Engineering glyphosate tolerance in sugarcane through overexpression of a mutated version of its native EPSPS gene.
GM Crops Food · 2026 · 17:2627101 · PMID 41804601 · 등급6 세포·모델 세포실험 · 물질과 작용기전 > EPSPS·시킴산 경로 · 식물 · 식이 · 원제+제형 비교
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사탕수수는 식량 산업과 바이오 연료 생산 모두에서 광범위하게 사용되는 전 세계적으로 중요한 작물이다. 잡초 침입은 사탕수수의 생산성을 크게 감소시킬 수 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 글리포세이트와 같은 제초제가 흔히 살포된다. 글리포세이트는 포스포에놀피루브산(PEP)의 구조적 유사체로 작용하여 효소인 5-엔올피루빌쉬키미테-3-인산 합성효소(EPSPS)를 억제함으로써 쉬키미산 경로를 방해하고 식물의 성장 및 발달에 필수적인 방향족 아미노산의 생합성을 손상시킨다. 그러나 사탕수수의 글리포세이트에 대한 내성이 제한적이어서 제초제 살포가 효과적인 잡초 방제에 종종 불충분한 용량으로 국한된다. 이전 연구들에서는 EPSPS 효소의 아미노산 치환, 특히 T102I/P106A(TIPA) 돌연변이가 식물에서 글리포세이트 내성을 부여할 수 있음을 보여주었다. 본 연구에서는 특정 돌연변이가 있는 내인성 ScEPSPS 유전자가 온실 조건에서 평가된 형태적, 생리적 및 생체계측학적 매개변수를 저해하지 않으면서 사탕수수의 글리포세이트 내성을 향상시킬 수 있는지 평가하였다. 이 변이 유전자는 형질전환 사탕수수 식물에 구성적으로 과발현되었으며, 최대 5% (상업용 제제 부피/부피, 글리포세이트산 당량 106.5 mM)의 글리포세이트 농도에서도 생존하였다. 분자 분석 결과, 내성 계통에서 돌연변이 유전자의 과발현 정도가 비형질전환 대조군에 비해 약 25배에서 80배까지 높게 나타났다. 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC) 정량 분석은 제초제 살포 14일 후 돌연변이 ScEPSPS를 과발현하는 식물에서 페닐알라닌, 티로신 및 트립토판 수치가 증가했음을 보여주었다. 비록 이 돌연변이가 특정 조직학적 및 생리적 매개변수에 영향을 미쳤으나, 생체계측학적 평가는 전반적인 표현형이 크게 변하지 않았음을 나타냈다. 돌연변이 내인성 ScEPSPS 유전자의 성공적인 과발현은 온실 조건에서 식물 성장과 발달을 저해하지 않으면서 사탕수수의 글리포세이트 내성을 향상시키는 유망한 생명공학적 전략이다.ORIGINAL ABSTRACT
Sugarcane is a globally important crop, widely used in both the food industry and biofuel production. Weed infestations can significantly reduce its productivity, and to address this challenge, herbicides such as glyphosate are commonly applied. Glyphosate acts as a structural analog of phosphoenolpyruvate (PEP), inhibiting the enzyme 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS), thereby disrupting the shikimate pathway and impairing the biosynthesis of essential aromatic amino acids required for plant growth and development. However, the limited tolerance of sugarcane to glyphosate restricts herbicide application to doses that are often insufficient for effective weed control. Previous studies have shown that amino acid substitutions in the EPSPS enzyme, particularly the T102I/P106A (TIPA) mutations, can confer glyphosate resistance in plants. In this study, we evaluated whether a specific mutation in the endogenous ScEPSPS gene could enhance glyphosate tolerance in sugarcane without compromising morphological, physiological, and biometric parameters evaluated under greenhouse conditions. The mutated gene was constitutively overexpressed in transgenic sugarcane plants, which survived glyphosate concentrations as high as 5% (v/v of the commercial formulation, 106.5 mM of glyphosate acid equivalent). Molecular analyses revealed approximately 25- to 80-fold overexpression of the transgene in resistant lines compared with non-transgenic controls. High-performance liquid chromatography (HPLC) quantification showed elevated levels of phenylalanine, tyrosine, and tryptophan 14 days after herbicide application in plants overexpressing the mutated ScEPSPS. Although the mutation affected certain histological and physiological parameters, biometric assessments indicated that the overall phenotype remained largely unchanged. The successful overexpression of the mutated endogenous ScEPSPS gene represents a promising biotechnological strategy to enhance glyphosate tolerance in sugarcane without compromising plant growth and development under greenhouse conditions.| 저자 | Alves, P. I.; Heleodoro, T.; Spinassé Floreste, B.; Moreira Neris, D.; Silvério Pena Bento, J. P.; Smith, B. J.; de Rezende, F. M.; Pinoti, V.; de Lucca, P. C.; da Silva, J. J. B.; Falsarella Carazzolle, M.; Amarante Guimarães Pereira, G.; Mazzafera, P.; Lischka Sampaio Mayer, J.; Silveira Buckeridge, M.; Menossi, M. |
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| 저널 | GM crops & food |
| 권·호·쪽 | 17(1), 2627101 |
| PMID | 41804601 |
| DOI | 10.1371/journal.pone.0175820 |
| MeSH | Saccharum; Glycine; Glyphosate; 3-Phosphoshikimate 1-Carboxyvinyltransferase; Plants, Genetically Modified; Herbicides; Herbicide Resistance; Mutation |