Med en årlig produksjon på over 700 000 tonn er glyfosat det mest brukte og største herbicidet i verden. Ugressresistens og potensielle trusler mot det økologiske miljøet og menneskers helse forårsaket av misbruk av glyfosat har fått stor oppmerksomhet.
Den 29. mai publiserte professor Guo Ruitings team fra State Key Laboratory of Biocatalysis and Enzyme Engineering, etablert i fellesskap av School of Life Sciences ved Hubei University og de provinsielle og ministerielle departementene, den nyeste forskningsartikkelen i Journal of Hazardous Materials, der den første analysen av låvegress analyseres. (En ondartet risgress)-avledet aldo-ketoreduktase AKR4C16 og AKR4C17 katalyserer reaksjonsmekanismen for glyfosatnedbrytning, og forbedrer nedbrytningseffektiviteten til glyfosat av AKR4C17 betraktelig gjennom molekylær modifisering.
Økende glyfosatresistens.
Siden introduksjonen på 1970-tallet har glyfosat vært populært over hele verden, og har gradvis blitt det billigste, mest brukte og mest produktive bredspektrede herbicidet. Det forårsaker metabolske forstyrrelser i planter, inkludert ugress, ved spesifikt å hemme 5-enolpyruvylshikimat-3-fosfatsyntase (EPSPS), et nøkkelenzym involvert i plantevekst og metabolisme, og død.
Derfor er avl av glyfosatresistente transgene avlinger og bruk av glyfosat i åkeren en viktig måte å bekjempe ugress i moderne landbruk.
Men med den utbredte bruken og misbruket av glyfosat har dusinvis av ugress gradvis utviklet seg og utviklet høy glyfosattoleranse.
I tillegg kan ikke glyfosatresistente genmodifiserte avlinger bryte ned glyfosat, noe som resulterer i akkumulering og overføring av glyfosat i avlinger, som lett kan spre seg gjennom næringskjeden og sette menneskers helse i fare.
Derfor er det presserende å oppdage gener som kan bryte ned glyfosat, slik at man kan dyrke transgene avlinger med høy glyfosatresistenthet og lave glyfosatrester.
Løsning av krystallstrukturen og den katalytiske reaksjonsmekanismen til planteavledede glyfosatnedbrytende enzymer
I 2019 identifiserte kinesiske og australske forskerteam to glyfosatnedbrytende aldo-keto-reduktaser, AKR4C16 og AKR4C17, for første gang fra glyfosatresistent låvegress. De kan bruke NADP+ som en kofaktor for å bryte ned glyfosat til giftfri aminometylfosfonsyre og glyoksylsyre.
AKR4C16 og AKR4C17 er de første rapporterte glyfosatnedbrytende enzymene produsert gjennom naturlig evolusjon av planter. For å utforske den molekylære mekanismen bak deres nedbrytning av glyfosat ytterligere, brukte Guo Ruitings team røntgenkrystallografi for å analysere forholdet mellom disse to enzymene og kofaktoren high. Den komplekse strukturen i oppløsningen avslørte bindingsmåten til det ternære komplekset av glyfosat, NADP+ og AKR4C17, og foreslo den katalytiske reaksjonsmekanismen for AKR4C16- og AKR4C17-mediert glyfosatnedbrytning.
Strukturen til AKR4C17/NADP+/glyfosatkomplekset og reaksjonsmekanismen for glyfosatnedbrytning.
Molekylær modifisering forbedrer nedbrytningseffektiviteten til glyfosat.
Etter å ha oppnådd den fine tredimensjonale strukturmodellen av AKR4C17/NADP+/glyfosat, oppnådde professor Guo Ruitings team videre et mutantprotein AKR4C17F291D med en 70 % økning i nedbrytningseffektiviteten til glyfosat gjennom enzymstrukturanalyse og rasjonell design.
Analyse av glyfosatnedbrytende aktivitet av AKR4C17-mutanter.
«Arbeidet vårt avslører den molekylære mekanismen til AKR4C16 og AKR4C17 som katalyserer nedbrytningen av glyfosat, noe som legger et viktig grunnlag for videre modifisering av AKR4C16 og AKR4C17 for å forbedre nedbrytningseffektiviteten av glyfosat.» Korresponderende forfatter av artikkelen, førsteamanuensis Dai Longhai ved Hubei University, sa at de konstruerte et mutantprotein AKR4C17F291D med forbedret glyfosatnedbrytningseffektivitet, som gir et viktig verktøy for å dyrke transgene avlinger med høy glyfosatresistenthet og lavt glyfosatrester og bruke mikrobielle manipulasjonsbakterier til å bryte ned glyfosat i miljøet.
Det rapporteres at Guo Ruitings team lenge har forsket på strukturanalyse og mekanismediskusjon av biologiske nedbrytningsenzymer, terpenoidsyntaser og legemiddelmålproteiner av giftige og skadelige stoffer i miljøet. Li Hao, førsteamanuensis Yang Yu og foreleser Hu Yumei i teamet er de første forfatterne av artikkelen, og Guo Ruiting og Dai Longhai er de korresponderende forfatterne.
Publisert: 02.06.2022