Identification of a Novel 2,4-D Metabolic Detoxification Pathway in 2,4-D-Resistant Waterhemp (Amaranthus tuberculatus)

代谢物 生物 代谢途径 生物化学 细胞色素P450 羟基化 新陈代谢 戒毒(替代医学) 人口 立体化学 化学 替代医学 人口学 社会学 病理 医学
作者
Marcelo Rodrigues Alves de Figueiredo,Hamlin Barnes,Claudia M. Boot,Ana Beatriz T. B. de Figueiredo,Scott J. Nissen,Franck E. Dayan,Todd A. Gaines
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:70 (49): 15380-15389 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.2c05908
摘要

A 2,4-dichlorophenoxyactic acid (2,4-D)-resistant population of Amaranthus tuberculatus (common waterhemp) from Nebraska, USA, was previously found to have rapid metabolic detoxification of the synthetic auxin herbicide 2,4-D. We purified the main 2,4-D metabolites from resistant and susceptible plants, solved their structures by nuclear magnetic resonance (NMR) and high-resolution mass spectrometry (HRMS), and synthesized the metabolites to determine their in planta toxicity. Susceptible plants conjugated 2,4-D to aspartate to form 2,4-D-aspartic acid (2,4-D-Asp), while resistant plants had a unique metabolic profile where 2,4-D was hydroxylated into 5-OH-2,4-D, followed by conjugation into a sugar metabolite (2,4-D-5-O-d-glucopyranoside) and subsequent malonylation into 2,4-D-(6'-O-malonyl)-5-O-d-glucopyranoside. Toxicological studies on waterhemp and Arabidopsis thaliana confirmed that the hydroxylated metabolite lost its auxinic action and toxicity. In contrast, the 2,4-D-Asp metabolite found in susceptible plants retained some auxinic action and toxicity. These results demonstrate that 2,4-D-resistant A. tuberculatus evolved novel detoxification reactions not present in susceptible plants to rapidly metabolize 2,4-D, potentially mediated by cytochrome P450 enzymes that perform the initial 5-hydroxylation reaction. This novel mechanism is more efficient to detoxify 2,4-D and produces metabolites with lower toxicity compared to the aspartic acid conjugation found in susceptible waterhemp.

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