Mätning priser av herbicid Metabolism i Dicot Ogräs med en utskuren Leaf analys

Herbicidresistens hos ogräs utgör ett allvarligt hot mot den globala produktionen av livsmedel och fiber ^1,2. För närvarande tusentals av resistenta populationer och naturtyper från över hundra ogräsarter i världen har dokumenterats och studerat ^3. En viktig mekanism som förlänar herbicidresistens i växter är förändringen av ogräsmedel mål-site gener och proteiner, inklusive genetiska mutationer som påverkar herbicid-proteinbindnings kinetik eller amplifiering av mål-site-gen ^2. Metabolisk avgiftning via förhöjda verksamhet cytokrom P450 monooxygenas (P450) eller glutation S -transferase (GST) enzymer är en annan mekanism som ger herbicidresistens hos ogräs, vilket skiljer sig på flera sätt från målet plats baserade mekanismer ^2. Metabolic baserade motstånd har betydande konsekvenser för om växt fitness kostnader (aka fitness påföljder) kan resultera från herbicidresistens mechanism, samt om risken för en enda avgiftning mekanism för att ge kors- eller flera herbicidresistens i ogräspopulationer ^1,2,4. Generellt kan ogräsmedel metabolism i växter delas in i tre olika faser ^5. Fas I omfattar ogräsmedel konvertering eller aktivering såsom P450-medierad hydroxylering av aromatiska ringar eller alkylgrupper, eller genom N – eller O-dealkyleringsreaktioner, vilket leder till ökad polaritet och partiell ogräsmedel avgiftning ^5,6. Nyinförda funktionella grupper i fas I kan ge länk platser för konjugering till reducerat glutation med GSTs eller glukos från UDP-beroende glykosyltransferaser i fas II ^5,7. Till exempel är den stora initiala metaboliten av primisulfuron-metyl i majs ^{hydroxy-primisulfuron-metyl-8,} som kan metaboliseras vidare till hydroxi-primisulfuron-glukosid (fas II) och sedan transporteras till vakuolen för långsiktig lagring eller ytterligare metabolisk probearbetning ^5,6 (fas III).

Waterhemp (Amaranthus tuberculatus) är en svår kontroll, dikotyledona årliga ogräsarter som hindrar produktionen av majs (Zea mays), sojaböna (Glycine max), och bomull (Gossypium hirsutum) i USA. Den höga graden av genetisk mångfald waterhemp underlättas av dess tvåbyggare biologi och långväga vind pollinering, och en enda kvinnlig waterhemp planta kan producera upp till en miljon frön ^9. Dessa frön är små och lätt sprids, vilket naturligtvis förse waterhemp med en effektiv spridning mekanism. Waterhemp visar kontinuerlig groning under hela växtsäsongen ^9, och dess frön kan gro efter flera år av dvala. Waterhemp är _en C4-växt som har en högre tillväxttakt än de flesta bredbladiga ogräs i jordbruks odlingssystem ^10. Dessutom, många waterhemp populationer är resistenta mot flera famjer av ogräsmedel ^3.

En population av waterhemp (betecknad MCR) från Illinois är resistent mot 4-hydroxi-fenylpyruvat dioxygenas (HPPD) -inhibiting herbicider ^11, såsom mesotrion, liksom till atrazin och acetolaktatsyntas (ALS) -inhibiting herbicider, inklusive primisulfuron-metyl , på grund av icke-mål-site baserade mekanismer ^12,13. En annan population av waterhemp betecknad ACR ^14, som är primisulfuron-metyl-resistenta (till följd av en mutation i ALS-genen) och atrazin resistent men känsliga för mesotrion och en waterhemp population betecknad WCS ¹⁴ som är känslig för primisulfuron-metyl, mesotrion, och atrazin användes i jämförelse med MCR i vår tidigare forskning ¹² och aktuella experiment (sammanfattade i Tabell 1). Initiala studier inte upptäcka förändringar i HPPD gen sekvens eller uttrycksnivåer, eller minskad mesotrion upptag i MCRbefolkning jämfört med Mesotrion känsliga populationer ^12. Men metabolismstudier med hela växter uppvisade signifikant lägre nivåer av moder mesotrion ogräsmedel i MCR jämfört med ACR och WCS, som korrelerade med tidigare fenotypiska svar på mesotrion ^11,12.

* Icke-mål-site resistensmekanismer, andra än förbättrad metabolism, kan också ge mesotrion motstånd i MCR befolkningen ^12.

Tabell 1: Beskrivning av waterhemp populationer från Illinois användes i denna studie.

Förutom att bestämma andelen ogräsmedel metabolism i intakta waterhemp plantor, var en annan experimentell metod som utvecklats och används i vår tidigare forskning för att undersöka metabolism genom att använda en utskuren waterhemp bladanalys ¹² samt olika P450-hämmare (t.ex. tetcyclacis och malation). Denna metod anpassades specifikt för waterhemp från en PREVígående undersökning av primisulfuron-metyl metabolism i utskurna majs blad ^15, eftersom den utskurna blad analysen ännu inte hade rapporterats för att bedriva ogräsmedel metabolism, forskning i en dicot anläggning. Den organophophosate insektsmalation har använts flitigt för in vivo och in vitro ogräsmedel-metabolism forskning för att indikera P450 engagemang ^16. Till exempel, tolerans och snabb metabolism av mesotrion i majs beror på P450-katalyserade ring hydroxylering, som kontrollerades när malation ökad känslighet majs till mesotrion ^17. På samma sätt, malation hämmade metabolismen av ALS-hämmare primisulfuron-metyl i utskurna majs blad ^15. En stor fördel med den utskurna blad tekniken är att data som genereras är oberoende av hela växtslokamönster, en viktig faktor beakta vid bedömningen metabolism av system, efter uppkomsten herbicider i växter. Detta gör det möjligt metod kvantitativ ochkvalitativa metaboliska analyser att fokusera på en enda behandlat blad ^12.

En vegetativ kloningsstrategin, i kombination med den utskurna blad protokollet, tidigare användes i waterhemp att genomföra metabolismstudier ^12. På grund av korsnings karaktär waterhemp (separata manliga och kvinnliga växter), och hög grad av genetisk mångfald inom dioika Amaranthus arter ^9, säker detta protokoll som genetiskt identiska waterhemp plantor analyserades inom tidsförloppet experiment. Denna artikel visar användbarheten av den utskurna blad metod för att mäta hastigheter av herbicid metabolism i tvåhjärtbladig ogräs (waterhemp). Återstående Mängden moder herbicid bestämdes vid varje tidpunkt (figur 1) genom icke-linjär minsta kvadratregressionsanalys, och passar med en enkel första ordningens kurva för att uppskatta hur lång tid för 50% av absorberad ogräsmedel att bryta ned ( DT _50). Representativakromatogrammen från omvänd fas högupplösande vätskekromatografi (RP-HPLC) visas för ALS-resistenta och -känsliga waterhemp populationer, som visar försvinnandet av moder ogräsmedel och åtföljande bildning av polära metabolit (er) under en tidsförloppsstudie (Figur 2). Fokus för vår artikel är att beskriva och demonstrera användbarheten av utskurna blad analys i kombination med ett vegetativt kloningsmetod för att bestämma exakta och reproducerbara hastigheter av ogräsmedel metabolism i dikotyledona växter, med hjälp av likformigt ringmärkt (URL- ¹⁴ C) herbicider i tre waterhemp populationer som skiljer sig i deras hel-växtsvar att HPPD- och ALS-inhiberande herbicider (tabell 1).