Engineered EPSPS confers glyphosate tolerance in tumorous stem mustard (Brassica juncea var. tumida).
Plant Physiol Biochem · 2025 · 229:110606 · PMID 41077005 · 등급5 동물·현장 현장조사 · 물질과 작용기전 > EPSPS·시킴산 경로 · 식물
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종구 겨자(B. juncea var. tumida)는 중국식 피클 겨자(zhacai)의 필수 원료이지만, 잡초 경쟁으로 인해 상당한 수확량 및 품질 문제를 겪고 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 두 가지 주요 B. juncea EPSPS 유전자인 BjuA017481과 BjuA010725에서 전략적인 아미노산 치환을 통해 글리포세이트 저항성(GR) 변이체를 개발하였다. qRT-PCR 분석 결과, BjuA010725가 실리크에서 높은 발현을 보였다. 대장균(E. coli)에서의 이종 발현 스크리닝을 통해 삼중 돌연변이체인 BjuA010725TIAVPS가 0.3 % (w/v) 글리포세이트 노출에 생존하는 매우 높은 GR 특성을 나타냈다. GFP 태그가 붙은 BjuA010725TIAVPS의 세포소기관 국소화 분석을 통해 담뱃잎 세포에서 엽록체 표적화가 확인되었다. 이 변이체를 발현하는 형질전환 A. thaliana 계통은 세 잎 단계에서 0.1 % 엽면 글리포세이트 처리 후 완전한 생존율(100 %)을 달성하였다. 유사하게, 형질전환 B. juncea는 네 잎 단계에서 0.2 % 글리포세이트 처리 후 야생형(WT)에 비해 유의하게 높은 생존율($p < 0.05$)을 보였다. 현장 시험에서, 형질전환 식물은 줄기 비대 단계(30일 관찰) 동안 0.6 % 글리포세이트 처리 후 65 %의 생존율을 달성한 반면 WT는 0 %를 기록하였다. 생리학적 분석 결과, 형질전환 식물에서는 높은 엽록소 함량(2.8 mg/g 대 WT의 1.2 mg/g)과 질소 수준(4.1 % 대 2.3 %)을 포함하여 안정적인 대사 프로파일이 나타났다. 반면, WT는 글리포세이트 유도성 대사 장애를 보여 시키미산 축적의 3.4배 증가와 페닐알라닌 수치의 2.8배 상승을 보였다. 중요하게도, 개화 시기나 종구 크기에서 형질전환 계통과 WT 간에 유의한 차이는 관찰되지 않았다. AutoDock Vina를 이용한 구조 모델링은 BjuA010725와 글리포세이트 결합 상호작용을 예측하였으며, 이는 종구 겨자에서 글리포세이트 작용의 예비적 기전 모델을 제공하였다. 종합적으로, 이러한 발견들은 잡초 관리를 향상시키고 B. juncea 재배를 개선하기 위한 이론적 통찰과 실제적인 전략을 모두 제시한다.ORIGINAL ABSTRACT
Tumorous stem mustard (B. juncea var. tumida), the essential raw material for Chinese pickled mustard (zhacai), faces substantial yield and quality challenges due to weed competition. To address this issue, we developed glyphosate-resistant (GR) variants through strategic amino acid substitutions in two key B. juncea EPSPS genes, BjuA017481 and BjuA010725. qRT-PCR analysis revealed that BjuA010725 was highly expressed in siliques. Heterologous expression screening in E. coli identified the triple-mutant BjuA010725TIAVPS exhibited exceptionally GR, surviving exposure to 0.3 % (w/v) glyphosate. Subcellular localization of the GFP-tagged BjuA010725TIAVPS confirmed chloroplast targeting in tobacco cells. Transgenic A. thaliana lines expressing this variant achieved complete survival (100 %) following 0.1 % foliar glyphosate application at the three-leaf stage. Similarly, transgenic B. juncea demonstrated significantly higher survival rates (p < 0.05) compared to wild-type (WT) after a 0.2 % glyphosate treatment at the four-leaf stage. In field trials, transgenic plants achieved 65 % survival compared with 0 % in WT following 0.6 % glyphosate application during the stem-swelling phase (30-day observation). Physiological analyses revealed stable metabolic profiles in transgenic plants, including elevated chlorophyll content (2.8 mg/g vs. 1.2 mg/g in WT) and nitrogen levels (4.1 % vs. 2.3 %). Conversely, the WT displayed glyphosate-induced metabolic disruption, with a 3.4-fold increase in shikimate accumulation and a 2.8-fold rise in phenylalanine levels. Importantly, no significant differences in bolting time or tumorous stem size were observed between transgenic lines and WT. Structural modeling with AutoDock Vina predicted glyphosate binding interactions with BjuA010725, providing a preliminary mechanistic model of glyphosate action in tumorous stem mustard. Together, these findings offer both theoretical insight and practical strategies for enhancing weed management and improving B. juncea cultivation.| 저자 | Guan, J.; Liu, F.; Ling, C.; Meng, Y.; Mei, J.; Wang, S.; Wang, Z.; Tang, Q.; Wei, D. |
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| 저널 | Plant physiology and biochemistry : PPB |
| 권·호·쪽 | 229(Pt C), 110606 |
| PMID | 41077005 |
| DOI | 10.1016/j.plaphy.2025.110606 |
| MeSH | Glyphosate; Glycine; Mustard Plant; Plants, Genetically Modified; 3-Phosphoshikimate 1-Carboxyvinyltransferase; Herbicides; Herbicide Resistance; Plant Proteins; Arabidopsis |