Med en årlig produktion på över 700 000 ton är glyfosat det mest använda och största herbicidet i världen. Ogräsresistens och potentiella hot mot den ekologiska miljön och människors hälsa orsakade av missbruk av glyfosat har väckt stor uppmärksamhet.
Den 29 maj publicerade professor Guo Ruitings team från State Key Laboratory of Biocatalysis and Enzyme Engineering, gemensamt inrättat av School of Life Sciences vid Hubei University och de provinsiella och ministeriella departementen, den senaste forskningsartikeln i Journal of Hazardous Materials, där den första analysen av ladugårdsgräs analyseras. (Ett malignt risogräs)-deriverat aldo-ketoreduktas AKR4C16 och AKR4C17 katalyserar reaktionsmekanismen för glyfosats nedbrytning och förbättrar avsevärt nedbrytningseffektiviteten av glyfosat av AKR4C17 genom molekylär modifiering.
Växande glyfosatresistens.
Sedan introduktionen på 1970-talet har glyfosat varit populärt över hela världen och har gradvis blivit det billigaste, mest använda och mest produktiva bredspektrumherbicidet. Det orsakar metaboliska störningar hos växter, inklusive ogräs, genom att specifikt hämma 5-enolpyruvylshikimat-3-fosfatsyntas (EPSPS), ett viktigt enzym involverat i växttillväxt och metabolism, samt växtdöd.
Därför är odling av glyfosatresistenta transgena grödor och användning av glyfosat på fältet ett viktigt sätt att bekämpa ogräs i modernt jordbruk.
Men med den utbredda användningen och missbruket av glyfosat har dussintals ogräs gradvis utvecklats och utvecklat hög glyfosattolerans.
Dessutom kan glyfosatresistenta genetiskt modifierade grödor inte bryta ner glyfosat, vilket resulterar i ansamling och överföring av glyfosat i grödor, vilket lätt kan spridas genom näringskedjan och äventyra människors hälsa.
Därför är det brådskande att upptäcka gener som kan bryta ner glyfosat, för att odla transgena grödor med hög glyfosatresistenthet och låga halter av glyfosatrester.
Lösning av kristallstrukturen och den katalytiska reaktionsmekanismen hos växtbaserade glyfosatnedbrytande enzymer
År 2019 identifierade kinesiska och australiska forskargrupper två glyfosatnedbrytande aldoketoreduktaser, AKR4C16 och AKR4C17, för första gången från glyfosatresistent ladugårdsgräs. De kan använda NADP+ som en kofaktor för att bryta ner glyfosat till giftfri aminometylfosfonsyra och glyoxylsyra.
AKR4C16 och AKR4C17 är de första rapporterade glyfosatnedbrytande enzymerna som producerats genom naturlig evolution hos växter. För att ytterligare utforska den molekylära mekanismen för deras nedbrytning av glyfosat använde Guo Ruitings team röntgenkristallografi för att analysera sambandet mellan dessa två enzymer och kofaktorn high. Den komplexa strukturen i upplösningen avslöjade bindningssättet för det ternära komplexet av glyfosat, NADP+ och AKR4C17, och föreslog den katalytiska reaktionsmekanismen för AKR4C16- och AKR4C17-medierad glyfosatnedbrytning.
Strukturen av AKR4C17/NADP+/glyfosatkomplexet och reaktionsmekanism för glyfosatnedbrytning.
Molekylär modifiering förbättrar nedbrytningseffektiviteten hos glyfosat.
Efter att ha erhållit den fina tredimensionella strukturmodellen av AKR4C17/NADP+/glyfosat, erhöll professor Guo Ruitings team vidare ett mutantprotein AKR4C17F291D med en 70% ökning av glyfosats nedbrytningseffektivitet genom enzymstrukturanalys och rationell design.
Analys av glyfosatnedbrytande aktivitet hos AKR4C17-mutanter.
”Vårt arbete avslöjar den molekylära mekanismen för AKR4C16 och AKR4C17 som katalyserar nedbrytningen av glyfosat, vilket lägger en viktig grund för vidare modifiering av AKR4C16 och AKR4C17 för att förbättra deras nedbrytningseffektivitet av glyfosat.” Korresponderande författare till artikeln, docent Dai Longhai vid Hubei University, sa att de konstruerade ett mutantprotein AKR4C17F291D med förbättrad glyfosatnedbrytningseffektivitet, vilket ger ett viktigt verktyg för att odla transgena grödor med hög glyfosatresistenthet och låga glyfosatrester och använda mikrobiella bakterier för att bryta ner glyfosat i miljön.
Det rapporteras att Guo Ruitings team länge har forskat om strukturanalys och mekanismdiskussion av biologiska nedbrytningsenzymer, terpenoidsyntaser och läkemedelsmålproteiner hos giftiga och skadliga ämnen i miljön. Li Hao, biträdande forskare Yang Yu och föreläsare Hu Yumei i teamet är medförfattare till artikeln, och Guo Ruiting och Dai Longhai är korresponderande författare.
Publiceringstid: 2 juni 2022