Med en årlig produktion på over 700.000 tons er glyphosat det mest anvendte og største herbicid i verden. Ukrudtsresistens og potentielle trusler mod det økologiske miljø og menneskers sundhed forårsaget af misbrug af glyphosat har tiltrukket sig stor opmærksomhed.
Den 29. maj offentliggjorde professor Guo Ruitings team fra State Key Laboratory of Biocatalysis and Enzyme Engineering, der er etableret i fællesskab af School of Life Sciences ved Hubei University og de provinsielle og ministerielle afdelinger, den seneste forskningsartikel i Journal of Hazardous Materials, hvor den første analyse af gårdgræs analyseres. Aldo-keto-reduktase AKR4C16 og AKR4C17, der er udvundet af gårdgræs (et ondartet rismark), katalyserer reaktionsmekanismen for glyphosatnedbrydning og forbedrer glyphosats nedbrydningseffektivitet betydeligt ved hjælp af AKR4C17 gennem molekylær modifikation.
Voksende glyphosatresistens.
Siden introduktionen i 1970'erne har glyphosat været populært over hele verden og er gradvist blevet det billigste, mest anvendte og mest produktive bredspektrede herbicid. Det forårsager stofskifteforstyrrelser i planter, herunder ukrudt, ved specifikt at hæmme 5-enolpyruvylshikimat-3-fosfatsyntase (EPSPS), et nøgleenzym involveret i plantevækst og stofskifte samt plantedød.
Derfor er avl af glyphosatresistente transgene afgrøder og brug af glyphosat i marken en vigtig måde at bekæmpe ukrudt i moderne landbrug.
Men med den udbredte brug og misbrug af glyphosat har snesevis af ukrudtsarter gradvist udviklet sig og udviklet høj glyphosattolerance.
Derudover kan glyphosatresistente genetisk modificerede afgrøder ikke nedbryde glyphosat, hvilket resulterer i ophobning og overførsel af glyphosat i afgrøder, som let kan spredes gennem fødekæden og bringe menneskers sundhed i fare.
Derfor er det presserende at opdage gener, der kan nedbryde glyphosat, for at dyrke transgene afgrøder med høj glyphosatresistenthed og lave glyphosatrester.
Løsning af krystalstrukturen og den katalytiske reaktionsmekanisme for planteafledte glyphosat-nedbrydende enzymer
I 2019 identificerede kinesiske og australske forskerhold for første gang to glyphosat-nedbrydende aldo-keto-reduktaser, AKR4C16 og AKR4C17, fra glyphosat-resistent græs. De kan bruge NADP+ som en cofaktor til at nedbryde glyphosat til ikke-giftig aminomethylfosfonsyre og glyoxylsyre.
AKR4C16 og AKR4C17 er de første rapporterede glyphosat-nedbrydende enzymer produceret gennem naturlig evolution af planter. For yderligere at undersøge den molekylære mekanisme for deres nedbrydning af glyphosat, brugte Guo Ruitings team røntgenkrystallografi til at analysere forholdet mellem disse to enzymer og kofaktoren high. Den komplekse struktur af opløsningen afslørede bindingsmåden for det ternære kompleks af glyphosat, NADP+ og AKR4C17, og foreslog den katalytiske reaktionsmekanisme for AKR4C16- og AKR4C17-medieret glyphosatnedbrydning.
Struktur af AKR4C17/NADP+/glyphosat-komplekset og reaktionsmekanisme for glyphosatnedbrydning.
Molekylær modifikation forbedrer nedbrydningseffektiviteten af glyphosat.
Efter at have opnået den fine tredimensionelle strukturmodel af AKR4C17/NADP+/glyphosat, opnåede professor Guo Ruitings team yderligere et mutantprotein AKR4C17F291D med en 70% stigning i nedbrydningseffektiviteten af glyphosat gennem enzymstrukturanalyse og rationelt design.
Analyse af glyphosat-nedbrydende aktivitet af AKR4C17-mutanter.
"Vores arbejde afslører den molekylære mekanisme for AKR4C16 og AKR4C17, der katalyserer nedbrydningen af glyphosat, hvilket lægger et vigtigt fundament for yderligere modifikation af AKR4C16 og AKR4C17 for at forbedre deres nedbrydningseffektivitet af glyphosat." Korresponderende forfatter til artiklen, lektor Dai Longhai fra Hubei University, sagde, at de konstruerede et mutantprotein AKR4C17F291D med forbedret glyphosatnedbrydningseffektivitet, hvilket giver et vigtigt værktøj til dyrkning af transgene afgrøder med høj glyphosatresistenthed og lavt glyphosatrester og brug af mikrobielle manipulationsbakterier til at nedbryde glyphosat i miljøet.
Det rapporteres, at Guo Ruitings team længe har forsket i strukturanalyse og mekanismediskussion af bionedbrydningsenzymer, terpenoidsyntaser og lægemiddelmålproteiner af giftige og skadelige stoffer i miljøet. Li Hao, lektor Yang Yu og lektor Hu Yumei i teamet er de første forfattere til artiklen, og Guo Ruiting og Dai Longhai er de korresponderende forfattere.
Opslagstidspunkt: 2. juni 2022