Remming van de groei van de Aspergillus flavus en aflatoxine productie in transgene maïs uiten van de α-amylase Inhibitor van Lablab purpureus L.

Mycotoxine besmetting door de schimmel geslachten, Aspergillus, Fusariumen Penicillium, Alternaria is een groot probleem van voedsel en diervoeders geteelde gewassen wereldwijd^1,2,3. Onder deze plantpathogene schimmels heeft Aspergillus het hoogste nadelige effect op de waarde van het gewas en de gezondheid van mens en dier. Aspergillus flavus (A. flavus) is een opportunistische plant pathogenen die olie rijk gewassen zoals maïs-, katoenzaad- en pinda infecteert en produceert de potente kankerverwekkende stoffen, aflatoxinen, evenals talrijke giftige secundaire metabolieten (SMs). Maïs is een belangrijk voedsel en diervoeders gewas geteeld wereldwijd en is zeer gevoelig voor besmetting door A. flavus. De economische impact van de aflatoxineverontreiniging op verliest en lagere waarde in maïs kunnen maar liefst $686.6 miljoen per jaar in de VS² met voorspelde veranderingen in het wereldklimaat, de impact van aflatoxinen kan leiden tot grotere economische verliezen in maïs met schatting zo hoog als $1,68 miljard per jaar in de nabije toekomst². Gezien de negatieve effecten van de economische en de gezondheid van aflatoxinen in mens en vee, misschien controle van de wachttermijnen tot de oogst aflatoxine in maïs wel de meest efficiënte manier ter voorkoming van verontreiniging met aflatoxinen in levensmiddelen en diervoeders.

De aanpak van de grote wachttermijnen tot de oogst controle voor aflatoxine resistentie in maïs die uitgebreid in de afgelopen decennia is gebruikt is voornamelijk door het kweken, waarvoor een aanzienlijke hoeveelheid tijd⁴. Biocontrol had onlangs, heeft enig succes in vermindering van aflatoxine in grote schaal veld toepassingen^5,6. Naast biocontrol heeft toepassing van geavanceerde moleculaire tools zoals ‘Host geïnduceerde Gene Silencing’ (HIGS) door middel van RNAi en transgene expressie van weerstand-geassocieerde eiwitten enig succes in vermindering van A. flavus groei en aflatoxine productie in kleine schaal laboratorium en veld studies. Deze benaderingen zijn momenteel naast het identificeren van nieuwe A. flavus gene doelwit voor toekomstige manipulatie wordt geoptimaliseerd.

Naast genen die rechtstreeks bij mycotoxine productie als doelwit van transgene bestrijdingsstrategieën betrokken zijn, is schimmel amylasen aangetoond dat ze spelen een cruciale rol bij het handhaven van succesvolle pathogenese en mycotoxine productie tijdens de vroege stadia van host plant infectie. Een paar voorbeelden zijn Pythium pleroticum (causale agent van gember rizoom rot), Fusarium solani (causale agent van bloemkool verwelken), waar positieve correlaties tussen pathogeniteit en α-amylase expressie en activiteit werden waargenomen ^7,8. Remming van de activiteit van de α-amylase gen knock-out of vechtpartij benaderingen beïnvloedt negatief schimmel groei en toxine productie. Een α-amylase knockout mutant van A. flavus kon produceren van aflatoxinen als volwassen op zetmeel substraat of degermed maïs kernels⁹. Evenzo, Fusarium verticillioides een α-amylase knockout stam niet produceren fumonisine B₁ (mycotoxine) tijdens de infectie van maïs kernels¹⁰. In een meer recente studie, Gilbert et al. (2018) aangetoond dat een RNAi gebaseerde knock down van A. flavus α-amylase meningsuiting via HIGS aanzienlijk verminderd A. flavus groei en aflatoxine productie tijdens maïs kernel infectie¹¹ .

Specifieke remmers van α-amylase activiteit hebben ook soortgelijke resultaten opgeleverd, zoals down-regulatie van α-amylase expressie verkregen. Het eerste verslag over de rol van een α-amylase-remmer in schimmel weerstand kwam uit de isolatie en de karakterisering van een 14-kDa trypsine-α-amylase-remmer van maïs resistent tegen A. flavus¹²lijnen. Verder screening van honderden plantensoorten door Fakhoury en Woloshuk leidde tot de identificatie van een 36-kDa α-amylase Inhibitor van de omwenteling-achtige eiwitten (AILP) uit de zaden van de hyacint bonen, Lablab purpureus L.¹³. De volgorde van de peptide van de AILP leek op lectines behorend tot de familie van de lectine-arcelin-α-amylase-remmer gemeld gemeen bean^14,15. Gezuiverde AILP doet niet elke inhiberende activiteit naar zoogdieren trypsine en verder in vitro karakterisering toonde significante remming van de groei van A. flavus en conidial kiemkracht¹³vertonen. De verslagen hier duidelijk toont α-amylase kan dienen als een doel in controle benaderingen te beperken van pathogenen of plagen die afhankelijk zijn van zetmeel mobilisatie (via α-amylase activiteit) en verwerving van oplosbare suikers als energiebron tijdens hun pathogene interactie met waardplanten.

Alpha-amylase is bekend om zijn kritische in A. flavus pathogeniteit^9,10,11, en gezien het belang van AILP als een krachtige anti-A. flavus agent (α-amylase remming/antigrowth)¹³, We genereerden transgene maïs planten uitdrukken Lablab AILP gen onder de constitutieve CaMV 35S promotor. Het doel was om te onderzoeken als heterologe expressie van deze α-amylase-remmer in maïs effectief tegen A. flavus pathogenese en aflatoxine productie tijdens maïs kernel infectie is. Onze resultaten tonen aan dat transgene maïs kernels uiting van AILP aanzienlijk verminderd A. flavus groei en aflatoxine productie tijdens kernel infectie.