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中国科技大学向成斌团队发现植物降解百草枯的分子机制

百草枯 (Paraquat, PQ) 是一种常用的非选择性除草剂,广泛使用会导致抗性杂草的出现,危害农业生产。对抗百草枯杂草和拟南芥研究发现,限制药物吸收转运、提高活性氧清除能力和液泡隔离等策略可增强植物对百草枯的抗性。但植物能否通过降解百草枯实现抗性仍待研究。

2022年4月28日,中国科学技术大学向成斌教授团队在Journal of Genetics and Genomics在线发表题为“AtPQT11, a P450 enzyme, detoxifies paraquat via N-demethylation”的研究论文,该研究发现植物中第一例可直接降解百草枯的P450酶CYP86A4,并鉴定出百草枯的降解产物为N-甲基联吡啶。

该研究发现拟南芥抗百草枯突变体pqt11-10D的At1G01600基因座被激活,推测可能为百草枯抗性的诱因。在拟南芥野生型中过表达At1G01600基因,可使其获得稳定的抗百草枯表型。相反,与野生型相比,缺失突变体pqt11对百草枯更敏感。同样,在大肠杆菌中过表达At1G01600基因,也可显著增强大肠杆菌对百草枯的抗性。At1G01600基因编码的CYP86A4蛋白,隶属于植物最大的蛋白家族CYP450酶类。此外,通过建立CYP86A4依赖、以百草枯为底物、以NADPH为电子供体的体外反应体系和液相/质谱-质谱检测,该研究鉴定出CYP86A4催化百草枯降解的产物为脱单甲基百草枯(N-demethyl paraquat),又称为N-甲基联吡啶。生物学实验进一步证明N-甲基联吡啶对拟南芥无毒。综上,该研究解析了植物降解百草枯的分子机制,为培育抗百草枯作物和开发百草枯解毒剂提供可能。

AtPQT11/CYP86A4催化百草枯为无毒产物N-甲基联吡啶。拟南芥AtPQT11/CYP86A4是一个可识别百草枯(PQ)的P450酶,在有电子供体NADPH的条件下,可将PQ催化为N-甲基联吡啶(N-demethyl PQ),能否进一步催化N-甲基联吡啶去甲基为联吡啶(bipyridine)还有待实验证实。拟南芥野生型(WT)、ATPQT1过表达株系(OX1-4, OX3-1)和缺失突变体(pqt11)对百草枯、N-甲基联吡啶和联吡啶的抗性实验表明,N-甲基联吡啶和联吡啶对拟南芥无毒。

中国科学技术大学博士生黄一阶为该论文的第一作者,向成斌教授与安徽农业大学高丽萍教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金等资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jgg.2022.04.007

posted @ 22-05-07 08:09 作者:admin  阅读:

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