高粱（Sorghum bicolor L. Moench）作为全球第五大禾谷类作物，为干旱或半干旱地区超 5 亿人口提供粮食保障。该作物起源于非洲萨赫勒地区，因其对干旱、涝渍、盐碱、高温及土壤贫瘠等非生物胁迫的强耐受性，成为研究植物逆境响应机制的理想模式作物。然而，高粱苗期生长势较弱，田间杂草危害已成为威胁其产量的核心因素之一。化学除草是目前最经济高效的杂草管理方式，但抗除草剂高粱种质资源的匮乏，严重制约了抗除草剂品种的培育进程。尽管禾豆间作模式被广泛认为是实现资源高效利用的重要途径，但其规模化应用受限于关键技术瓶颈——高粱（禾本科）与大豆等豆科作物对常用除草剂的敏感性差异显著，差异施药难以平衡杂草防除效果与作物安全性，导致种植系统管理效率低下。因此，创制抗除草剂高粱新种质，不仅可突破单一作物田间杂草防控的技术瓶颈，更能为禾豆间作系统中 “统一化除草管理” 提供关键支撑，对提升干旱区作物生产系统的可持续性具有重要科学意义与应用价值。
2025年5月8日，中国科学院遗传与发育生物学研究所/先正达中国谢旗研究员团队和中国农业大学于菲菲教授团队联合多家单位在Advanced Science期刊发表了题为Development and breeding of herbicide-resistant sorghum for effective cereal-legume intercropping的研究论文。该研究通过利用大规模化学诱变高粱EMS突变体库结合表型筛选，获得了高粱乙酰乳酸合成酶基因（SbALS）的A93T和S624N突变株系，二者均对咪唑啉酮（IMI）类除草剂表现出抗性。同时筛选出对IMI 类除草剂耐受性较强的大豆种质，成功建立高粱-大豆间作体系，实现了IMI类除草剂的苗期一次施用见效。该研究为禾豆作物协同集约化生产提供了新的技术范式。
研究团队以甜高粱品种E048为材料，通过EMS诱变构建突变体库。在EMS突变体库中共选取约12万株M1代突变体株系进行自交，获得M2代突变体种子，将M2代突变体种子分为1200个突变体池进行除草剂抗性筛选。最终从M2代植株中筛选出13株抗IMI类除草剂甲氧咪草烟突变体。经遗传稳定性鉴定后命名为sbals-1（A93T）和sbals-2（S624N）。抗性检测实验表明，在16倍推荐浓度除草剂处理下，sbals-1和sbals-2仍可存活，且前者抗性略高于后者。体外酶活实验显示，野生型SbALS蛋白在IMI类除草剂处理下，酶活催化效率大幅降低，而A93T和S624N突变蛋白则仍能保持正常酶活。广谱抗性分析显示，sbals-1和sbals-2对磺酰胺类和磺酰脲类除草剂均表现出抗性，说明其具备潜在的比较广谱的除草剂抗性。
为了进一步解析抗性机制，研究团队运用AlphaFold2模拟了突变体蛋白与除草剂的复合体结构。分子对接结果显示，Sbals-1(A93T)突变中丙氨酸被苏氨酸取代后，延长的羟基侧链在除草剂结合口袋形成空间位阻，导致甲氧咪草烟的二氢咪唑酮环无法与 A93 位点建立疏水相互作用；Sbals-2(S624N)突变中丝氨酸的极性羟基被天冬酰胺的酰胺基取代后，破坏了与除草剂芳香环的氢键网络，且侧链体积增加导致配体无法正确取向。因此，A93T和S624N突变不是通过蛋白质构象变化，而是在除草剂结合口袋内产生阻碍，阻止甲氧咪草烟结合并赋予高粱除草剂抗性。
为将高粱抗除草剂株系应用到实际生产中，团队将抗性更强的sbals-1突变株系通过连续回交导入到多个高粱品种（如ZKT968、ZKT438等）中，创制了抗除草剂杂交高粱新品系。在大田实验中使用2倍推荐浓度的除草剂处理，抗除草剂高粱品系仍可正常生长。为了实现豆禾间作的重要目标，研究团队还合作从三百多份大豆品种（系）筛选出东农252、黑农51等耐IMI大豆品种，田间间作实验表明，东农252与抗除草剂高粱间作种植，在喷洒除草剂后大豆与高粱均能正常生长。
综上所述，该研究不仅通过创制抗除草剂高粱种质，突破了高粱生产中的杂草防控瓶颈，而且成功应用于禾豆间作体系。该成果为降低生产风险、保障作物产量及为通过豆禾间作改善饲料营养价值提供了实用解决方案，为深化禾豆间作模式优化研究奠定了理论基础，对推动现代农业可持续发展具有重要实践价值。
中国科学院遗传与发育生物学研究所项目研究员唐三元与博士后史佳阳为论文共同第一作者，中国农业大学于菲菲教授与中国科学院遗传与发育生物学研究所/先正达中国谢旗研究员为论文共同通讯作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所陈受宜研究员、张劲松研究员、陈宇航研究员和东北农业大学陈庆山教授等提供了重要指导和帮助。科稷达隆生物技术有限公司在高粱突变体的构建和耐咪唑啉酮类除草剂突变体的筛选和鉴定方面起了重要作用。
高粱抗除草剂种质筛选助力豆禾间作模式
