この原稿は、除草剤の代謝率が双子葉植物の雑草から切り出された葉で効果的に定量化され、それによって変動性を減らし、全植物アッセイで一般的に観察される除草剤の取り込みまたは転座の可能性のある交絡効果を取り除く方法を説明しています。
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この原稿は、除草剤の代謝率が双子葉植物の雑草から切り出された葉で効果的に定量化され、それによって変動性を減らし、全植物アッセイで一般的に観察される除草剤の取り込みまたは転座の可能性のある交絡効果を取り除く方法を説明しています。
偏交配双子葉植物の雑草、ウォーターヘンプ(Amaranthus tuberculatus)の除草剤代謝速度を分離し、正確に決定するために、除草剤の取り込みを正常化し、除草剤耐性(R)および感受性(S)ウォーターヘンプ集団の寄与因子としての転座を除去するための栄養クローニング戦略と組み合わせた切除葉アッセイを開発しました。 植物中の有機農薬のバイオキネティック解析には、通常、取り込み、転座(標的部位への送達)、代謝運命、および標的部位との相互作用の決定が含まれます。 除草剤の代謝は、除草剤抵抗性雑草や除草剤耐性作物で測定する重要なパラメータであり、通常、放射性標識除草剤を使用した全植物試験で達成されます。 しかし、全植物法に由来するバイオキネティックパラメータの解釈における1つの困難は、極性代謝産物は通常、除草剤の解毒反応後に植物内で移動しないため、転座は除草剤代謝の速度によってしばしば影響を受けることです。この原稿に記載されているプロトコルの利点には、RおよびS集団における除草剤分解速度の再現性、正確、迅速な決定、消費される放射性標識除草剤の量の大幅な減少、さらなる取り扱いと廃棄を必要とする放射性標識植物材料の大幅な減少、および温室の代わりに実験室または成長チャンバーで放射性標識除草剤実験を行う能力が含まれます。 除草剤耐性が世界中の双子葉雑草集団で発生し広がり続けるにつれて、本明細書で開発および記載されている切除葉アッセイ法は、除草剤の代謝および解毒の高められた速度による非標的部位ベースの耐性を調査するための非常に貴重な技術を提供するであろう。
雑草除草剤抵抗性は食料や繊維1,2のグローバル生産に深刻な脅威を提示します。現在、世界中で百以上の雑草種から耐性個体群と生物型の何千もの文書化され、3を検討されています。植物に除草剤耐性を付与する主要なメカニズムは、ターゲットサイトの遺伝子2の除草剤-タンパク質結合動態または増幅に影響を与える遺伝子変異を含む除草剤の標的部位の遺伝子やタンパク質の変化です。シトクロムP450モノオキシゲナーゼ(P450)またはグルタチオン Sトランスフェラーゼ(GST)酵素の上昇活動を介した代謝解毒は、ターゲット・サイトベースのメカニズム2からいくつかの点で異なっているれ、雑草に除草剤耐性を付与する別のメカニズムです。代謝系の抵抗は(フィットネス罰則別名 )植物の適応度コストは除草剤耐性mechanisから生じ得るかどうかに大きな影響を持っていますメートルだけでなく、雑草集団1,2,4におけるクロスまたは複数の除草剤耐性を付与するための単一の解毒メカニズムの可能性について。一般に、植物における除草剤の代謝は、3つの異なるフェーズ5に分割することができます。増加の極性と部分除草剤解毒5,6につながる、またはO-脱アルキル化反応-第I相は、芳香環またはアルキル基のP450媒介ヒドロキシル化、 または Nなどによる除草剤の変換や活性化を含みます。フェーズで新たに導入された官能基私のGSTによって還元型グルタチオンとの結合のための結合部位を提供することができますまたはフェーズII 5,7にUDP依存の糖転移酵素によってグルコースに。例えば、トウモロコシにおけるプリミスルフロンメチルの主要な初期の代謝物は、さらにヒドロキシプリミスルフロングルコシドする(フェーズII)を代謝して、長期保存またはさらなる代謝のための液胞に輸送することができるヒドロキシプリミスルフロンメチル8であり、プロcessing 5,6(フェーズIII)。
Waterhemp( アマランサスのtuberculatus)は、米国で( チョウ目害虫抵抗性ワタ )難コントロールトウモロコシの生産( トウモロコシ)を妨げ、双子葉植物の年間雑草種、大豆( ダイズ )、綿です。 waterhempの遺伝的多様性の高度は、雌雄異株の生物学と長距離風受粉によって促進され、1つの女性waterhemp工場は百万種子9まで生成することができます。これらの種子は、自然に効果的な分散機構をwaterhempを付与する、小型で容易に広がります。 Waterhempは生育期9を通して連続発芽が表示され、その種子は休眠の数年後に発芽することができます。 Waterhempは耕地作付体系10の中で最も広葉雑草よりも高い成長率を有しているC 4植物です。加えて、多数のwaterhemp集団は、複数のFAMに耐性であります除草剤3のilies。
イリノイ州からwaterhemp(MCR指定)の人口は、4-ヒドロキシフェニルピルジオキシゲナーゼ(HPPD)などメソトリオンなど-inhibiting除草剤11、だけでなく、アトラジン及びアセト乳酸合成酵素(ALS)に、除草剤を-inhibitingプリミスルフロンメチルを含むことに耐性があります、非標的サイトベースのメカニズム12,13に起因します。アトラジン耐性が、メソトリオンに敏感であり、プリミスルフロンメチルをに敏感である、WCS 14指定waterhemp人口(によるALS遺伝子の変異に)プリミスルフロンメチル抵抗性があるACR 14指定waterhempの異なる人口、メソトリオン、及びアトラジンは、事前の研究12と現在の実験におけるMCRとの比較に使用した( 表1に要約 )。初期の研究は、MCRに、HPPD遺伝子配列または発現レベル、または減少しメソトリオンの取り込みの変化を検出しませんでしたメソトリオンに敏感な集団12と比較して人口。しかし、植物全体での代謝試験は、11,12メソトリオンするために、前の表現型応答と相関ACRおよびWCS、と比較してMCRの親メソトリオンの除草剤の有意に低いレベルを示しました。
| Waterhemp人口 | 略語 | メソトリオンの表現型 | メソトリオン耐性機構 | プリミスルフロンの表現型 | プリミスルフロン抵抗性機構 |
| マクリーン郡耐性 | MCR | 耐性 | 代謝* | 耐性 | 代謝作用 |
| アダムズ郡耐性 | ACR | Sensitアイブ | - | 耐性 | ALS 14における標的部位の突然変異 |
| ウェイン郡感受性 | WCS | 敏感 | - | 敏感 | - |
*強化代謝以外の非標的部位の耐性機構は、また、MCR集団12メソトリオン耐性を付与することができます。
表1:本研究で用いたイリノイ州からwaterhemp集団の説明。
そのままwaterhemp苗に除草剤の代謝の速度を決定することに加えて、別の実験的なアプローチを切除waterhemp葉アッセイ12だけでなく、様々なP450 阻害剤(例えば、tetcyclacisとマラチオン)を使用して代謝を調査するために私たちのこれまでの研究で開発し、採用しました。この方法は、previからwaterhempのために特別に適応されました切除した葉のアッセイは、まだ双子葉植物に除草剤の代謝研究を行うために報告されていなかったため、切除したトウモロコシにおけるプリミスルフロンメチル代謝のOUの調査は、15を残します。 organophophosate殺虫剤マラチオンはしばしばP450の関与16を示すために 、インビボおよびインビトロ除草剤代謝研究に使用されてきました。例えば、トウモロコシにおける寛容とメソトリオンの急速な代謝がマラチオンがメソトリオン17にトウモロコシの感度を増加させた際に確認されたP450-触媒リングヒドロキシル化、によるものです。同様に、マラチオンは15を残し切除したトウモロコシにALS阻害プリミスルフロンメチルの代謝を阻害しました。切除した葉の技術の主な利点は、生成されたデータは、植物における全身、発芽後除草剤の代謝を評価する際に考慮すべき重要な要因全植物転パターンとは無関係であるということです。したがって、この方法は、定量可能と定性的な代謝は、単一の処理した葉12に注力して分析します。
栄養クローニング戦略は、切除された葉のプロトコルと組み合わせて、以前に代謝試験12を実施する waterhemp利用しました。他殖のwaterhemp(男女別の植物)の性質、および雌雄異株アマランサスの種内の遺伝的多様性の大幅9に、このプロトコルは、遺伝的に同一waterhempの苗は、時間経過実験内で分析されたことを確実にしました。この記事では、双子葉雑草(waterhemp)で除草剤代謝の速度を測定するための切除した葉の方法の有用性を示します。親の除草剤の量は、(吸収された除草剤の50%が分解する時間を推定するために、単純な一次曲線でフィッティングし、非線形最小二乗回帰分析によって、各時点( 図1)で決定し、そして残りましたDT 50)。代表的な逆相高速液体クロマトグラフィー(RP-HPLC)のクロマトグラムは、親の除草剤及び経時試験中の極性代謝物(単数または複数)の同時形成( 図の消失を示すALS耐性および感受性waterhemp集団のために表示されています2)。私たちの記事の焦点は中に均一にリング標識(URL-14 C)除草剤を使用し、説明し、双子葉植物における除草剤の代謝の正確で再現率を決定するための栄養クローニング法との組み合わせで切除された葉のアッセイの有用性を実証することです彼らの全体のプラントHPPD-への対応と、ALS阻害除草剤( 表1)が異なる3 waterhemp集団。
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1.植物材料、成長条件、および栄養クローニング
注意:三waterhemp集団は、本研究で調査した。MCR(アダムス郡、イリノイ州から)、ACR、およびWCS(マクリーン郡、イリノイ州)から( 表1)(ウェイン郡、イリノイ州から)。
2.摘出Waterhemで代謝研究を実施p個の葉
切除した葉における除草剤代謝の3 HPLC分析
注:以下のRP-HPLC条件12を使用して親除草剤や除草剤の代謝物に総抽出放射能を解決します。
4.統計処理

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メソトリオン代謝率の大きな違いは、WCSまたはACRとMCR(図1)のいずれかとの間で検出されました。各時点で、MCRはより迅速に、以前の全植物の表現型応答11と相関する2メソトリオンに敏感な集団、WCSおよびACR、よりメソトリオンを代謝していました。各集団からの単一の親植物から十分な植物をクローニングすることによって、除草剤代謝の経時的分析は、原因で、各時間コース12内の遺伝的多様性の欠如に均一で再現可能です。例えば、クローン株5 12でメソトリオン代謝の時間経過を図1に表示されます。6異なるクローン株の合計を、6つの個別の親植物由来、各集団( 表1)から分析した全体の中央値DTを決定するために、 MCRにそのメソトリオン代謝を示した50値は、大幅に高速化しました( 、ACRまたはWCS 12よりも短く、DT 50値)を有していました。また、切除した葉を持つ我々の以前の研究では...
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本明細書中に記載の切除した葉の方法は、トウモロコシが15を残すにプリミスルフロン代謝の研究で以前に使用されてきたが、我々の結果は、このプロトコルはまた、双子葉雑草種12に除草剤の代謝を測定するための、効果的かつ正確で再現性があることを示しています。全植物の研究と比較して、切除した葉の技術の主な利点は、切除された葉が発芽後の全植物転パターン、全身の除草剤または植物または集団間の除草剤の取り込みの違いとは無関係であることです。切除した葉のアッセイは、温室条件下で成長させた植物全体を研究と比較して、試験管に入れ、単一の葉に、成長チャンバー内で実施されるのでさらに、環境変動が低減されます。栄養クローニング戦略も内の遺伝的分散の大きな度合いを最小限にし、なるようにMCR 12にメソトリオン耐性メカニズムを研究するための私達の方法に含まれていましたトゥイーンアマランサス集団 9。雑草アマランサス集団内の遺伝的多様性は、発芽後除草剤18のいくつかの家族に、全プラントの応答に記載さ変動の量によって示されていま...
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著者らは開示するものは何もない。
私たちは、植物の成長と抽出の支援をしてくださったWendy Zhangさん、Austin Tomさん、Jacquie Janneyさん、Erin Lemleyさん、Brittany Janneyさん、クロマトグラフィー分析の支援をいただいたAnatoli Lygin博士、そして資金提供いただいたSyngenta Crop Protection
に感謝します。アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 寒天 | Sigma-Aldrich | A1296 | 種子の発芽前用 |
| ポッティング メディウム | サン グロ 園芸 | 49040233 | 植物成長用 |
| ニュートリコート | アグリバート | TOTAL BLEND 13-13-13 T100 | 徐放性肥料 |
| 成長チャンバー E15 | 制御環境限定 | 20207 | 植物培養 |
| トリスベース | フィッシャーサイエンティフィック | BP152-500 | 切除葉用バッファー |
| HCl (濃縮) | フィッシャーサイエンティ | A144500 | バッファーのpHを調整します |
| 村重とスクーグ (MS) 塩 | Sigma-Aldrich | M0404 | 切除された葉のインキュベーション |
| メタノール | フィッシャー サイエンティフィック | A452-4 | 葉はインキュベーション後に洗浄されます |
| アセトン | Sigma-Aldrich | 179124 植物抽出 | |
| アセトニトリル (HPLC グレード) | マクロン ファイン ケミカルズ | MKH07610 | HPLC 移動相 |
| ギ酸 | マリンクロット分析 | MK259205 | 移動相pHを酸性化する |
| マイクロ遠心分離機 | エッペンドルフ | 5417R | 1.5または2.0mlチューブ |
| 遠心分離機(温度制御) | エッペンドルフ | 5810R | 15または50mlチューブ |
| ポリプロピレン遠心分離チューブ | コーニング株式会社 | 430790 | 15 ml、滅菌 |
| ロータリーエバポレーターB | ÜCHI | R200 | 濃縮植物サンプル |
| 液体シンチレーション分光法(LSS) | Packard Instruments | 104470 | 定量化 14C |
| 高速液体クロマトグラフィー | パーキン・エルマー | 除 | 草剤代謝物N2910401分解 |
| フローシンチレーションアナライザー | 14C | ||
| Hypersil Gold C18 | サーモサイエンティフィック | 03-050-522 | 逆位相 |
| Ultima-Flo M カクテル | Perkin Elmer | 6013579 | フローシンチレーションアナライザー |
| シンチレーションカクテル (ScintiVerse BD) | Fisher Scientific | SX18 | for LSS; 生分解性 |
| ラボ用ホモジナイザー | キネマティカ | CH-6010 | 葉のサンプルを均質化 |
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