2026年7月25日，《自然·通讯》发表了山东大学微生物改造技术全国重点实验室李盛英教授、彭炜研究员与青岛清原作物科学有限公司莫苏东博士团队合作完成的研究论文“Anchoring mechanism-inspired discovery of a bacterial P450 gene conferring resistance to auxin herbicides”。该团队受植物激素受体识别底物时末端羧基锚定机制的启发，从细菌中筛选并改造了一个P450过氧合酶，它能高效降解多种结构不同的激素类除草剂，并且在转基因水稻中成功实现了对新型除草剂氟氯氨吡酯的抗性。
研究团队注意到，天然植物激素受体和已知的除草剂降解酶在结合底物时都依赖底物末端的羧基与酶分子中的精氨酸或丝氨酸形成盐桥或氢键。基于这一共同的锚定特征，他们选取了同样依赖羧基进行底物识别的细菌P450过氧合酶家族，测试了其中三个代表性酶对苯氧羧酸类除草剂和吡啶羧酸类除草剂氟氯氨吡酯的降解能力。结果显示，来自枯草芽孢杆菌的P450BSβ和来自Jeotgalicoccus sp.的OleTJE均能切断这些除草剂分子中的C-O键，将芳香环母核与羧酸侧链分离，释放出没有除草活性的酚类产物。其中P450BSβ的转化率和稳定性更好，被选为后续改造的起点。
由于P450BSβ天然的底物是直链脂肪酸，其底物通道入口由五个较大的苯丙氨酸残基围成，空间较为狭窄。研究团队将这些残基逐一突变为体积更小的丙氨酸，以扩大通道入口。所有突变体对七种激素类除草剂的活性都有提升，其中P450BSβ-F46A的效果最显著，对氟氯氨吡酯的转化率达到86%，对2,4-DB的转化接近完全，对2,4-D也从野生型几乎无活性提升到11%的转化。动力学参数显示该突变体对MCPB的催化效率较野生型提高了4.7倍。分子动力学模拟证实，F46A突变消除了苯丙氨酸侧链与底物之间的π-π堆积和空间位阻，使底物进入活性中心的自由能屏障从约30千卡/摩尔降至约13千卡/摩尔。
通过分子对接、量子力学/分子力学计算和同位素示踪实验，研究团队解析了P450BSβ-F46A催化C-O键断裂的详细机制。所有底物末端的羧基都与活性中心高度保守的精氨酸残基R242形成盐桥，将底物精确锚定在血红素上方。过氧化氢在血红素铁上发生异裂生成高活性的Cpd I中间体，后者从底物侧链与氧相邻的碳上攫取一个氢原子，随后羟基回弹生成一个羟基化中间产物。该中间体在水分子介导下发生质子转移，C-O键自发断裂，最终生成无除草活性的芳香酚和对应的酮酸。研究团队还发现，芳香酚产物会被同一个酶继续催化发生芳香环羟基化，生成邻苯二酚类化合物，为后续的完全矿化提供了关键中间体。这个由单个酶催化的连续两步降解反应此前未见报道。
研究团队进一步测试了两种芳氧苯氧丙酸类商品化除草剂——精喹禾灵和高效氟吡甲禾灵，它们同样含有羧基锚定基团。P450BSβ-F46A能够高效切断这两种除草剂的醚键，体现了该酶作为广谱羧酸类除草剂降解元件的潜力。不同底物的比较还表明，丙酸类除草剂与该酶的亲和力普遍强于丁酸类和乙酸类类似物，P450BSβ-F46A对MCPP的转化数达到9353，比对MCPA高出76倍，尽管二者只差一个取代基。
考虑到植物细胞内过氧化氢供给有限，研究团队将P450BSβ-F46A与来自P450BM3的还原酶结构域融合成自给自足的双功能蛋白，并在N端融合了水稻叶绿体定位信号肽。该基因通过农杆菌法转入优良粳稻品种“津粳818”，获得了稳定表达的转基因水稻。在含有0.03微摩尔/升氟氯氨吡酯甲酯的培养基上，野生型水稻生长显著受抑，而转基因水稻根系长度明显优于对照。温室喷施实验中，当施药量达到40和80克活性成分/公顷时，转基因水稻仍能正常生长，未出现激素类除草剂的典型药害症状，而野生型则表现出明显的生长抑制和畸形。
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