เปิดเผยกลไกระดับโมเลกุลของการย่อยสลายไกลโฟเสตของพืช

ด้วยผลผลิตมากกว่า 700,000 ตันต่อปี ไกลโฟเสตจึงเป็นสารกำจัดวัชพืชที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและใหญ่ที่สุดในโลกการต้านทานวัชพืชและภัยคุกคามที่อาจเกิดขึ้นต่อสภาพแวดล้อมทางนิเวศวิทยาและสุขภาพของมนุษย์ที่เกิดจากการใช้ไกลโฟเสตในทางที่ผิดได้ดึงดูดความสนใจอย่างมาก 

เมื่อวันที่ 29 พฤษภาคม ทีมงานของศาสตราจารย์ Guo Ruiting จาก State Key Laboratory of Biocatalysis and Enzyme Engineering ซึ่งก่อตั้งร่วมกันโดย School of Life Sciences of Hubei University และหน่วยงานระดับจังหวัดและรัฐมนตรี ได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยล่าสุดใน Journal of Hazardous Materials การวิเคราะห์หญ้าโรงนาครั้งแรก(วัชพืชนาข้าวเนื้อร้าย) - ที่ได้มาจากอัลโดคีโตรีดักเตส AKR4C16 และ AKR4C17 กระตุ้นกลไกปฏิกิริยาของการย่อยสลายไกลโฟเสต และปรับปรุงประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสตโดย AKR4C17 อย่างมากผ่านการดัดแปลงโมเลกุล

การเจริญเติบโตของความต้านทานไกลโฟเสต

นับตั้งแต่เปิดตัวในปี 1970 ไกลโฟเสตได้รับความนิยมไปทั่วโลก และค่อยๆ กลายเป็นสารกำจัดวัชพืชในวงกว้างที่ถูกที่สุด ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด และมีประสิทธิผลมากที่สุดทำให้เกิดความผิดปกติของการเผาผลาญในพืช รวมถึงวัชพืช โดยการยับยั้ง 5-enolpyruvylshikimate-3-ฟอสเฟตซินเทส (EPSPS) โดยเฉพาะ ซึ่งเป็นเอนไซม์สำคัญที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตและการเผาผลาญของพืชและความตาย

ดังนั้นการปรับปรุงพันธุ์พืชดัดแปรพันธุกรรมที่ทนต่อไกลโฟเสตและการใช้ไกลโฟเสตในแปลงเป็นวิธีสำคัญในการควบคุมวัชพืชในการเกษตรสมัยใหม่ 

อย่างไรก็ตาม ด้วยการใช้ไกลโฟเสตอย่างแพร่หลายและในทางที่ผิด วัชพืชหลายสิบชนิดจึงค่อย ๆ พัฒนาและพัฒนาความทนทานต่อไกลโฟเสตในระดับสูง

นอกจากนี้ พืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ต้านทานไกลโฟเสตไม่สามารถย่อยสลายไกลโฟเซตได้ ส่งผลให้เกิดการสะสมและการถ่ายโอนไกลโฟเซตในพืช ซึ่งสามารถแพร่กระจายผ่านห่วงโซ่อาหารและเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ได้อย่างง่ายดาย 

ดังนั้นจึงเป็นเรื่องเร่งด่วนที่จะค้นพบยีนที่สามารถย่อยสลายไกลโฟเสตได้ เพื่อปลูกพืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ต้านทานไกลโฟเสตสูงและมีสารตกค้างไกลโฟเสตต่ำ

การแก้ไขโครงสร้างผลึกและกลไกปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ย่อยสลายไกลโฟเสตจากพืช

ในปี 2019 ทีมวิจัยของจีนและออสเตรเลียได้ระบุอัลโด-คีโตรีดักเตสที่ย่อยสลายไกลโฟเสต 2 ชนิด ได้แก่ AKR4C16 และ AKR4C17 เป็นครั้งแรกจากหญ้าในโรงนาที่ต้านทานไกลโฟเสตพวกเขาสามารถใช้ NADP+ เป็นปัจจัยร่วมในการย่อยสลายไกลโฟเซตเป็นกรดอะมิโนเมทิลฟอสโฟนิกและกรดไกลออกซิลิกที่ไม่เป็นพิษ

AKR4C16 และ AKR4C17 เป็นเอนไซม์ย่อยสลายไกลโฟเซตที่มีการรายงานครั้งแรกที่ผลิตโดยวิวัฒนาการตามธรรมชาติของพืชเพื่อสำรวจกลไกระดับโมเลกุลของการย่อยสลายไกลโฟเสตเพิ่มเติม ทีมของ Guo Ruiting ใช้ผลึกรังสีเอกซ์เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างเอนไซม์ทั้งสองนี้กับโคแฟคเตอร์ที่สูงโครงสร้างที่ซับซ้อนของความละเอียดเผยให้เห็นโหมดการจับของคอมเพล็กซ์ไตรนารีของไกลโฟเสต, NADP+ และ AKR4C17 และเสนอกลไกปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของการย่อยสลายไกลโฟเสตที่ใช้ AKR4C16 และ AKR4C17 เป็นสื่อกลาง

โครงสร้างของสารเชิงซ้อน AKR4C17/NADP+/ไกลโฟเสต และกลไกปฏิกิริยาของการย่อยสลายไกลโฟเสต

การดัดแปลงระดับโมเลกุลช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสต

หลังจากได้รับแบบจำลองโครงสร้างสามมิติที่สวยงามของ AKR4C17/NADP+/ไกลโฟเสต ทีมของศาสตราจารย์ Guo Ruiting ได้รับโปรตีนกลายพันธุ์ AKR4C17F291D เพิ่มเติม โดยเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเซตถึง 70% ผ่านการวิเคราะห์โครงสร้างของเอนไซม์และการออกแบบที่มีเหตุผล

การวิเคราะห์กิจกรรมการย่อยสลายไกลโฟเสตของการกลายพันธุ์ AKR4C17

“งานของเราเผยให้เห็นกลไกระดับโมเลกุลของ AKR4C16 และ AKR4C17 ที่เร่งการย่อยสลายไกลโฟเสต ซึ่งวางรากฐานที่สำคัญสำหรับการปรับเปลี่ยน AKR4C16 และ AKR4C17 เพิ่มเติม เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสต”รองศาสตราจารย์ Dai Longhai แห่งมหาวิทยาลัยหูเป่ย ผู้เขียนรายงานดังกล่าวกล่าวว่า พวกเขาสร้างโปรตีนกลายพันธุ์ AKR4C17F291D พร้อมประสิทธิภาพการย่อยสลายไกลโฟเสตที่ได้รับการปรับปรุง ซึ่งเป็นเครื่องมือสำคัญในการปลูกพืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ต้านทานไกลโฟเสตสูง โดยมีสารตกค้างไกลโฟเสตต่ำ และใช้แบคทีเรียวิศวกรรมทางจุลินทรีย์เพื่อ ย่อยสลายไกลโฟเสตในสิ่งแวดล้อม

มีรายงานว่าทีมงานของ Guo Ruiting มีส่วนร่วมในการวิจัยเกี่ยวกับการวิเคราะห์โครงสร้างและการอภิปรายกลไกของเอนไซม์ที่ย่อยสลายทางชีวภาพ การสังเคราะห์เทอร์พีนอยด์ และโปรตีนเป้าหมายของยาของสารพิษและสารพิษในสิ่งแวดล้อมLi Hao รองนักวิจัย Yang Yu และอาจารย์ Hu Yumei ในทีมเป็นผู้เขียนร่วมคนแรกของบทความนี้ ส่วน Guo Ruiting และ Dai Longhai เป็นผู้เขียนร่วม