Mit einer jährlichen Produktion von über 700.000 Tonnen ist Glyphosat das weltweit am häufigsten verwendete und am häufigsten eingesetzte Herbizid. Die Resistenz von Unkräutern und die potenziellen Gefahren für die Umwelt und die menschliche Gesundheit durch den Missbrauch von Glyphosat haben große Aufmerksamkeit erregt.
Am 29. Mai veröffentlichte das Team von Professor Guo Ruiting vom staatlichen Schlüssellabor für Biokatalyse und Enzymtechnik, das gemeinsam von der School of Life Sciences der Hubei University und den Provinz- und Ministerien eingerichtet wurde, den neuesten Forschungsbericht im Journal of Hazardous Materials, in dem die erste Analyse von Hühnerhirse analysiert wurde. Die aus Hühnerhirse (einem bösartigen Reisunkraut) stammenden Aldo-Keto-Reduktasen AKR4C16 und AKR4C17 katalysieren den Reaktionsmechanismus des Glyphosatabbaus und verbessern die Abbaueffizienz von Glyphosat durch AKR4C17 durch molekulare Modifikation erheblich.
Zunehmende Glyphosatresistenz.
Seit seiner Einführung in den 1970er Jahren erfreut sich Glyphosat weltweit großer Beliebtheit und hat sich nach und nach zum günstigsten, am weitesten verbreiteten und wirksamsten Breitbandherbizid entwickelt. Es verursacht Stoffwechselstörungen bei Pflanzen, einschließlich Unkräutern, indem es gezielt die 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphat-Synthase (EPSPS) hemmt, ein Schlüsselenzym für Pflanzenwachstum, -stoffwechsel und -tod.
Daher ist die Züchtung glyphosatresistenter gentechnisch veränderter Pflanzen und der Einsatz von Glyphosat auf dem Feld eine wichtige Methode zur Unkrautbekämpfung in der modernen Landwirtschaft.
Durch den weitverbreiteten Einsatz und Missbrauch von Glyphosat haben sich jedoch im Laufe der Zeit Dutzende von Unkräutern entwickelt, die eine hohe Glyphosattoleranz entwickelt haben.
Darüber hinaus können glyphosatresistente gentechnisch veränderte Pflanzen Glyphosat nicht abbauen, was zur Anreicherung und Übertragung von Glyphosat in den Pflanzen führt, das sich leicht über die Nahrungskette ausbreiten und die menschliche Gesundheit gefährden kann.
Daher ist es dringend erforderlich, Gene zu entdecken, die Glyphosat abbauen können, um hochgradig glyphosatresistente gentechnisch veränderte Pflanzen mit geringen Glyphosatrückständen anzubauen.
Aufklärung der Kristallstruktur und des katalytischen Reaktionsmechanismus pflanzlicher Glyphosat-abbauender Enzyme
Im Jahr 2019 identifizierten chinesische und australische Forschungsteams erstmals zwei Glyphosat-abbauende Aldo-Keto-Reduktasen, AKR4C16 und AKR4C17, aus glyphosatresistentem Hühnerhirse. Sie können NADP+ als Kofaktor nutzen, um Glyphosat zu ungiftiger Aminomethylphosphonsäure und Glyoxylsäure abzubauen.
AKR4C16 und AKR4C17 sind die ersten bekannten Glyphosat-abbauenden Enzyme, die durch die natürliche Evolution von Pflanzen entstanden sind. Um den molekularen Mechanismus ihres Abbaus von Glyphosat weiter zu erforschen, analysierte Guo Ruitings Team die Beziehung zwischen diesen beiden Enzymen und dem Kofaktor High mittels Röntgenkristallographie. Die komplexe Struktur der Auflösung enthüllte den Bindungsmodus des ternären Komplexes aus Glyphosat, NADP+ und AKR4C17 und schlug den katalytischen Reaktionsmechanismus des durch AKR4C16 und AKR4C17 vermittelten Glyphosatabbaus vor.
Struktur des AKR4C17/NADP+/Glyphosat-Komplexes und Reaktionsmechanismus des Glyphosat-Abbaus.
Durch molekulare Modifikation wird die Abbaueffizienz von Glyphosat verbessert.
Nach der Erstellung des feinen dreidimensionalen Strukturmodells von AKR4C17/NADP+/Glyphosat erhielt das Team von Professor Guo Ruiting durch Enzymstrukturanalyse und rationales Design außerdem ein mutiertes Protein AKR4C17F291D mit einer um 70 % gesteigerten Abbaueffizienz von Glyphosat.
Analyse der Glyphosat-abbauenden Aktivität von AKR4C17-Mutanten.
„Unsere Arbeit enthüllt den molekularen Mechanismus von AKR4C16 und AKR4C17, die den Abbau von Glyphosat katalysieren, und legt damit eine wichtige Grundlage für die weitere Modifizierung von AKR4C16 und AKR4C17, um ihre Abbaueffizienz von Glyphosat zu verbessern.“ Der korrespondierende Autor des Artikels, Associate Professor Dai Longhai von der Hubei University, sagte, dass sie ein mutiertes Protein AKR4C17F291D mit verbesserter Abbaueffizienz von Glyphosat konstruiert hätten, das ein wichtiges Instrument für den Anbau hochgradig glyphosatresistenter gentechnisch veränderter Pflanzen mit geringen Glyphosatrückständen und für die Verwendung mikrobieller Engineering-Bakterien zum Abbau von Glyphosat in der Umwelt darstelle.
Berichten zufolge beschäftigt sich das Team von Guo Ruiting seit langem mit der Strukturanalyse und Mechanismusdiskussion von Bioabbauenzymen, Terpenoidsynthasen und Wirkstoffzielproteinen giftiger und schädlicher Substanzen in der Umwelt. Li Hao, der assoziierte Forscher Yang Yu und der Dozent Hu Yumei sind die Erstautoren des Artikels, Guo Ruiting und Dai Longhai die Korrespondenzautoren.
Beitragszeit: 02.06.2022