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Overexpression of improved EPSPS gene results in field level glyphosate tolerance and higher grain yield in rice.
Plant Biotechnol J · 2020 · 18:2504-2519 · PMID 32516520 · 등급5 동물·현장 현장조사 · 물질과 작용기전 > EPSPS·시킴산 경로 · 식물
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초록 전문 번역 · gemma4:e4b
글리포세이트는 현대 농업에서 사용되는 인기 있는 전신성 광범위 제초제이다. 포스포에놀피루브산(PEP)의 구조적 유사체인 글리포세이트는 방향족 아미노산과 다양한 방향족 2차 대사물의 생합성에 관여하는 5-엔올피루빌시키메이트 3-인산 합성효소(EPSPS)를 저해한다. 글리포세이트 내성 잡초에서 유래하여, 아미노산 치환을 통해 두 가지 돌연변이 변이체인 벼 EPSPS 유전자(T173I + P177S; TIPS-OsEPSPS 및 G172A + T173I + P177S; GATIPS-OsEPSPS)가 개발되었다. 이 변형된 EPSPS 유전자들은 토착 EPSPS 또는 구성적 프로모터(옥수수 유비퀴틴 [ZmUbi] 프로모터)의 통제 하에 벼에서 과발현되었다. ZmUbi 프로모터의 통제 하에 TIPS-OsEPSPS를 과발현시킨 결과, 제어된 조건과 현장 조건 모두에서 식물의 적합도 및 관련 농업적 형질에 영향을 주지 않으면서 글리포세이트에 대한 내성이 증가하였다(권장량의 최대 3배까지). 더욱이, 이러한 벼 계통은 글리포세이트를 살포하지 않은 경우 야생형(WT) 대비 17%-19% 더 많은 곡물을 생산하였으며, 형질전환된 종자의 페닐알라닌 및 트립토판 함량이 WT 종자보다 유의하게 높은 것으로 나타났다. 또한 본 연구 결과는 토착 프로모터가 유도하는 변형 EPSPS 유전자 발현이 글리포세이트 내성을 유의미하게 개선하지 못했음을 보여주었다. 벼의 클래스 I aroA 유전자에 작물 특이적 TIPS 돌연변이를 도입하고 이를 과발현시키는 것은 벼의 수확량과 현장 수준의 글리포세이트 내성을 상당히 향상시킬 잠재력이 있다. 이는 EPSPS가 벼의 곡물 수확량을 개선하는 데 역할을 한다는 것을 관찰한 최초의 보고이다.
ORIGINAL ABSTRACT
Glyphosate is a popular, systemic, broad-spectrum herbicide used in modern agriculture. Being a structural analog of phosphoenolpyruvate (PEP), it inhibits 5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate synthase (EPSPS) which is responsible for the biosynthesis of aromatic amino acids and various aromatic secondary metabolites. Taking a lead from glyphosate-resistant weeds, two mutant variants of the rice EPSPS gene were developed by amino acid substitution (T173I + P177S; TIPS-OsEPSPS and G172A + T173I + P177S; GATIPS-OsEPSPS). These mutated EPSPS genes were overexpressed in rice under the control of either native EPSPS or constitutive promoters (maize ubiquitin [ZmUbi] promoter). The overexpression of TIPS-OsEPSPS under the control of the ZmUbi promoter resulted in higher tolerance to glyphosate (up to threefold of the recommended dose) without affecting the fitness and related agronomic traits of plants in both controlled and field conditions. Furthermore, such rice lines produced 17%-19% more grains compared to the wild type (WT) in the absence of glyphosate application and the phenylalanine and tryptophan contents in the transgenic seeds were found to be significantly higher in comparison with WT seeds. Our results also revealed that the native promoter guided expression of modified EPSPS genes did not significantly improve the glyphosate tolerance. The present study describing the introduction of a crop-specific TIPS mutation in class I aroA gene of rice and its overexpression have potential to substantially improve the yield and field level glyphosate tolerance in rice. This is the first report to observe that the EPSPS has role to play in improving grain yield of rice.
저자Achary, V. M. M.; Sheri, V.; Manna, M.; Panditi, V.; Borphukan, B.; Ram, B.; Agarwal, A.; Fartyal, D.; Teotia, D.; Masakapalli, S. K.; Agrawal, P. K.; Reddy, M. K.
저널Plant biotechnology journal
권·호·쪽18(12), 2504-2519
PMID32516520
DOI10.1111/pbi.13428
MeSH3-Phosphoshikimate 1-Carboxyvinyltransferase; Glycine; Herbicide Resistance; Herbicides; Oryza; Phosphates; Glyphosate
APA 7판
Achary, V. M. M., Sheri, V., Manna, M., Panditi, V., Borphukan, B., Ram, B., Agarwal, A., Fartyal, D., Teotia, D., Masakapalli, S. K., Agrawal, P. K., & Reddy, M. K. (2020). Overexpression of improved EPSPS gene results in field level glyphosate tolerance and higher grain yield in rice. Plant Biotechnol J, 18(12), 2504-2519. https://doi.org/10.1111/pbi.13428
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