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Aldo-keto Reductase Metabolizes Glyphosate and Confers Glyphosate Resistance in Echinochloa colona.
Plant Physiol · 2019 · 181:1519-1534 · PMID 31551360 · 등급6 세포·모델 세포실험 · 농업과 정책 > 저항성 잡초 · 식물 · AMPA
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글리포세이트는 전 세계적으로 가장 흔하게 사용되는 제초제로, 주로 식물이 글리포세이트를 대사(해독)하는 능력이 적기 때문에 광범위한 종류의 식물 종을 방제할 수 있다. 막대한 양의 글리포세이트 사용은 경제적 피해를 주는 잡초인 에키노클로아 콜로나(Echinochloa colona)와 같은 글리포세이트 내성(GR) 잡초 종의 전 세계적인 진화를 초래하였다. 호주 지역의 E. colona 개체군에서 글리포세이트에 대한 저항성이 진화하였는데, 이는 글리포세이트 표적 효소인 5-엔올피루빌시키메이트-3-P 합성효소와 관련이 없는 것으로 알려져 있다. 이 개체군으로부터 GR 및 글리포세이트 감수성(S) 계통을 분리하여 내성 유전자 발견에 사용하였다. RNA 시퀀싱 분석과 표현형/유전자형 검증 실험 결과, 하나의 알도-케토 환원효소(AKR) 컨티그가 S 식물보다 GR 식물에서 더 높은 발현 및 더 높은 결과 AKR 활성을 보이는 것이 밝혀졌다. 두 개의 완전 길이 AKR (EcAKR4-1 및 EcAKR4-2) 상보 DNA 전사체는 GR과 S 식물 간에 동일한 서열을 가졌으나, GR 식물에서 상향 조절되는 것으로 클로닝되었다. EcAKR4-1을 과발현시킨 벼(Oryza sativa)의 캘러스 및 유묘는 증가된 AKR 활성을 보였으며 글리포세이트에 대한 저항성을 나타냈다. 대장균(Escherichia coli)에서 발현된 EcAKR4-1은 글리포세이트를 아미노메틸인산과 글리옥실산으로 대사할 수 있다. 이러한 결과와 일치하게, GR E. colona 식물은 글리포세이트를 아미노메틸인산과 글리옥실산으로 해독하는 향상된 능력을 보였다. 구조 모델링은 글리포세이트가 산화를 위해 EcAKR4-1에 결합한다고 예측하였으며, EcAKR4-1 형질전환 벼 유묘의 대사체학 분석은 글리포세이트 대사에 관여하는 가능한 산화환원 경로를 보여주었다. 본 연구는 글리포세이트를 대사하여 글리포세이트 저항성을 부여하는 식물 AKR의 진화에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공한다.
ORIGINAL ABSTRACT
Glyphosate, the most commonly used herbicide in the world, controls a wide range of plant species, mainly because plants have little capacity to metabolize (detoxify) glyphosate. Massive glyphosate use has led to world-wide evolution of glyphosate-resistant (GR) weed species, including the economically damaging grass weed Echinochloa colona An Australian population of E colona has evolved resistance to glyphosate with unknown mechanisms that do not involve the glyphosate target enzyme 5-enolpyruvylshikimate-3-P synthase. GR and glyphosate-susceptible (S) lines were isolated from this population and used for resistance gene discovery. RNA sequencing analysis and phenotype/genotype validation experiments revealed that one aldo-keto reductase (AKR) contig had higher expression and higher resultant AKR activity in GR than S plants. Two full-length AKR (EcAKR4-1 and EcAKR4-2) complementary DNA transcripts were cloned with identical sequences between the GR and S plants but were upregulated in the GR plants. Rice (Oryza sativa) calli and seedlings overexpressing EcAKR4-1 and displaying increased AKR activity were resistant to glyphosate. EcAKR4-1 expressed in Escherichia coli can metabolize glyphosate to produce aminomethylphosphonic acid and glyoxylate. Consistent with these results, GR E colona plants exhibited enhanced capacity for detoxifying glyphosate into aminomethylphosphonic acid and glyoxylate. Structural modeling predicted that glyphosate binds to EcAKR4-1 for oxidation, and metabolomics analysis of EcAKR4-1 transgenic rice seedlings revealed possible redox pathways involved in glyphosate metabolism. Our study provides direct experimental evidence of the evolution of a plant AKR that metabolizes glyphosate and thereby confers glyphosate resistance.
저자Pan, L.; Yu, Q.; Han, H.; Mao, L.; Nyporko, A.; Fan, L.; Bai, L.; Powles, S.
저널Plant physiology
권·호·쪽181(4), 1519-1534
PMID31551360
DOI10.1104/pp.19.00979
MeSHAldo-Keto Reductases; Echinochloa; Escherichia coli; Genes, Plant; Glycine; Herbicide Resistance; Isoxazoles; Metabolic Networks and Pathways; Metabolome; Models, Molecular; Oryza; Phenotype; Plant Proteins; Plants, Genetically Modified; RNA-Seq; Reproducibility of Results; Seedlings; Tetrazoles; Time Factors; Up-Regulation; Glyphosate
APA 7판
Pan, L., Yu, Q., Han, H., Mao, L., Nyporko, A., Fan, L., Bai, L., & Powles, S. (2019). Aldo-keto Reductase Metabolizes Glyphosate and Confers Glyphosate Resistance in Echinochloa colona. Plant Physiol, 181(4), 1519-1534. https://doi.org/10.1104/pp.19.00979
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