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    草甘膦（glyphosate）年產量超70萬噸，是全球應用最廣、產量最大的除草劑。草甘膦濫用產生的雜草耐藥性以及對生態環境和對人類健康的潛在威脅，受到人們的極大關注……

    5月29日，湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室郭瑞庭教授團隊在《危險物質雜志》（Journal of Hazardous Materials）發表了最新研究論文，首次解析了芒稗（一種惡性的稻田雜草）來源的醛酮還原酶AKR4C16和AKR4C17催化草甘膦降解的反應機制，并通過分子改造大幅提升了AKR4C17對草甘膦的降解效率。

    日益嚴重的草甘膦耐藥性

    草甘膦自20世紀70年代問世以來，風靡全球，逐漸成為最廉價、應用最廣、產量最大的廣譜除草劑。它通過特異性抑制植物生長代謝過程中關鍵的5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶（5-enolpyruvylshikimate-3-phosphatesynthase，EPSPS），從而引起包括雜草在內的植物代謝紊亂和死亡。

    因此，培育抗草甘膦的轉基因作物并搭配草甘膦的田間使用，是現代農業中控制雜草的一種重要方式。

    然而，隨著草甘膦的廣為使用及濫用，數十種雜草逐漸進化并產生了較高的草甘膦耐受性。

    另外，抗草甘膦的轉基因作物并不能夠分解草甘膦，導致草甘膦會在作物內積累和轉運，易通過食物鏈傳播危害人類健康。

    因此，亟需挖掘可以降解草甘膦的基因，以培育低草甘膦殘留的高抗草甘膦轉基因作物。

    解析植物來源草甘膦降解酶的晶體結構與催化反應機制

    2019年，中國和澳大利亞的研究團隊首次從抗草甘膦的芒稗中，鑒定出2個降解草甘膦的醛酮還原酶AKR4C16和AKR4C17。它們可利用NADP+作為輔因子，將草甘膦降解為無毒的氨甲基膦酸和乙醛酸。

    AKR4C16和AKR4C17是首次報道的植物自然進化產生的草甘膦降解酶，為了深入探究其降解草甘膦的分子機制，郭瑞庭團隊通過X射線晶體衍射技術，分別解析了這兩種酶與輔因子高分辨率的復合體結構，揭示了草甘膦、NADP+與AKR4C17三元復合體的結合模式，提出了AKR4C16和AKR4C17介導草甘膦降解的催化反應機制。

    分子改造提升對草甘膦的降解效率

    在獲得了AKR4C17/NADP+/草甘膦的精細三維結構模型后，郭瑞庭教授團隊進一步通過酶結構分析與理性設計，成功獲得了一個對草甘膦降解效率大幅提升70%的突變體蛋白AKR4C17F291D。

    “我們的工作揭示了AKR4C16和AKR4C17催化草甘膦降解的分子機制，為進一步改造AKR4C16和AKR4C17，以提高其對草甘膦的降解效率奠定了重要的基礎�！闭撐耐ㄓ嵶髡�、湖北大學副教授戴隆海說，他們構建了草甘膦降解效率提升的突變體蛋白AKR4C17F291D，為培育低草甘膦殘留的高抗草甘膦轉基因作物，以及利用微生物工程菌降解環境中的草甘膦，提供了重要的參考。

    據悉，郭瑞庭團隊長期從事環境中有毒有害物質的生物降解酶、萜類合成酶、藥物靶點蛋白的結構解析與機理探討的研究。團隊中的李豪、楊鈺副研究員和胡玉梅講師為論文共同第一作者，郭瑞庭和戴隆海為共同通訊作者。