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Combating aggressive weeds: Reinforcing herbicide resistance in pigeonpea (Cajanus cajan L.) through genome editing.
Plant Physiol Biochem · 2025 · 222:109550 · PMID 40054114 · 등급6 세포·모델 in vitro · 물질과 작용기전 > EPSPS·시킴산 경로 · 식물 · 직업 · 제형(GBH)
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초록 전문 번역 · gemma4:e4b
꼬투리콩(Cajanus cajan L.)은 가뭄에 강한 열대 곡물 콩과 식물로, 식이 단백질, 비타민 및 미량 영양소가 풍부하다. 그러나 논에서의 잡초 침입 문제는 꼬투리콩의 생산성을 크게 저해하는 오랜 문제이다. 광범위하게 사용되는 후발생(post-emergent) 전신 제초제인 글리포세이트는 현장 수준에서 효과적인 잡초 관리 전략으로 부상하였다. 이는 시키미산 경로(shikimate pathway)의 엽록체 효소인 5-엔올피루빌시키메이트-3-인산 합성효소(EPSPS)를 기질인 포스포에놀피루브산(PEP)을 경쟁적으로 저해함으로써 억제하여 필수 방향족 아미노산(페닐알라닌, 티로신 및 트립토판)의 생합성을 감소시킨다. 이로 인해 글리포세이트는 잡초와 주요 작물 모두에 치명적이다. 글리포세이트에 대한 이러한 민감성을 해결하기 위해, 우리는 글리포세이트 결합 친화도를 낮추기 위해 고유한 CcEPSPS 효소의 PEP 결합 부위인 182G-to-A, 183T-to-I, 및 187P-to-S 위치를 변형시켜 글리포세이트 저항성 꼬투리콩 식물을 개발하였다. 표적 염기 편집은 CRISPR-Cas9 기반의 상동 재조합 복구(HDR) 기술을 사용하여 달성되었다. mCcEPSPS를 보유한 T2-편집 식물은 이러한 GATIPS 돌연변이의 안정적인 유전을 보였으며, 글리포세이트 처리 후에도 감소된 글리포세이트 결합 친화도와 최적의 광합성 및 농업학적 매개변수를 유지하였다. mCcEPSPS 효소는 PEP와 S3P를 EPSP로 효율적으로 촉매 변환하였고 시험관 내에서 글리포세이트에 대한 저항성을 입증하였다. 처리된 대조군(TC) 식물과 비교하여, 편집된 식물은 후엽면 살포형 라운드업(6 ml/L) 살포 후 우수한 광합성, 농업학적 및 생리학적 지표를 나타냈다. 본 연구는 꼬투리콩에서 최초의 효율적이고 정밀한 유전자 편집 보고이며, 정량적 및 정성적 작물 손실을 완화하기 위한 효과적인 지속 가능한 광범위 잡초 관리 전략을 제공한다.
ORIGINAL ABSTRACT
Pigeonpea (Cajanus cajan L.) is a drought-tolerant, tropical grain legume, rich in dietary proteins, vitamins, and micronutrients. However, the longstanding problem of weed infestation in the fields is a major constraint that significantly hampers the productivity of pigeonpea. Glyphosate, a widely used post-emergent, broad-spectrum, systemic herbicide, has emerged as an effective weed management strategy at the field level. It inhibits the chloroplastic enzyme 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS) in the shikimate pathway by competitively inhibiting its substrate, phosphoenol pyruvate (PEP), thus curtailing the biosynthesis of essential aromatic amino acids (phenylalanine, tyrosine, and tryptophan). This makes glyphosate lethal to weeds and the main crop as well. To address this susceptibility towards glyphosate, we developed glyphosate-resistant pigeonpea plants by modifying the PEP-binding site within the native CcEPSPS enzyme at positions 182G-to-A, 183T-to-I, and 187P-to-S, for reducing glyphosate binding affinity. The targeted base-editing was achieved using the CRISPR-Cas9-based homology-directed repair (HDR) technique. T2-edited plants harbouring mCcEPSPS exhibited stable inheritance of the these GATIPS mutations, reduced glyphosate binding affinity, and maintained optimal photosynthetic and agronomic parameters post-glyphosate application. The mCcEPSPS enzyme efficiently catalysed the transformation of PEP and S3P to EPSP and demonstrated in vitro resistance to glyphosate. In contrast to treated control (TC) plants, the edited plants possessed excellent photosynthetic, agronomic, and physiological metrics following a post-foliar Roundup (6 ml/L) spray. This work offers the first efficient and precise gene-editing report in pigeonpea, offering an effective, sustainable strategy for broad-spectrum weed management to mitigate both quantitative and qualitative crop losses.
저자Bharti, J.; Verma, R.; Thangaraj, A.; Sony, S. K.; Fathy, K.; Rawat, B.; Kaul, R.; Chakraborty, P.; Gupta, I.; Kaul, T.
저널Plant physiology and biochemistry : PPB
권·호·쪽222, 109550
PMID40054114
DOI10.1016/j.plaphy.2025.109550
MeSHCajanus; Herbicide Resistance; Gene Editing; Glyphosate; Plant Weeds; Herbicides; Glycine; 3-Phosphoshikimate 1-Carboxyvinyltransferase; Plants, Genetically Modified; Plant Proteins
APA 7판
Bharti, J., Verma, R., Thangaraj, A., Sony, S. K., Fathy, K., Rawat, B., Kaul, R., Chakraborty, P., Gupta, I., & Kaul, T. (2025). Combating aggressive weeds: Reinforcing herbicide resistance in pigeonpea (Cajanus cajan L.) through genome editing. Plant Physiol Biochem, 222, 109550. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2025.109550
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