杂草是影响作物产量的重要因素之一。培育新的除草剂抗性作物，是提高杂草防控效率的重要途径。近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所等提出了结构指导设计与顺式调控优化相结合的等位基因工程策略，创制了除草剂抗性提升的水稻和小麦新种质。研究团队以水稻4-羟基苯丙酮酸双加氧酶（HPPD）为研究对象，解析了HPPD与除草剂硝磺草酮的复合物结构，根据结合位点的结构信息设计并筛选相关氨基酸变异，获得了能够提高除草剂抗性的候选变异。研究发现，部分编码区变异虽然能够提高抗性，但同时会影响HPPD的正常功能和植株生长。研究团队筛选出了一个包含22个碱基的表达调控元件（EME），并利用引导编辑技术将其定点整合到HPPD基因调控区域。将编码区变异与EME相结合后，水稻的除草剂耐受性进一步提高，部分材料能够耐受田间推荐施用量4倍的硝磺草酮处理。研究表明，抗除草剂性状与农艺性状之间的平衡与等位基因组合有关。部分编辑组合会造成结实率及产量下降，而优化野生型与编辑等位基因的组合后，可以在保持较高除草剂耐受性的同时改善部分农艺性状。研究团队将该策略应用于小麦中，在小麦HPPD编码区和调控区域同时进行编辑，获得了同时携带编码区变异和EME的材料。该材料HPPD表达量升高，在硝磺草酮处理下，较野生型表现出了更强的抗性，表明该策略在复杂基因组作物中同样适用。研究提出了一种将蛋白结构设计与基因表达调控结合的等位基因设计方法，创制了除草剂抗性提升的水稻和小麦新种质，为复杂农艺性状的定向改良提供了有效策略和技术路径。相关研究成果发表在Nature Plants上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、农业农村部等的支持。    结构设计与表达调控协同的优异等位基因设计策略