四氢叶酸依赖型麦草畏脱甲基酶特性、结构和功能及其应用于抗除草剂转基因工程的可行性研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31570105
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0106.微生物与环境互作
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

The herbicide dicamba is a widely used benzoic acid herbicide. Due to its low toxicity and residue, broad-spectrum and high efficiency, and rare occurrence of weed resistance, dicamba has been regarded as an ideal target of herbicide-resistant genetic engineering. Recently, the biotech giant Monsanto Company has successfully developed genetically modified (GM) dicamba-resistant crops by transferring a microbial-derived dicamba monooxygenase gene (DMO), and planned to put them into commercial application in 2015. Once this GM plants are planted on a large scale, the usage of dicamba would be increased dramatically. However, the microbial degradation process and mechanism, environmental behavior, toxicological and ecological security of dicamba has not been deeply elucidated. Furthermore, our country is lack of herbicide resistant or degradation gene resource with independent intellectual property right, which restricted the development of agricultural biotechnology in China. In our previous research, a dicamba-degrading strain Sphingomonas sp. Ndbn-20 was isolated, it initiated the degradation of dicamba by demethylation via a novel tetrahydrofolic acid (THF)-dependent demethylase to generate herbicidal inactive product 3,6-dichlorosalicylic acid, two dicamba demethlase gene clusters dmt50 and dmt66 were found in the genome of the strain. The target of this program is to study the function and regulation of the two dicamba demethylase gene clusters, the enzymatic characteristics, structure and function of the two dicamba demethylases, the functional verification of the genes involved in THF metabolism in the two demethylase gene clusters, optimization of the dicamba demethylase gene sequences and evaluation of their application potential in genetic engineering of herbicide-resistant crops. The results of this program will elucidate the mechanism of THF-dependent demethylation of dicamba in Sphingomonas sp. Ndbn-20, promote the study on the environmental behavior and ecological safety of dicamba, and provide gene resources for the genetic engineering of herbicide-resistant crops.
麦草畏具有广谱高效、低毒和杂草抗性产生慢等优点,是理想的抗除草剂转基因靶标除草剂。孟山都利用微生物来源的麦草畏脱甲基酶基因DMO构建了抗麦草畏作物,即将商业化,这将大大推动麦草畏的应用。但目前对麦草畏微生物降解机制、环境行为和生态安全的研究不够深入。此外,我国缺乏自主产权的除草剂抗性/降解基因资源,制约了我国农业生物技术发展。申请人已分离到麦草畏降解菌Sphingomonas sp. Ndbn-20,发现该菌通过一个新的四氢叶酸依赖型脱甲基酶催化麦草畏脱甲基,且有两个麦草畏脱甲基基因簇dmt50和dmt66。本项目研究这两个脱甲基基因簇组成和功能,脱甲基酶Dmt50和Dmt66特性、结构和催化机制,针对植物密码子偏好的脱甲基酶基因优化及应用于植物转基因可行性。研究结果将揭示一个新的依赖四氢叶酸的麦草畏脱甲基分子机制,为麦草畏环境行为和生态安全研究提供理论依据,为抗除草剂转基因提供基因资源。

结项摘要

麦草畏是一种甲氧基取代苯甲酸类除草剂,具有广谱、高效、低毒、廉价和杂草抗性产生慢等优点。生物技术巨头孟山都利用微生物来源的麦草畏脱甲基酶基因DMO构建了抗麦草畏转基因作物,已成功规模化应用。课题组前期分离到麦草畏降解菌Sphingomonas sp. Ndbn-20,发现该菌通过一个新的机制即四氢叶酸依赖型脱甲基酶催化麦草畏脱甲基。本项目拟研究麦草畏脱甲基基因簇转录调控,脱甲基酶特性、功能和结构,以及脱甲基酶基因应用于植物转基因工程可行性和策略。结果表明基因簇dmt50在菌株中不表达,而基因簇dmt66为组成性表达。基因簇dmt66包含4个基因:脱甲基酶基因(dmt)和3个与四氢叶酸代谢相关的基因:mthfr、mthc和dhc。研究了Dmt50和Dmt66的酶学特性,发现Dmt50和Dmt66的催化活力受到产物5-methyl-THF的严重抑制。解析了Dmt50以及Dmt50-5-methyl-THF复合体三维结构,使用分子对接研究麦草畏结合位点,并进一步推测了Dmt50脱甲基催化机理。Dmt50包含三个结构域,形成与叶酸结合相关的中央空腔。对比Dmt50结构单体与与Dmt50-5-methyl-THF复合体结构发现,在催化过程中Dmt50会发生构象变化。在脱甲基过程中,THF的结合使Dmt50构象发生变化,将麦草畏锁在活性中心。Tyr253和His69与麦草畏的氧原子形成氢键,使其质子化,THF中N5上的孤对电子对麦草畏中的甲基进行亲核攻击,完成甲基转移反应,形成DCSA和5-methyl-THF。利用定向进化技术获得Dmt50的一个突变体,对麦草畏脱甲基催化活力提高了25.4%。将针对植物表达优化后dmt50和dmt66基因导入模式植物拟南芥和作物玉米中,并分别使植物表达的Dmt50定位在细胞质和叶绿体中。结果表明: dmt50和dmt66基因均可以赋予拟南芥和玉米麦草畏除草剂抗性;而且Dmt50和Dmt66定位于叶绿体中表达可以增强植物对麦草畏除草剂的抗性。本项目从生理、生化和遗传角度揭示Sphingomonas sp. Ndbn-20的麦草畏脱甲基机制,促进对四氢叶酸依赖型脱甲基酶的深入了解,为抗除草剂转基因工程研究提供理论依据和基因资源。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(7)
Pendimethalin Nitroreductase Is Responsible for the Initial Pendimethalin Degradation Step in Bacillus subtilis Y3
二甲戊灵硝基还原酶负责枯草芽孢杆菌 Y3 中二甲戊灵的初始降解步骤
  • DOI:
    10.1128/aem.01771-16
  • 发表时间:
    2016-12-01
  • 期刊:
    APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Ni, Hai-yan;Wang, Fei;Hong, Qing
  • 通讯作者:
    Hong, Qing
A Tetrahydrofolate-Dependent Methyltransferase Catalyzing the Demethylation of Dicamba in Sphingomonas sp. Strain Ndbn-20
四氢叶酸依赖性甲基转移酶催化鞘氨醇单胞菌中麦草畏的去甲基化。
  • DOI:
    10.1128/aem.01201-16
  • 发表时间:
    2016-07
  • 期刊:
    Applied and Environmental Microbiology
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Li Yao;Lin-Lu Yu;Jun-Jie Zhang;Xiang-Ting Xie;Qing Tao;Xin Yan;Qing Hong;Ji-Guo Qiu;Jian He;De-Rong Ding
  • 通讯作者:
    De-Rong Ding
3,6-Dichlorosalicylate Catabolism Is Initiated by the DsmABC Cytochrome P450 Monooxygenase System in Rhizorhabdus dicambivorans Ndbn-20
3,6-二氯水杨酸分解代谢是由 DsmABC 细胞色素 P450 单加氧酶系统在根瘤菌 Ndbn-20 中启动的
  • DOI:
    10.1128/aem.02133-17
  • 发表时间:
    2017-12
  • 期刊:
    Applied and Environmental Microbiology
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Na Li;Li Yao;Qin He;Jiguo Qiu;Dan Cheng;Derong Ding;Qing Tao;Jian He;Ji;ong Jiang
  • 通讯作者:
    ong Jiang
A novel amidohydrolase (DmhA) from Sphingomonas sp that can hydrolyze the organophosphorus pesticide dimethoate to dimethoate carboxylic acid and methylamine
来自鞘氨醇单胞菌的新型酰胺水解酶 (DmhA)。
  • DOI:
    10.1007/s10529-015-2027-6
  • 发表时间:
    2016-04-01
  • 期刊:
    BIOTECHNOLOGY LETTERS
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Chen, Qing;Chen, Kai;He, Jian
  • 通讯作者:
    He, Jian
The Properties of 5-Methyltetrahydrofolate Dehydrogenase (MetF1) and Its Role in the Tetrahydrofolate-Dependent Dicamba Demethylation System in Rhizorhabdus dicambivorans Ndbn-20
5-甲基四氢叶酸脱氢酶 (MetF1) 的特性及其在二氢叶酸依赖性麦草畏去甲基化系统中的作用 Rhizorhabdus dicambivorans Ndbn-20
  • DOI:
    10.1128/jb.00096-19
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Bacteriology
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Yao Shigang;Chen Le;Yang Zhou;Yao Li;Zhu Jianchun;Qiu Jiguo;Wang Guoxiang;He Jian
  • 通讯作者:
    He Jian

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其他文献

基于随机森林算法的AVO类型判别
  • DOI:
    10.11935/j.issn.1673-1506.2020.05.009
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    张晓琦
端粒和端粒酶与肿瘤干细胞的研究现状
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 通讯作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
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    张志雄
水文水力学结合的秦淮河流域洪水模拟与实时校正研究
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  • 发表时间:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    汪昊燃;王容;黄鹏年;何健;姚成
  • 通讯作者:
    姚成

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氯乙酰胺除草剂还原脱卤降解途径的分子机制
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
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          I --> J[结果解释与科学验证]
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          K --> L[研究结束]
      
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