Yli 700 000 tonnin vuosituotannollaan glyfosaatti on maailman käytetyin ja suurin rikkakasvien torjunta-aine. Rikkakasvien vastustuskyky ja glyfosaatin väärinkäytön aiheuttamat mahdolliset uhat ekologiselle ympäristölle ja ihmisten terveydelle ovat herättäneet suurta huomiota.
Professori Guo Ruitingin johtama Hubein yliopiston biotieteiden tiedekunnan sekä maakunnan ja ministeriöiden yhdessä perustaman valtion biokatalyysin ja entsyymitekniikan avainlaboratorion tiimi julkaisi 29. toukokuuta Journal of Hazardous Materials -lehdessä uusimman tutkimusartikkelin, jossa analysoidaan ensimmäistä analyysiä naudanlihan ruohosta. (Pahanlaatuinen riisirikkaruoho) peräisin olevat aldo-keto-reduktaasi AKR4C16 ja AKR4C17 katalysoivat glyfosaatin hajoamisreaktiomekanismia ja parantavat huomattavasti glyfosaatin hajoamistehokkuutta AKR4C17:n avulla molekyylimodifikaation avulla.
Glyfosaattiresistenssi kasvaa.
Glyfosaatti on ollut suosittu kaikkialla maailmassa sen käyttöönotosta 1970-luvulla lähtien, ja siitä on vähitellen tullut halvin, eniten käytetty ja tehokkain laajakirjoinen rikkakasvien torjunta-aine. Se aiheuttaa aineenvaihduntahäiriöitä kasveissa, mukaan lukien rikkaruohoissa, estämällä spesifisesti 5-enolipyruvyylishikimaatti-3-fosfaattisyntaasia (EPSPS), joka on keskeinen kasvien kasvuun ja aineenvaihduntaan osallistuva entsyymi, ja johtaa kasvien kuolemaan.
Siksi glyfosaattiresistenttien transgeenisten viljelykasvien jalostus ja glyfosaatin käyttö pellolla on tärkeä tapa torjua rikkaruohoja nykyaikaisessa maataloudessa.
Glyfosaatin laajalle levinneen käytön ja väärinkäytön myötä kymmenet rikkakasvit ovat kuitenkin vähitellen kehittyneet ja kehittäneet korkean glyfosaatin sietokyvyn.
Lisäksi glyfosaatille vastustuskykyiset geenimuunnellut viljelykasvit eivät pysty hajottamaan glyfosaattia, mikä johtaa glyfosaatin kertymiseen ja siirtymiseen viljelykasveihin, jotka voivat helposti levitä ravintoketjussa ja vaarantaa ihmisten terveyden.
Siksi on kiireellistä löytää glyfosaattia hajottavia geenejä, jotta voidaan viljellä erittäin glyfosaattiresistenttejä transgeenisiä kasveja, joissa glyfosaattijäämät ovat alhaiset.
Kasviperäisten glyfosaattia hajottavien entsyymien kiderakenteen ja katalyyttisen reaktiomekanismin selvittäminen
Vuonna 2019 kiinalais-australialainen tutkimusryhmä tunnistivat ensimmäistä kertaa kaksi glyfosaattia hajottavaa aldo-keto-reduktaasia, AKR4C16:n ja AKR4C17:n, glyfosaattiresistentistä nurmikosta. He voivat käyttää NADP+:aa kofaktorina glyfosaatin hajottamiseksi myrkyttömäksi aminometyylifosfonihapoksi ja glyoksyylihapoksi.
AKR4C16 ja AKR4C17 ovat ensimmäiset raportoidut glyfosaattia hajottavat entsyymit, joita kasvien on tuottanut luonnollisesti. Guo Ruitingin tiimi käytti röntgenkristallografiaa analysoidakseen näiden kahden entsyymin ja kofaktorin HH välistä suhdetta tutkiakseen tarkemmin glyfosaatin hajotuksen molekyylimekanismia. Erotusmenetelmän monimutkainen rakenne paljasti glyfosaatin, NADP+:n ja AKR4C17:n, kolmiosaisen kompleksin sitoutumistavan ja ehdotti AKR4C16:n ja AKR4C17:n välittämän glyfosaatin hajoamisen katalyyttistä reaktiomekanismia.
AKR4C17/NADP+/glyfosaatti-kompleksin rakenne ja glyfosaatin hajoamisen reaktiomekanismi.
Molekyylimodifikaatio parantaa glyfosaatin hajoamistehokkuutta.
Saatuaan AKR4C17/NADP+/glyfosaatin hienojakoisen kolmiulotteisen rakennemallin professori Guo Ruitingin tiimi sai edelleen entsyymirakenneanalyysin ja rationaalisen suunnittelun avulla mutanttiproteiinin AKR4C17F291D, jonka glyfosaatin hajoamistehokkuus kasvoi 70 %.
AKR4C17-mutanttien glyfosaattia hajottavan aktiivisuuden analyysi.
”Työmme paljastaa AKR4C16:n ja AKR4C17:n molekyylitason mekanismin, joka katalysoi glyfosaatin hajoamista, mikä luo tärkeän perustan AKR4C16:n ja AKR4C17:n jatkomuokkaukselle niiden glyfosaatin hajoamistehokkuuden parantamiseksi.” Artikkelin vastaava kirjoittaja, apulaisprofessori Dai Longhai Hubein yliopistosta, sanoi, että he rakensivat mutanttiproteiinin AKR4C17F291D, jolla on parannettu glyfosaatin hajoamistehokkuus. Tämä tarjoaa tärkeän työkalun glyfosaatille vastustuskykyisten ja vähän glyfosaattijäämiä sisältävien siirtogeenisten viljelykasvien viljelyyn ja mikrobien muokkaamiseen glyfosaatin hajottamiseen ympäristössä.
Guo Ruitingin tiimin kerrotaan pitkään tutkineen biohajoamisentsyymien, terpenoidisyntaasien ja lääkekohdeproteiinien rakenneanalyysiä ja mekanismeja ympäristössä. Tiimin jäsenet Li Hao, apulaistutkija Yang Yu ja luennoitsija Hu Yumei ovat artikkelin ensimmäiset kirjoittajat, ja Guo Ruiting ja Dai Longhai ovat vastaavia kirjoittajia.
Julkaisun aika: 2. kesäkuuta 2022