Tolerance Mechanism to Simazine in Coix lacryma-jobi

율무(Coix lacryma-jobi)의 제초제 Simazine에 대한 내성기구

Tolerance mechanism to simazine (6-chloro-N,N'-diethyl-1,3,5-triazine-2,4-diamine) in Coix lacryma-jobi was investigated with respect to herbicide detoxification via glutathione conjugation. Simazine was initially absorbed by seedlings of C. lacryma-jobi and corn, but after 12 hours of treatment, no significant difference in simazine absorption was found in both species. Simazine absorbed was rapidly metabolized to glutathione-simazine conjugate. One to six hours after treatment, metabolism was approximately 2-fold faster in C. lacryma-jobi than in corn. Glutathione content was found 1.5- and 2.3-fold higher in coleoptile and root of C. lacryma-jobi, respectively, compared with corn. In both species, the highest concentration of glutathione was found in coleoptile tissue. Glutathione S-transferase that exhibits activity with 1-chloro-2,4-dinitrobenzene was not significantly different between two species. However, glutathione S-transferase activity with simazine was approximately 2-fold greater in C. lacryma-jobi than in corn. The glutathione S-transferase activity was 20 to 30% greater in shoot of either species than in root. Fast protein liquid chromatography-anion exchange column was used to separate glutathione S-transferase isozymes in coleoptiles of C. lacryma-jobi and corn. A peak of glutathione S-transferase activity with 1-chloro-2,4-dinitrobenzene and two peaks of glutathione S-transferase activity with simazine from C. lacryma-jobi were coeluted with those from corn, but showed greater activity than in the case of corn. Another glutathione S-transferase isozyme that exhibits activity with simazine was detected in the elution of C. lacryma-jobi extract, but not in corn. Electron transport in chloroplast thylakoids isolated from leaves of both species was equally sensitive to simazine applied at 1 to 100 nM. These results indicate that the simazine tolerance in C. lacryma-jobi is due to its capacity to detoxify the herbicide via glutathione conjugation, which is positively correlated with the level of glutathione content and glutathione S-transferase activity.

율무의 simazine에 대한 내성이 GSH와의 conjugation에 의한 약제의 불활성화 반응에 기인하는지 여부를 검정하기 위하여 화본과 작물인 옥수수와 비교하여 약제의 흡수 및 대사속도, GSH 함량 및 GST 활성, GST isozyme의 발현 양상 및 작용점에서의 약제에 대한 감수성의 차이를 조사하였다. 율무와 옥수수 모두 배양액중에 포함된 simazine에 대하여 약제처리 초기부터 빠른 흡수를 보였으며, 처리 12시간 후에는 두 초종 간의 흡수속도에 있어서 차이가 인정되지 않았다. 율무에 흡수된 simazine은 GSH-simazine conjugate의 형태로 신속히 대사되었으며, 특히 약제처리 $1{\sim}6$시간 까지의 처리 초기에는 율무에서의 대사속도가 옥수수에 비하여 약 2배정도 빠르게 나타났다. 두 초종 모두 초엽부에서 가장 높은 GSH 함량 분포를 보였다. 초종별로는 율무에서의 GSH 함량이 옥수수에 비하여 전반적으로 높게 나타났으며, 특히 율무의 초엽부와 근부에서 옥수수에 비하여 GSH함량이 각각 1.5배와 2.3배씩 높게 나타났다. GST[CDNB] 활성은 초종 간에 차이가 인정되지 않았으나, GST[simazine] 활성에 있어서는 옥수수에 비하여 율무의 모든 조직에서 약 2배 정도 높은 활성을 보였다. 두 초종 모두 지상부에서의 GST[simazine]활성이 근부에 비하여 $20{\sim}30%$ 정도 높게 나타났다. 율무와 옥수수에서 나타난 simazine에 대하여 특이성을 갖는 GST 활성의 차이를 이해하기 위하여 FPLC-anion exchange 컬럼을 이용하여 GST isozyme 활성을 조사하였다. 율무에 있어서 GST[CDNB] 활성을 보이는 1개 피크와 GST[simazine] 활성을 보이는 2개의 피크가 옥수수의 활성 피크와 같은 NaCl 농도범위에서 나타났으며, 이들의 활성은 옥수수에 비하여 높게 나타났다. 옥수수에서는 나타나지 않은 1개의 GST[simazine] 활성 피크가 율무에서 검출되었으며, 이 GST[simazine] 활성은 CDNB에 대하여 전혀 활성을 나타내지 않았기 때문에 율무에 simazine 특이성의 다른 GST isozyme이 존재함을 시사해 주고 있다. 율무와 옥수수의 완전 엽으로부터 추출한 엽록체 thylakoid막에 의한 전자전달 활성은 simazine $1{\sim}100\;{\mu}M$ 수준에서 매우 유사한 경향으로 억제되었다. 이상의 결과들은 율무의 simazine 내성이 흡수된 약제가 GSH와의 conjugation에 의하여 신속히 불활성화됨으로써 나타나며, 이러한 simazine 대사활성의 차이는 식물체에 내재하는 GSH 함량 및 GST 활성과 밀접한 상관성이 있음을 시사해 주고 있다.