GHS結合位點(G-site，G位點)，底物結合位點(H-site，H位點)組成。每個亞基都有3個典型的識別區(qū)域：(1)保守的N端，或叫結構域Ⅰ，大約占蛋白總長度的1/3。二級結構包括α-螺旋和β-鏈，組成βαβαββα空間結構，與其他的GSH結合蛋白或半胱氨酸結合蛋白的硫氧還蛋白結構域有點類似；(2)多變的C端，也叫結構域Ⅱ，大約占蛋白總長度的2/3，由5～9個α-螺旋組成，因酶而異；(3)短的5～10個氨基酸殘基的連接區(qū)，連接N端和C端。

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G位點位于由結構域Ⅰ和結構域Ⅱ形成的V形介面上，由兩個結構域的α-螺旋形成。N端上幾個特殊的氨基酸組成GSH結合和催化的關鍵位點，特別是哺乳動物Alpha/Mu/Pi家族的7位的酪氨酸(Tyr)，植物Alpha/Mu/Pi家族的17位的絲氨酸(ser)，及所有物種的Theta和Zeta家族的17位的絲氨酸都參與了GSH的催化活性[22]。GSH的活性和穩(wěn)定性由酪氨酸/絲氨酸的羥基與谷胱甘肽的硫基(sulphur group)氫鍵結合形成，另外在Alpha類的帶正電荷的15位精氨酸也參與形成空間結構。突變這些氨基酸使GST喪失了催化活性，從而驗證了這些氨基酸的催化活性[11，22]。Omega類和Lambda類GSTs不能催化GSH的共軛反應[2，23]。這些酶在相應的催化位點分別是酪氨酸(絲氨酸)、半胱氨酸，它們和GSH形成混合二硫鍵，它們與硫醇陰離子形成結構的穩(wěn)定性還未知[23]。H位點由C端非極性的氨基酸形成，提供了一個疏水性的結構，與親電疏水性的底物結合。H位點在序列和結構上差異很大，因而能與不同結構特點的底物結合。

GST中的兩個亞基通過一個雙折疊軸(a two-fold axis)相連，一個亞基的N端與另一個亞基的C端相連，連接處形成一個疏水性的結構，如在Alpha/Mu/Pi and Phi家族中?；蛐纬梢粋€親水性的結構，如Theta/ Sigma/Beta or Tau家族。兩個亞基之間的鹽橋參與形成這種四級結構。還沒有發(fā)現(xiàn)來自不同家族的成員形成二聚體[24]。因為每個亞基都有獨立的活性位點，所以單個亞基也有功能。擬南芥的Lambda家族和DHARs家族，是作為單亞基來行使功能。

3 GST的功能

植物對外源的(exogenous )或內源的(endogenous)細胞廢物，進化了一套復雜解毒系統(tǒng)，由3個連續(xù)的解毒階段(或相)組成(a three phase detoxification procedure)[25]。第一相是廢物氧化，主要通過細胞色素單加氧酶P450的氧化反應。第二相是催化細胞廢物與丙二酸、葡萄糖、谷胱甘肽等內源的、水溶性的分子形成中間體。第三相是中間體從細胞中排出的過程，動物細胞是通過分泌排出胞外，植物通過ATP-依賴的GS-X泵把中間體運輸至液泡或進入非原生質體(apoplast)[26]。

GST是多功能蛋白，最早被發(fā)現(xiàn)的功能是它能催化GSH與細胞廢物形成中間體，這個過程是細胞廢物代謝解毒的關鍵步驟。動物和植物中大多數GSH化反應都屬于二相反應。GST能催化多種細胞廢物的GSH化與其結構上H位點的多樣性有關，在理論上它能與幾百種底物結合。能被植物GST催化GSH化的異源廢物包括，親電疏水性除草劑如三嗪類、硫代氨基甲酸酯類、氯代乙酰苯胺類、磺酰脲類和二苯醚類除草劑[27]，以及藥物、有機異物等。這些底物具有共同的化學結構如Michael受體(電子對附近有碳-碳雙鍵)。動物GSH化的異源廢物包括，硝基芳環(huán)化合物。如1氯- 2，4-二硝基苯(1-chloro-2，4- dinitrobenzene，CDNB)、對硝基氯化芐(p-nitrobenzyl chloride)、利尿酸(ethacrynic acid)、異硫代氰氧基甲基苯(benzyl isothiocyanate)等。當植物細胞內有廢物時，GST在植物生長發(fā)育的各個階段的每個組織都有表達。不存在異物時，它們也有表達。氧化逆境的產物烯醛也是GST的底物。而內源性的細胞廢物來源于細胞膜碎片或植物次生代謝物，例如，高粱和小麥的Phi家族和Tau家族GSTs，以細胞膜氧化損害釋放的4羥基壬烯酸(4-hydroxynonenal)為底物[28-29]。相應的在動物細胞中脂肪酸過氧化釋放的有毒烯醛(toxic alkenals)也可被GHS化。植物在受到食草動物傷害或病原物侵染后產生的有毒次生代謝物，如美迪紫檀素(medicarpin)或異類黃酮類，它們被GSH化后通過液泡排出體外[30]。

GST的第二個功能是氧化環(huán)境下的細胞保護，抗氧化功能。病原物侵染、乙烯、傷口、臭氧、過氧化氫、水楊酸和重金屬等因子都能誘導GST表達，導致發(fā)現(xiàn)GST與氧化逆境有關。以上刺激的共同點是產生活性氧(active oxygen species，AOS)[12]，活性氧能造成細胞膜脂的過氧化和DNA氧化損傷。而GST具有GSH依賴的過氧化物酶功能(GSH-dependent peroxidase activity，GPOX)來消除這種氧化損傷，GPOX用GSH作為電子供體，還原脂肪酸和核酸的過氧化產物。GST的這種抗氧化功能首先在擬南芥中發(fā)現(xiàn)，后來發(fā)現(xiàn)主要作物和雜草的GST都有這種抗氧化功能[31 -32]。

Lambda家族和DHARs家族成員都是單亞基起作用，而不是雙亞基起作用。它們具有硫醇轉移酶(thiol transferases)和谷氧還蛋白(glutaredoxins)功能。DHARs還有谷胱甘肽依賴的脫氫抗壞血酸還原酶功能。哺乳動物的Omega家族GSTs也有這兩個功能。這兩種GST的活性位點具有不同于其他GST的半胱氨酸，而其他的GST都是絲氨酸。它們能被氧化逆境誘導，因而它們被認為具有抗氧化酶功能[2]。

GST的第三個功能是抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase)。GST能催化苯丙素類(phenylpropanoids)與GS形成中間化合物[33]。 花青素(anthocyanins)也是GST的底物[34-35]，但是花青素并不具有適合的親電中心與GST結合，它們形成的中間產物也從來沒有報道過[21]。

GST的第四個功能作為配體、蛋白載體或分子伴侶發(fā)揮作用。AN9是植物類黃酮結合蛋白[13]，它作為分子伴侶參與類黃酮在細胞內結合與穩(wěn)定。還發(fā)現(xiàn)GST作為配體或載體功能與生長素結合[12]，或與細胞分裂素結合[36]。動物中也發(fā)現(xiàn)有這種功能的GST。

GST的第五個功能是提高植物對逆境的適應性。歐芹Tau家族的PcGST1參與了紫外線信號通路，誘導產生對紫外線具有抵抗作用的類黃酮類物質。PcGST1和GSH通過誘導類黃酮合成的關鍵酶查耳酮合成酶的表達(chalcone synthase，CHS)[14]，來提高歐芹細胞內類黃酮類物的含量。擬南芥的Zeta家族GST具有順反異構化功能，催化馬來酰乙酰乙酸(maleylacetoacetate)轉化為延胡素酰乙酰乙酸(fumarylacetoacetate，MAAI)。這是酪氨酸降解代謝的一個關鍵步驟。康乃馨的兩個Zeta家族成員能被乙烯和衰老誘導表達，在芳香族氨基酸分解代謝中起作用。人和構巢曲霉(Aspergillusnidulans)的Zeta家族GST也參與對逆境的適應性[37]。

微體中的GST屬于與類二十烷酸和谷胱甘肽有關的膜相關蛋白(membrane associated proteins in eicosanoid and glutathione metabolism，MAPEG)，這類GST在動物、植物、真菌和細菌中都有。在人細胞中它們與胞質型GST相似。它們在炎癥介導因子白三烯的合成中起關鍵作用，還原有毒的過氧化氫以保護細胞[7]。植物非胞質型GST研究的很少，功能也不清楚。豌豆、歐芹、馬鈴薯和大豆中曾報道具有谷胱甘肽肉桂烯醛基轉移酶活性的GST[5]。Atpm24來自擬南芥微體，具有異丙基苯過氧化物酶功能。Atpm24還可能有生長過程中調節(jié)茉莉酸的功能。定位于細胞核和非原質體的GSTs在煙草和大豆中也有報道[8-9]，它們精確的生理功能還不清楚，但是胞外的氧化信號能誘導這些基因的表達，它們可能參與了植物病原物互作。它們在氧暴發(fā)引起的細胞過敏性死亡的區(qū)域表達[9]。

GST的功能與它的分類相關性不大。一個家族的成員可能有多個功能。不同家族成員可能有相同的功能。除了Zeta家族的GSTs，其他家族都有cis-trans MAAI活性。玉米的Tau家族成員Bz2與矮牽牛花的Phi家族的An9具有相同的功能[35]。催化GSH與除草劑共軛的功能是Phi家族成員的典型功能，但不是唯一功能。Tau家族的一些成員也有這個功能[21]。Tau家族成員還有GPOX活性，Phi家族[4，32]和Theta家族[20]也有這個功能。Phi家族成員都有類黃酮配體功能[13]，Tau家族成員具有生長素和細胞激動素結合功能[12，36]。有的GST成員間序列高度相似，但是功能不同，如水稻和小麥的Tau家族蛋白質序列具有90%一致性，但是水稻的Tau家族能被過氧化氫誘導表達，而小麥的Tau則被2，4-D和抗壞血酸誘導[38]。所以，不能根據GST的分類推斷它的功能，或與已知功能序列的相似性來推測它的功能，而必須通過生化分析或遺傳學分析來確定。

4 GST基因的表達特點

玉米和大豆的cDNA文庫中分別有42個和25個GST基因[16]，這可能包括了各自的大部分GST基因。通過比較擬南芥全基因組和EST，發(fā)現(xiàn)有85%的GST表達[1]，而水稻有55%的GST基因表達。水稻比擬南芥少，可能是各種環(huán)境逆境誘導下的水稻的GST沒有包括在內。如水稻受解草啶、鎘或過氧化氫刺激后，誘導的GST沒有統(tǒng)計在內。

在特定環(huán)境下特定植物組織一類GST或單個GST是否有相同的表達量？在EST庫中玉米有54%Phi家族，41%Tau家族和4%Zeta家族。而大豆有92%Tau家族，6%Phi家族和2%Zeta家族[16]，而水稻67% Tau，26.6% Phi，5% Zeta和1.4%Theta。比較表達水平和相對豐度，會發(fā)現(xiàn)：(1)玉米中表達的大部分GST是Phi家族成員，而在大豆和水稻中是Tau家族，說明表達的GST與單、雙子葉植物沒有關聯(lián)。(2)GST的表達與其豐度沒有相關性。Phi家族在玉米和水稻中均有大量表達，Tau家族在水稻和大豆中均有大量表達，這種表達量都超出了它們在基因組中的豐度。但是最重要是要記住，GST的表達與特定的組織和環(huán)境是密切相關的。

水稻有19%的GST表達量很低，而有10%的表達量很高。在玉米和大豆中高表達的成員分別占Phi家族的42%，Tau家族的33%。GST基因被安全劑或除草劑誘導后，可增強禾谷類作物、雜草和擬南芥對這些物質的抗性[21，28，39-41]。生長素、乙烯或一些化學物質如農藥或生物逆境或非生物逆境均可誘導GST基因的表達。安全劑二氯丙烯胺或乙醇能強烈誘導玉米的Tau族基因表達，而傷口也能誘導擬南芥Tau族基因表達。

5 GST基因表達調控方式

GST的表達調控主要是轉錄水平上的表達調控。但也有轉錄后的調控，如玉米Bz2和大豆GH2/4在受鎘誘導后，會發(fā)生轉錄后剪切[42-43]，在擬南芥的Phi家族和Tau家族也有轉錄后剪切這種調控方式[17]。

研究最祥細的啟動子是乙烯誘導的康乃馨Zeta家族。Zeta家族啟動子上有乙烯響應元件[44]，其結合蛋白已經鑒定[45]，許多GST被一類物質或逆境誘導，預示他們的啟動子上具有能被不同分子激活的不同的結構域或調節(jié)序列，例如玉米的Bz2和安全劑誘導的節(jié)節(jié)麥的兩個TtGSTU1和TtGSTU2的啟動子，Bz2的啟動子包含多個調控元件，如金屬、ABA和低溫的響應元件[43]。而TtGSTU1和TtGSTU2的啟動子則有ABA、乙烯和生長素響應元件。

在動物的GST啟動子中還沒有發(fā)現(xiàn)異物響應元件(xenobiotic responsive element)、抗氧化響應元件(antioxidant responsive)，或親電物響應元件(electrophilic responsive)，這暗示動、植物的啟動子朝不同的方向進化。在大豆、小麥、擬南芥、煙草和蠅子草的GST啟動子中發(fā)現(xiàn)了章魚(肉)堿響應元件[12，46]，它具有串聯(lián)重復的結構并有與bZIP型轉錄因子結合能力[47]。在擬南芥、大豆、煙草中，生長素、生長素類似物、水楊酸和過氧化氫甲基茉莉酸、傷口和鎘都能通過各自啟動子中的章魚(肉)堿響應元件啟動GST的表達[47-48]。

6 GST基因結構(Genome organization)

GST基因一般都是成簇存在于染色體上，如人的Alpha家族、Mu家族、Theta家族[49]、家鼠的Pi家族[50]，都成簇地聚集在染色體的特定區(qū)域內。昆蟲的GST家族也呈這樣的分布特點[51]。

擬南芥的Tau家族，成簇地聚集在其2號染色體上，大小為14Kb的區(qū)段內[52]。擬南芥1號染色體上有23個GST基因，2號有13個，5號有6個，3號有5個，4號有1個。 與人的GST基因類似，這種聚集方式常和分類相關。擬南芥有3個Theta家族成員和2個Zeta家族成員分別串聯(lián)排列在5號和2號染色體上。擬南芥Tau家族和Phi家族分別趨向于2個或7個成員的聚集簇[1]。用計算機分析50%的水稻基因組后發(fā)現(xiàn)，水稻有61個GST序列，其中包括3個假基因，16個Phi家族成員，40個Tau家族成員(其中1個定位于微體)，3個Zeta 家族成員和2個Theta家族成員，他們在水稻染色體上的分布情況是，10號染色體上有30個GST序列，1號有13個，3號有6個。其中16個Phi家族基因當中，有11個在1號染色體上，當中9個擠在300 Kb區(qū)域內。40個Tau家族中的29個成員位于10號染色體，其中24個聚集在240Kb區(qū)域內[18]。

7 GST與雜草抗藥性

植物GST基因有兩種方式參與雜草對除草劑的抗性，一種是直接參與的方式，主要是通過GST的除草劑谷胱甘肽化的功能。另一種是間接參與的方式，主要是通過GST的谷胱甘肽過氧化物酶功能。

7.1 植物GST基因直接參與雜草抗藥性

植物GST具有使除草劑谷胱甘肽化的功能，除草劑被谷胱甘肽共軛后會變成可溶于水的、易從細胞中排出的無毒性的中間產物，使植物免遭除草劑的傷害，這也是雜草通過GST對除草劑無毒化代謝產生抗藥性的主要原因之一。第一個報道的與解毒相關的植物GST是1970年發(fā)現(xiàn)的來自玉米的GST，它具有使除草劑阿特拉津(atrazine)谷胱甘肽化而解毒的功能[53]，使玉米不受阿特拉津的藥害。向日葵對苯草醚(aclonifen)具有很高的耐藥性，與其根中苯草醚的谷胱甘肽化有關[54]。西紅柿對殺菌劑百菌清(Chlorothalonil，CHT)的耐藥性，與GSTs、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase GR)、過氧化物酶(peroxidase，POD)等基因的大量表達有關[55]。

雜草的GST代謝解毒能力升高，就會產生雜草抗藥性問題?？咕天`的稗草，其植株體內的GST酶活性明顯高于敏感稗草，說明其抗藥性與GST的活性升高有關[56]。苘麻(Abutilontheophrasti)對阿特拉津有抗藥性，是因為苘麻的葉和莖中GST的活性提高導致其對阿特拉津的谷胱甘肽化效率提高，從而增加了對阿特拉津的解毒能力，提高了抗藥性[57]。西班牙玉米田的狗尾草(Setariauioridis)對阿特拉津有中等的抗藥性，測定發(fā)現(xiàn)抗藥性狗尾草的GST活性是敏感型的1.5倍，因而推測抗藥性與GST有關[58]。一年生黑麥草(Loliumperenne)對ACCase類除草劑和異丙隆的抗藥性，也是GST的代謝能力提高導致的[59]。水稗(Echinochloaphyllopogon)對驃馬(精惡唑禾草靈)的抗藥性，是因為對驃馬的谷胱甘肽化和半胱氨酸化能力提高，導致解毒能力提高所致[60]。

7.2 植物GST基因間接參與雜草抗藥性

植物GST還可通過谷胱甘肽過氧化物酶方式產生抗藥性。AmGST2來自歐洲小麥田主要雜草大穗看麥娘(Alopecurusmyosuroides)屬于Ι型GST。在對百草枯有抗藥性的大穗看麥娘植株中，AmGST2有大量表達，它通過谷胱甘肽過氧化物酶功能降低百草枯造成的氧化逆境而產生抗藥性，而不是通過常見的使除草劑谷胱甘肽化，轉化為無毒中間產物，最后通過液泡或非原生質體排出體外這種方式產生抗藥性[32]。

筆者所在課題組，從抗二氯喹啉酸的稗草植株中成功克隆了一個GST類似基因，發(fā)現(xiàn)受二氯喹啉酸刺激后，它在抗藥性稗草植株和敏感稗草植株的表達量明顯不同，暗示該基因可能參與了稗草對二氯喹啉酸的抗藥性，可惜其中的具體過程還不清楚，需要進一步研究。

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PlantGlutathioneS-TransferasesandItsRelationtoHerbicide-ResistanceofWeed

LI Gang, WU Sheng-gan, YU Rui-xian, CHEN Li-ping, CANG Tao, Cai Lei-ming,WANG Qiang, WU Chang-xing

(State Key Lab Breeding Base for Zhejiang Sustainable Plant Pest Control/MOA Key Lab for Pesticide Residue Detection/Institute of Quality and Standard for Agro-products/The Institute of Quality Standards for Agricultural Products,Zhejiang Academy of Agricultural Sciences,Hangzhou 310021,China)

GlutathioneS-transferases (GSTs) is a kind of protein with multiple function widely presented in the aerobic species encoded by super gene families. GST genes are usually distributed non-randomly in the chromosome in clusters. There are generally 25-60 members in GSTs family of each plant species,which can be grouped into six classes according to the GST sequence similarity,gene organization and active site residues in the protein. The Phi and Tau classes are specific common types in plant,while Zeta and Theta classes are usually found in animals. Although GST genes present a high diversity in the sequence and function,they have similar spatial structure. Most of the GSTs are cytosolic,and usually act in the form of a dimmer,and have some function of enzymes such as electrophilic and hydrophobic foreign glutathionesynthefase,glutathione-dependent isomerization dismutase,glutathione peroxidase and organic peroxidase with restore toxicity,etc.They also protect plant cells in non-enzymatic binding manner,for example,the ligand (chaperone or carrier) of plant hormones or flavonoid as substances of endogenous poison can be combined with GSTs.Those two kinds of enzymology and non-enzymatic function are associated with of xenobiotics or

endogenous poison detoxification and prevention of cells oxidative injury. HerbicideS-glutathionylation is one of mechanisms for evolution of herbicide. Glutathione indirectly involved in the process of weeds herbicide-resistance via peroxidase function to eliminate the oxidative stress caused by herbicides.

glutathione S-transferases; organization; function;weed; herbicide-resistance; mechanism

S451

A

1003-935X(2012)03-0001-08

2012-08-09

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃，編號：2011AA100806)；浙江省農業(yè)科學院創(chuàng)新提升工程項目(編號：2009R19Y01D04)；浙江省農業(yè)科學院博士啟動項目。

李 崗(1973—)，男，新疆新源人，博士，研究方向為雜草抗藥性與農藥環(huán)境毒理。Tel：(0571)86419002；E-mail：ligang@mail.zaas.ac.cn。

吳長興。E-mail：wu_cx@yahoo.com.cn。