Inhibition of O-acetylserine (thiol) lyase by S-benzyl-L-cysteine: Differential effects on sulfate assimilation and photosynthesis in maize (Zea mays) and sourgrass (Digitaria insularis).
Plant Physiol Biochem · 2026 · 231:111024 · PMID 41518830 · 등급5 동물·현장 현장조사 · 농업과 정책 > 저항성 잡초 · 식물
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황산 동화 경로는 식물 대사에 필수적이며 유망한 제초제 표적을 나타낸다. 이 경로의 최종 효소인 O-아세틸세린(티올) 라이아제는 핵심적인 조절 역할을 수행한다. 본 연구에서는 새로운 O-아세틸세린(티올) 라이아제 억제제인 S-벤질-L-시스테인을 옥수수(*Zea mays*)와 글리포세이트에 내성을 가진 잡초인 사우어그래스(*Digitaria insularis*)에 대한 선택적 효과를 조사하였다. 씨앗과 유묘를 S-벤질-L-시스테인(0.0–5.0 mM)으로 처리하고 발아율, 생장, O-아세틸세린(티올) 라이아제 활성 및 광합성 매개변수를 평가하였다. 사우어그래스는 S-벤질-L-시스테인에 매우 민감하여 2.0 mM에서 발아율이 53% 감소하였고 5.0 mM에서는 거의 소실되었다. 옥수수는 2.0 mM까지 내성을 보였으며, 생장 억제는 5.0 mM에서만 나타났다. S-벤질-L-시스테인은 두 종 모두의 뿌리에서 O-아세틸세린(티올) 라이아제 활성을 억제하였으며, 사우어그래스에서 더 강하게 나타났다. 잎에서는 O-아세틸세린(티올) 라이아제 활성이 옥수수에서만 증가하여 보상 반응을 시사하였다. 광합성 분석 결과, 옥수수에서는 경미한 영향을 보였으나 사우어그래스에서는 현저한 손상을 보였다. 2.0 mM S-벤질-L-시스테인 처리 시, 옥수수는 CO2 동화율(-18%), 기공 전도도(-21%), 증산량(-16%), PSII의 유효 양자 수율(-15%)에서 중간 정도의 감소를 보였으나, 세포간 CO2 농도, 최대 동화율, 최대 카르복실화율, 최대 전자 전달률 및 전자 전달률은 영향을 받지 않았다. 사우어그래스에서는 S-벤질-L-시스테인이 CO2 동화율(-76%), 기공 전도도(-81%), 증산량(-79%), 세포간 CO2 농도(-63%), 최대 동화율(-62%), 최대 카르복실화율(-72%), 최대 전자 전달률(-67%), PSII의 유효 양자 수율(-24%), 전자 전달률(-46%)에서 급격한 감소를 일으켰으며, 비광화학 소광(non-photochemical quenching)은 25% 증가하였다. 이는 두 C4 식물에서 O-아세틸세린(티올) 라이아제 억제에 대한 종 특이적 반응을 밝힌 최초의 연구로, 황 대사 가소성을 제초제 선택성의 기반으로 규명하였다. 이러한 결과는 S-벤질-L-시스테인이 황 대사와 광보호 작용에 차등적으로 영향을 미침으로써 사우어그래스의 광합성을 선택적으로 저해하는 반면 옥수수는 보존함을 보여준다. 따라서 O-아세틸세린(티올) 라이아제는 유망한 제초제 표적으로 부상한다. S-벤질-L-시스테인의 효과를 현장 조건에서 검증하기 위한 추가 연구가 필요하다.ORIGINAL ABSTRACT
The sulfate assimilation pathway is essential for plant metabolism and represents a promising herbicide target. O-Acetylserine (thiol) lyase, the final enzyme in this pathway, plays a key regulatory role. This study investigated the selective effects of S-benzyl-L-cysteine, a novel O-acetylserine (thiol) lyase inhibitor, on maize (Zea mays) and sourgrass (Digitaria insularis), a glyphosate-resistant weed. Seeds and seedlings were treated with S-benzyl-L-cysteine (0.0-5.0 mM), and germination, growth, O-acetylserine (thiol) lyase activity, and photosynthetic parameters were evaluated. Sourgrass was highly sensitive to S-benzyl-L-cysteine, with germination reduced by 53 % at 2.0 mM and nearly abolished at 5.0 mM. Maize showed tolerance up to 2.0 mM, with growth suppression only at 5.0 mM. S-Benzyl-L-cysteine inhibited O-acetylserine (thiol) lyase activity in roots of both species, more intensely in sourgrass. In leaves, O-acetylserine (thiol) lyase activity increased only in maize, suggesting a compensatory response. Photosynthetic analyses revealed mild effects in maize but pronounced impairment in sourgrass. At 2.0 mM S-benzyl-L-cysteine, maize exhibited moderate reductions in CO2 assimilation (-18 %), stomatal conductance (-21 %), transpiration (-16 %), and the effective quantum yield of PSII (-15 %), while intercellular CO2 concentration, maximum assimilation rate, maximum carboxylation rate, maximum electron transport rate, and electron transport rate remained unaffected. In sourgrass, S-benzyl-L-cysteine caused sharp declines in CO2 assimilation (-76 %), stomatal conductance (-81 %), transpiration (-79 %), intercellular CO2 concentration (-63 %), maximum assimilation rate (-62 %), maximum carboxylation rate (-72 %), maximum electron transport rate (-67 %), the effective quantum yield of PSII (-24 %), electron transport rate (-46 %), accompanied by a 25 % increase in non-photochemical quenching. This is the first study to reveal species-specific responses to O-acetylserine (thiol) lyase inhibition in two C4 plants, uncovering sulfur metabolic plasticity as a basis for herbicide selectivity. These findings demonstrate that S-benzyl-L-cysteine selectively impairs sourgrass photosynthesis while sparing maize, likely by differentially affecting sulfur metabolism and photoprotection. O-Acetylserine (thiol) lyase thus emerges as a promising herbicide target. Further research is needed to validate S-benzyl-L-cysteine's efficacy under field conditions.| 저자 | Grizza, L. H. E.; Contesoto, I. C.; Mendonça, A. P. D. S.; Comar, A. C.; Boromelo, A. P.; de Melo, G. S. R.; Ferro, A. P.; Dos Santos, W. D.; Constantin, R. P.; Marchiosi, R.; Ferrarese-Filho, O. |
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| 저널 | Plant physiology and biochemistry : PPB |
| 권·호·쪽 | 231, 111024 |
| PMID | 41518830 |
| DOI | 10.1016/j.plaphy.2026.111024 |
| MeSH | Zea mays; Photosynthesis; Sulfates; Seedlings; Plant Proteins; Germination; Carbon-Oxygen Lyases |