Washington, DC, USA
August 16, 2012
A U.S. Department of Agriculture (USDA) scientist in Oxford, Miss., is working toward developing new herbicides by focusing on a molecular pathway that not only controls weeds, but could have helped shape our nation's history.
Franck Dayan, a plant physiologist with the USDA's Agricultural Research Service (ARS) Natural Products Utilization Research Unit in Oxford, is an expert on a class of weed killers known as "PPO herbicides," which choke off the weed's ability to make chlorophyll. Many weeds are developing resistance to glyphosate, the world's most widely used herbicide, and alternatives are needed.
Plant physiologist Franck Dayan observes wild-type and herbicide-resistant biotypes of pigweed (Palmer Amaranth) as Mississippi State University graduate student Daniela Ribeiro collects plant samples for DNA analysis.
ARS is USDA's principal intramural scientific research agency, and the research supports the USDA priority of promoting international food security.
Much of Dayan's work focuses on ring-shaped pigment molecules known as porphyrins (pronounced POR-fer-ins) that "bind" or react with different metals and perform vital functions in both plants and animals. A key step in porphyrin synthesis is performed by an enzyme (protoporphyrinogen oxidase or PPO), and disrupting the PPO enzyme can cause problems in plants and animals.
In humans, disruption is associated with a congenital disease known as porphyria, with symptoms that may include sensitivity to light, seizures, and other neuropsychiatric problems. In plants, PPO herbicides work by disrupting the enzyme's production of porphyrins and inhibiting photosynthesis. PPO herbicides have been around for decades and are specifically designed so they will only disrupt PPO enzyme activity in plants and not in humans.
Dayan recently published a report on the role PPO enzymes play in triggering resistance to PPO herbicides in waterhemp (Amaranthus tuberculatus), a common weed. He and his colleagues compared the molecular structure of PPO enzymes in resistant and susceptible water hemp. The results confirmed that deletion of a single amino acid, known as glycine 210, caused structural changes in the enzyme binding site that allows waterhemp to develop herbicide resistance. The work, published in the journal Biochimica et Biophysica Acta, built on previous research showing waterhemp's resistance capabilities. Understanding the resistance mechanisms should lead to better herbicides.
In another report, Dayan described the diverse roles played by porphyrins and PPO enzymes as essential components of life on earth. The article in American Scientist notes that life couldn't exist without them, and recounts how scholars have argued that a case of porphyria in King George III may have contributed to our nation's struggle for independence.
Read more about the research in the August 2012 issue of Agricultural Research magazine.
Usando un camino universal para combatir las malezas
Un científico del Servicio de Investigación Agrícola (ARS) en Oxford, Misisipí, está desarrollando nuevos herbicidas usando un camino molecular que no sólo controla las malezas, sino también podría haber tenido un papel importante en la historia de EE.UU.
Franck Dayan, quien es fisiólogo de plantas en la Unidad de Investigación de la Utilización de Productos Naturales mantenida por el ARS en Oxford, es experto en una clase de productos químicos llamados "herbicidas PPO", los cuales impiden la capacidad de la planta de producir la clorofila. Muchas malezas están desarrollando resistencia al glifosato, el cual es el herbicida más ampliamente usado en el mundo, y se necesitan métodos alternativos de controlar las malezas.
ARS es la agencia principal de investigaciones científicas del Departamento de Agricultura de EE.UU. (USDA por sus siglas en inglés), y esta investigación apoya la prioridad del USDA de promover la seguridad alimentaria internacional.
La mayoría de los estudios por Dayan se centran en moléculas de pigmento llamadas porifinas, las cuales reaccionan con diferentes tipos de metales y ejecutan funciones esenciales en los animales y los seres humanos. Un paso imprescindible en el síntesis de la porifina es realizado por una enzima conocida como PPO, y se puede causar problemas en la salud de los animales y los seres humanos por medio de impedir la enzima PPO.
En los seres humanos, éste puede causar una enfermedad congénita llamada la porfiria, con síntomas que incluyen la sensibilidad a la luz, los ataques de apoplejía, y otros problemas neuropsicológicos. En plantas, los herbicidas PPO funcionan impidiendo la producción de porifinas por la enzima, y limitando la fotosíntesis. Había herbicidas PPO por muchos años, y ellos están diseñados específicamente para impedir la actividad de la enzima PPO solamente en las plantas y no en los seres humanos.
Dayan recientemente publicó un informe sobre el papel de las enzimas PPO en causar resistencia a los herbicidas PPO en la maleza común Ameranthus tuberculatus. Él y sus colegas compararon la estructura molecular de las enzimas PPO en tipos resistentes y susceptibles de esta maleza. Los resultados confirmaron que la eliminación de un solo aminoácido llamado glicina 210 causó cambios estructurales en el sitio donde se sujeta la enzima, y estos cambios permiten el desarrollo de la resistencia en la maleza. Este estudio, con resultados publicados en la revista 'Biochimica et Biophysica Acta', agrega a los resultados de estudios previos sobre la capacidad de la maleza de resistir herbicidas. Una mejor comprensión de los mecanismos de resistencia podría llevar al desarrollo de mejores herbicidas.
En otro informe, Dayan describió los papeles diversos de porifinas y enzimas PPO como componentes imprescindibles de la vida. El artículo en la revista 'American Scientist' (Científico Americano) dice que la vida depende de la disponibilidad de estos componentes, y informa sobre el impacto posible de un caso de porfiria en el rey Jorge III de Inglaterra en la lucha por la independencia de EE.UU.
Lea más sobre esta investigación en la revista 'Agricultural Research' de agosto del 2012.
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