Mit einer jährlichen Produktion von über 700.000 Tonnen ist Glyphosat das am weitesten verbreitete und größte Herbizid der Welt.Unkrautresistenzen und mögliche 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 State Key Laboratory of Biocatalysis and Enzyme Engineering, das gemeinsam von der School of Life Sciences der Hubei-Universität und den Provinz- und Ministerabteilungen eingerichtet wurde, das neueste Forschungspapier im Journal of Hazardous Materials und analysierte die erste Analyse von Hühnergras.(Ein bösartiges Reiskraut) abgeleitete Aldo-Keto-Reduktase AKR4C16 und AKR4C17 katalysieren den Reaktionsmechanismus des Glyphosatabbaus und verbessern die Abbaueffizienz von Glyphosat durch AKR4C17 durch molekulare Modifikation erheblich.
Wachsende Glyphosatresistenz.
Seit seiner Einführung in den 1970er Jahren erfreut sich Glyphosat auf der ganzen Welt großer Beliebtheit und hat sich nach und nach zum billigsten, am weitesten verbreiteten und produktivsten Breitbandherbizid entwickelt.Es verursacht Stoffwechselstörungen in Pflanzen, einschließlich Unkräutern, indem es spezifisch die 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphat-Synthase (EPSPS) hemmt, ein Schlüsselenzym, das am Pflanzenwachstum und Stoffwechsel beteiligt ist.und Tod.
Daher ist die Züchtung glyphosatresistenter transgener Pflanzen und der Einsatz von Glyphosat auf dem Feld eine wichtige Möglichkeit zur Unkrautbekämpfung in der modernen Landwirtschaft.
Mit der weit verbreiteten Verwendung und dem Missbrauch von Glyphosat haben sich jedoch nach und nach Dutzende von Unkräutern entwickelt und eine hohe Glyphosattoleranz entwickelt.
Darüber hinaus können Glyphosat-resistente gentechnisch veränderte Pflanzen Glyphosat nicht abbauen, was zur Anreicherung und Übertragung von Glyphosat in Pflanzen führt, was sich leicht über die Nahrungskette verbreiten und die menschliche Gesundheit gefährden kann.
Daher ist es dringend erforderlich, Gene zu entdecken, die Glyphosat abbauen können, um transgene Pflanzen mit hoher Glyphosatresistenz und 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 Glyphosat-resistentem Hühnergras.Sie können NADP+ als Cofaktor nutzen, um Glyphosat zu ungiftiger Aminomethylphosphonsäure und Glyoxylsäure abzubauen.
AKR4C16 und AKR4C17 sind die ersten berichteten Glyphosat-abbauenden Enzyme, die durch die natürliche Evolution von Pflanzen entstehen.Um den molekularen Mechanismus ihres Glyphosatabbaus weiter zu erforschen, analysierte das Team von Guo Ruiting mithilfe der Röntgenkristallographie die Beziehung zwischen diesen beiden Enzymen und dem hohen Cofaktor.Die komplexe Struktur der Auflösung enthüllte den Bindungsmodus des ternären Komplexes aus Glyphosat, NADP+ und AKR4C17 und legte den katalytischen Reaktionsmechanismus des AKR4C16- und AKR4C17-vermittelten Glyphosatabbaus nahe.
Struktur des AKR4C17/NADP+/Glyphosat-Komplexes und Reaktionsmechanismus des Glyphosatabbaus.
Durch molekulare Modifikation wird die Abbaueffizienz von Glyphosat verbessert.
Nachdem das Team von Professor Guo Ruiting das feine dreidimensionale Strukturmodell von AKR4C17/NADP+/Glyphosat erhalten hatte, erhielt es durch Enzymstrukturanalyse und rationales Design außerdem ein mutiertes Protein AKR4C17F291D mit einer 70-prozentigen Steigerung der 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, was eine wichtige Grundlage für die weitere Modifikation von AKR4C16 und AKR4C17 legt, um ihre Abbaueffizienz von Glyphosat zu verbessern.“Korrespondierender Autor des Papiers, außerordentlicher Professor Dai Longhai von der Hubei-Universität, sagte, dass sie ein mutiertes Protein AKR4C17F291D mit verbesserter Glyphosat-Abbaueffizienz konstruiert hätten, das ein wichtiges Werkzeug für den Anbau hoch Glyphosat-resistenter transgener Pflanzen mit geringen Glyphosat-Rückständen und den Einsatz mikrobieller gentechnisch veränderter Bakterien darstelle Glyphosat in der Umwelt abbauen.
Es wird berichtet, dass sich das Team von Guo Ruiting seit langem mit der Erforschung der Strukturanalyse und Mechanismusdiskussion von biologischen Abbauenzymen, Terpenoidsynthasen und Arzneimittelzielproteinen toxischer und schädlicher Substanzen in der Umwelt beschäftigt.Li Hao, der assoziierte Forscher Yang Yu und der Dozent Hu Yumei im Team sind die Co-Erstautoren des Papiers, und Guo Ruiting und Dai Longhai sind die Co-Korrespondenzautoren.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 02.06.2022