Ингибиторы биосинтеза длинноцепочечных жирных кислот
Хлорацетамиды (XAA) используются в посевах кукурузы, сои и риса около 50 лет и составляли в 1998 г. в США почти 50% гербицидов, вносимых для послевсходовой борьбы с сорняками под кукурузу и 11% — под сою. Гербицид транспортируется в растении по ксилеме и оказывает долговременное влияние на рост и развитие сорных растений, которые прорастают, но рост их сразу же приостанавливается, видимо, из-за пониженного биосинтеза терпеноидов. Так, первые листья, появляющиеся из гипокотиля у двудольных растений мелкие, скрученные и бесформенные, однако листья и семядоли никогда не обесцвечиваются, что указывает на более или менее нормальный биосинтез хлорофилла. Деление и растяжение клеток подавлены, нарушен процесс формирования проницаемости мембран и биосинтез белка, модифицирован метаболизм пуринов, серьезно ингибирован синтез лигнинов и антоциана, но не нарушен фотосинтетический транспорт электронов. В качестве основной мишени действия данного класса гербицидов рассматривается элонгаза длинноцепочечных жирных кислот. Жирные кислоты длиной до C16-C18 рядов образуются в пластидах, а дальнейшее удлинение цепочки происходит в цитозоле и на эндоплазматическом ретикулуме. Жирные кислоты с очень длинной цепочкой (ДЖК) в высших растениях (в отличие от водорослей) представлены насыщенными жирными кислотами. Высокие концентрации указанных гербицидов ингибируют синтез эпи-кутикулярных восков и длинноцепочечных жирных кислот в плазмалемме. Возможно, что полное подавление их биосинтеза является фитотоксичным. Интересно, что мутанты арабидопсиса без воска характеризуются условной мужской стерильностью из-за нарушения формирования пыльцы, которое невозможно без биосинтеза жирных кислот.
В отличие от других гербицидов, длительное многократное использование данного класса гербицидов под сою и кукурузу не приводило к формированию гербицидоустойчивости, что можно объяснить несколькими причинами.
• Конденсирующие ферменты, секвенированные до настоящего времени, в пределах своего каталитического домена содержат хорошо законсервированную зону с цистеином в реакционном центре. Для присоединения ингибитора, видимо, требуется остаток цистеина, чья замена уничтожает как функцию присоединения, так и катализа, и, естественно, будет летальной для растения. Соответственно, устойчивые к этим гербицидам мутанты не могут существовать в принципе.
• Замена ДЖК на «нормальные» жирные кислоты (как в случае с резистентным мутантом Scenedesmus), видимо, исключительный случай, поскольку многие звенья реакции, в частности образование жирных кислот, транспорт и их встраивание в нужное место в клетке, необходимо модифицировать и регулировать синхронно.
• Нельзя исключить, что XAA могут атаковать дополнительные важные мишени, приводящие к фитотоксичности. Однако их ингибирование может потребовать более высоких концентраций ингибитора, чем используются в настоящее время. Кроме того, для устойчивости фермента-мишени может быть необходима генетическая модификация по меньшей мере двух или даже более ферментов-мишеней в одном мутанте, что маловероятно. Из 10в8 особей только одно сорное растение может обладать b-кетоацил-СоА-синтазой с измененной активностью. Вероятность генетической модификации дух фитотоксичных ферментов-мишеней в одном мутанте одновременно ничтожно мала (1:10в16).
• Метаболическая устойчивость трансгенного табака против метахлора, которая в 5 раза выше, чем у дикого типа, достигнута благодаря сверхэкспрессированию гена глутатион-S-трансферазы (GST) из кукурузы, кодирующего изоформу GST-IV. Последняя содействует конъюгации XAA с глутатионом. При мутации сверхэкспрессирование гена, кодирующего вышеуказанную изоформу, может привести к устойчивости сорного растения к гербициду. Однако эта метаболическая детоксикация не может быть лимитирована ни количеством глутатиона, ни активностью глутатионредуктазы, поддерживающей восстановленность глутатиона. Видимо, во многих сорных растениях кроме GST-IV функционирует другой компонент системы детоксикации. Тогда метаболическая устойчивость требует экспрессии более чем одного гена, что, как указывалось выше, тоже весьма проблематично.
Устойчивость против ряда гербицидов данного класса (метолахлор, пропахлор, алахлор) была установлена в Австралии для пырея (с соотношением устойчивости к дикому типу 7:1), а против бутахлора в Китае для куриного проса в посевах риса (с тем же соотношением устойчивости). В последнем случае устойчивость не определяется действием на фермент-мишень, так что причины устойчивости неизвестны. Поэтому возможности, указанные выше, не исключаются.