Structure-Based Directed Evolution of Rice 4-Hydroxyphenylpyruvate Dioxygenase Confers Enhanced Herbicide Tolerance

双加氧酶 化学 生物 生物化学 基因
作者
Jin Dong,Jiangqing Dong,Xinlong Wang,Xue-Fang Wei,Guang‐Fu Yang,Hong‐Yan Lin
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c06678
摘要

Precise gene modification is pivotal in molecular breeding. 4-Hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD) plays a crucial role in the development of herbicide-resistant crops. But how to modify HPPD and thereby confer herbicide resistance in plants remains unclear. This research delineates the structure of Oryza sativa HPPD (OsHPPD) complexed with Methyl-Benquitrione (MBQ) and identifies potential residues that confer herbicide resistance. Enzymatic tests of the C-terminal α9 helix variants showed that K418D, E423Q, E423M, E423S, E423T, E423L, E423W, E432I, E432M, E432W, and E432F demonstrated preserved catalytic efficiency. The herbicide resistance test displayed that K418D, E423Q, E423M, E432I, and E432M acquired 1.5- to 3-fold enhancements against mesotrione, topramezone, MBQ, and A1 in vitro. Especially, the forced expression of E432M in Arabidopsis thaliana significantly elevated herbicide resistance compared to the wild type. These findings highlight the potential of specific OsHPPD modifications in developing crops with enhanced herbicide resistance, providing a foundation for future genetic engineering strategies.
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