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Environment Pollution|线粒体代谢是酿酒酵母对草甘膦除草剂的反应和抗性的核心

背景

草甘膦除草剂在世界各地的广泛使用导致了草甘膦对植物、细菌和高等真核生物影响的广泛研究。对除草剂抗性的研究已经进行了几十年,主要集中在草甘膦上。然而,草甘膦除草剂(GBHs)及其添加剂的潜在负面影响直到最近几年才被认识到。芳香氨基酸途径是草甘膦的典型靶点。除草添加剂虽然声称是中性的,但与草甘膦结合时具有交互作用。评估草甘膦除草剂抗性的遗传变异是解决这些添加剂毒性途径的一种方法。对GBHs反应的变化不仅在于生物体的遗传组成,而且还在于添加到具有相同活性成分的除草剂中的佐剂和表面活性剂的成分和浓度的变化。最近的研究表明,草甘膦类除草剂的毒性不仅与主要成分有关,更与各种剂型中的添加剂有关。

文章来源

来自美国西弗吉尼亚大学生物系的研究人员在Environment Pollution上发表了一篇Mitochondrial metabolism is central for response and resistance of Saccharomyces cerevisiae to exposure to a glyphosate-based Herbicide(IF:6.792)的研究论文,利用酵母的遗传变异来鉴定菌株之间的差异,发现抗性与含有编码线粒体脂肪酸生物合成的线粒体蛋白基因的位点有关。

结果

研究人员利用缺失突变体对QTL分析中鉴定的基因进行半定量生长分析。利用BY4741(S288c衍生物)敲除收集,对所鉴定的QTL中的所有S288c基因敲除突变体进行检测。通过从BY4742酵母敲除收集到的敲除盒,在耐药菌株RM1 1 1中对已鉴定的基因进行敲除。rm11和S288c突变体在最小培养基、添加WYF的培养基和添加天冬氨酸(D)的培养基上进行测试。

Fig1.Growth of RM11 and S288c haploid mutants on exposure to Credit

Fig1.Growth of RM11 and S288c haploid mutants on exposure to Credit41

进行转录组分析以确定QTL中的候选基因在暴露于Cr41后是否受到差异性调节。在液体培养基中培养酵母,在Cr41作用90min,提取RNA,转化为cDNA,并对文库进行测序。根据KEGG途径分析,果糖和甘露糖代谢是唯一上调的途径。KEGG途径分析表明戊糖磷酸途径,碳代谢和次生代谢物的生物合成显著下调。

Fig2.Gene expression analysis of RM11 on exposure to glyphosate (Credit41) in minimal media

Fig2.Gene expression analysis of RM11 on exposure to glyphosate (Credit41) in minimal media

转录组分析显示金属转运蛋白FIT2、FIT3、CUP1和FRE5在耐药株rm11中的调控。根据这些基因的功能,细胞浓度测定了铁、锌、钙、镁、钾和磷。经草甘膦处理的细胞内元素水平在Cr41和PG暴露之间变化。在经Cr41处理的RM11中,观察到铁浓度增加。如果只有异质细胞亚群适应草甘膦的暴露,测量一个细胞群体中的铁水平,而不是单个细胞或亚细胞室可以解释观察到的样本间差异。由于铁和锌的耦合吸收,锌的水平也被测量。锌含量增加仅在PG暴露于RM11的情况下增加。

Fig3:Change in metal amounts on glyphosate exposure

Fig3:Change in metal amounts on glyphosate exposure

结论

通过QTL分析和鉴定抗草甘膦除草剂Credit41的基因座,研究了敏感的实验室酵母菌株S288c和抗性葡萄园菌株RM1-1之间的抗除草剂遗传变异。在已鉴定的候选基因中,AAC3和HFA1是显著的,并强调了线粒体功能在Credit41抗性中的潜在作用。适应Credit41暴露的细胞增加了PET9的拷贝数,这是AAC3的一个分支,在许多其他线粒体蛋白质中。对Credit41暴露细胞的转录组分析也指出线粒体参与了抵挡Credit41的作用,FIT2和FIT3的上调证明了这一点,而FIT2和FIT3反过来又增加了FeeS产生的铁摄取。暴露于Credit41的酵母细胞基因组和转录组的变化强调了在使用草甘膦除草剂之前,必须彻底测试商业配方中的活性成分和添加剂的协同作用。


参考文献:

【1】Amrhein, N., Deus, B., Gehrke, P., Steinrücken, H.C., 1980. The site of the inhibition of the shikimate pathway by glyphosate, 66, 830e834

【2】Ausubel, F.M., Brent, R., Kingston, R.E., Moore, D.D., Seidman, J.G., et al., 1995. Short Protocols in Molecular Biology, vol. 1995

【3】Beinert, H., Holm, R.H., Münck, E., 1997. Iron-sulfur clusters: nature’s modular, multipurpose structures. Science 277 (80), 653e659

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0269749119356040

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草甘膦除草剂在世界各地的广泛使用导致了草甘膦对植物、细菌和高等真核生物影响的广泛研究。对除草剂抗性的研究已经进行了几十年,主要集中在草甘膦上。然而,草甘膦除草剂(GBHs)及其添加剂的潜在负面影响直到最近几年才被认识到。
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