Måling Utbredelsen av ugressmiddel Metabolism i dicot Weeds med et utskåret Leaf analysen

Herbicidresistens i ugress presenterer en alvorlig trussel mot den globale produksjonen av mat og fiber ^1,2. Foreløpig tusenvis av resistente populasjoner og biotypes fra over hundre plantearter over hele verden har blitt dokumentert og studert ^tre. En viktig mekanisme som overfører herbicidresistens i planter er endring av herbicid target-site gener og proteiner, inkludert genetiske mutasjoner som påvirker ugressmiddel-proteinbindingskinetikken eller amplifikasjon av target-området ^gen 2. Metabolsk avgiftning via forhøyede aktiviteter av cytokrom P450 monooksygenase (P450) eller glutation S -transferase (GST) enzymer er en annen mekanisme som overfører herbicidresistens i ugress, som er forskjellig på flere måter fra target-site-baserte mekanismer ^2. Metabolsk basert motstand har betydelige konsekvenser for hvorvidt anlegget fitness kostnader (aka fitness straffer) kan resultere fra ugressmiddel-motstands mechanism, så vel som med hensyn til muligheten for en enkelt avgiftning mekanisme til å meddele tverr- eller flere herbicid resistens i plantepopulasjoner ^1,2,4. Vanligvis kan herbicid metabolisme hos planter deles i tre distinkte faser ^5. Fase I innebærer omdannelse herbicid eller aktivering, slik som P450 hydroksylering av aromatiske ringer eller alkylgrupper, eller med N – eller O- dealkyleringsreaksjoner, som fører til øket polaritet og delvis herbicid avgiftning ^5,6. Nylig innført funksjonelle grupper i fase kan jeg gi ledd nettsteder for konjugering til redusert glutation ved GST eller til glukose av UDP-avhengige glycosyltransferases i fase II ^5,7. For eksempel er den store første metabolitt av primisulfuron-methyl i mais hydroksy-primisulfuron-methyl ^8, som kan videre metaboliseres til hydroksy-primisulfuron-glukosid (fase II), og deretter transportert til vakuolen for langtidslagring eller videre metabolsk proling ^5,6 (fase III).

Waterhemp (Amaranthus tuberculatus) er en vanskelig å kontroll, dicot årlige plantearter som hindrer produksjonen av mais (Zea mays), soyabønner (Glycine max), og bomull (Gossypium hirsutum) i USA. Den høye graden av genetisk mangfold av waterhemp er tilrettelagt av sin dioecious biologi og langdistanse vind pollinering, og en enkelt kvinne waterhemp plante kan produsere opp til en million frø ^9. Disse frøene er liten og lett spre seg, som naturligvis gi gave waterhemp med en effektiv spredning mekanisme. Waterhemp viser kontinuerlig spiring gjennom hele vekstsesongen ^9, og dens frø er i stand til å spire etter flere år med dvalen. Waterhemp er en C ₄ plante som besitter en høyere vekst enn de fleste bredbladet ugress i dyrkbar beskjæring ^systemer 10. I tillegg en rekke waterhemp bestander er resistente mot flere famlige fundament av ugressmidler ^3.

En populasjon av waterhemp (betegnet MCR) fra Illinois er resistent overfor 4-hydroksy-fenylpyruvat dioksygenase (HPPD) hemmende herbicider ^11, slik som mesotrion, så vel som til atrazin og acetolaktat-syntase (ALS) hemmende herbicider, inkludert primisulfuron-methyl På grunn av non-target-språk baserte mekanismer ^12,13. En annen populasjon av waterhemp betegnet ACR ^14, som er primisulfuron-methyl-resistente (på grunn av en mutasjon i ALS-genet) og atrazin-motstandsdyktig, men følsomme for mesotrion, og en waterhemp populasjon betegnet WCS ¹⁴ som er følsom for primisulfuron-methyl, mesotrion, og atrazine ble anvendt i forhold til MCR på vår tidligere forskning ¹² og aktuelle eksperimenter (oppsummert i tabell 1). Innledende studier ikke oppdage endringer i HPPD gensekvens eller uttrykk nivåer, eller redusert mesotrion opptak, i MCRbefolkningen sammenlignet med mesotrion-sensitive populasjoner ^12. Men metabolismestudier med hele planter viste signifikant lavere nivåer av foreldre mesotrion ugressmiddel i MCR sammenlignet med ACR og WCS, som korrelert med tidligere fenotypiske responser til mesotrion ^11,12.

* Ikke-target-språk resistensmekanismer, annet enn økt metabolisme, kan også gi mesotrion motstand i MCR befolkningen ^12.

Tabell 1: Beskrivelse av waterhemp populasjoner fra Illinois brukt i denne studien.

I tillegg til å bestemme priser av ugressmiddel metabolisme i intakte waterhemp frøplanter, ble en annen eksperimentell tilnærming utviklet og anvendt i vår tidligere forskning for å undersøke stoffskifte ved hjelp av en spaltet waterhemp blad analysen ¹² samt ulike P450-hemmere (f.eks tetcyclacis og malathion). Denne metoden ble tilpasset spesielt for waterhemp fra en PreviOUS etterforskning av primisulfuron-metyl metabolisme i skåret mais blader ^15, siden utskåret blad analysen ennå ikke hadde blitt rapportert for å gjennomføre ugressmiddel metabolisme forskning i et dicot plante. Den organophophosate insektmiddel malathion har vært hyppig brukt for in vivo og in vitro ugressmiddel-metabolisme forskning for å indikere P450 involvering ^16. For eksempel, toleranse og hurtig metabolisme av mesotrion i mais skyldes P450-katalysert ring hydroksylering, som ble bekreftet ved malathion øket følsomhet for mais mesotrion ^17. Tilsvarende, malathion hemmet metabolisme av ALS inhibitor primisulfuron-methyl utskåret i mais blader ^15. En stor fordel med den utskårede blad teknikken er at data som er generert er uavhengige av hel-anlegget trans mønstre, for å vurdere en viktig faktor når man vurderer metabolismen av systemiske herbicider, postemergence i planter. Derfor tillater denne metoden kvantitative ogkvalitativ metabolsk analyser for å fokusere på en enkelt behandlet blad ^12.

En vegetative kloning strategi, i kombinasjon med utskåret blad protokollen, ble tidligere benyttet i waterhemp å gjennomføre metabolismestudier ^12. På grunn av den outcrossing natur waterhemp (separate mannlige og kvinnelige planter), og stor grad av genetisk mangfold innenfor dioecious Amaranthus arter ^9, denne protokollen sørget for at genetisk identiske waterhemp frøplanter ble analysert innenfor tidskurs eksperimenter. Denne artikkelen viser nytten av det utskårede blad metode for å måle forekomst av herbicid metabolisme i en tofrøbladet ugress (waterhemp). Mengden av basis herbicid gjenværende ble bestemt på hvert tidspunkt (figur 1) ved ikke-lineær minste kvadraters regresjonsanalyse, og er i form med en enkelt første-ordens kurve for å beregne tiden for 50% av absorbert herbicid å degradere ( DT _50). RepresentantKromatogrammene fra reversfase-væskekromatografi med høy yteevne (RP-HPLC) vises for ALS-resistente og -sensitive waterhemp populasjoner, som viser forsvinningen av moder herbicid og samtidig dannelse av polar metabolitt (er) i løpet av en tidsstudium (figur 2). Fokus for vår artikkelen er å beskrive og demonstrere nytten av utskåret blad analyse i kombinasjon med en vegetativ klonings fremgangsmåte for å bestemme nøyaktige og reproduserbare forekomst av herbicid metabolisme i tofrøbladet planter, ved hjelp av jevnt ring-merkede (URL- ¹⁴ C) i herbicider tre waterhemp populasjoner som varierer i deres hel-anlegget svar på HPPD- og ALS-hemmer ugressmidler (tabell 1).