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研究发现植物草酸代谢途径关键酶影响玉米营养品质

日期: 2018-11-19
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研究发现植物草酸代谢途径关键酶影响玉米营养品质

研究发现植物草酸代谢途径关键酶影响玉米营养品质      

  研究发现植物草酸代谢途径关键酶影响玉米营养品质   

910日,The Plant Cell 在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所巫永睿研究组题为Maize Oxalyl-CoA Decarboxylase1 Degrades Oxalate and Affects the Seed Metabolome and Nutritional Quality 的研究论文。该研究克隆和功能解析了玉米草酸降解途径中的关键酶——草酰辅酶A脱羧酶,揭示了草酸代谢参与籽粒储藏物质积累和营养品质形成的分子机理。

草酸是最简单的二元酸,在植物体内的含量非常高。草酸在调控金属胁迫、离子平衡和昆虫防御等方面起积极作用。然而,过量草酸不仅会影响植物自身发育,也会影响包括钙元素在内的多种矿物金属矿物元素的利用;人体从食物中摄入草酸过多会和钙形成草酸钙,诱发形成肾结石。有报道显示,植物体内存在草酸合成和降解途径,其中一条降解途径由四种酶共同作用,分别为草酰辅酶A合成酶、草酰辅酶A脱羧酶、甲酰辅酶A水解酶和甲酸脱氢酶。草酰辅酶A合成酶可以催化草酸形成草酰辅酶A,接着草酰辅酶A在脱羧酶的作用下形成甲酰辅酶A。草酰辅酶A合成酶在多种植物中均被发现,然而却未有草酰辅酶A脱羧酶的报道,在农作物玉米中,草酸的降解代谢途径还未知,草酸与玉米籽粒发育、营养物质存储和品质调控的关系也不清楚。

在此项研究中,巫永睿研究组克隆了玉米草酰辅酶A脱羧酶(Oxalyl-CoA Decarboxylase1OCD1)基因,该基因突变以后籽粒胚乳呈现出粉质的表型,同时籽粒的储存物质合成和粒重也发生下降。由于没有商业化的草酰辅酶A脱羧酶底物草酰辅酶A,研究人员尝试了多种方法,合成了较高纯度的草酰辅酶A。体外和体内的酶活实验证实草酰辅酶A脱羧酶可以降解草酰辅酶A产生甲酰辅酶A和二氧化碳。同时,研究人员还发现早先克隆的玉米经典高赖氨酸突变体基因opaque7o7)编码草酰辅酶A合成酶,并证明O7可以催化草酸形成草酰辅酶A。另外,靶向和非靶向代谢组学分析发现,玉米草酰辅酶A基因突变后籽粒胚乳的能量代谢、糖类、氨基酸以及激素含量均受到显着影响。该项研究阐明了玉米草酸代谢的前两步反应,并揭示了草酸降解途径与籽粒胚乳发育、代谢和营养品质的关系,为将来遗传改良草酸含量较高的蔬菜(如菠菜)等提供了候选基因和分子机制。

该工作主要由巫永睿研究组副研究员杨俊和博士生付苗苗合作完成。博士生冀晨、黄永财参与了相关工作。研究工作得到科技部、国家自然科学基金、中科院等的资助。(来源:上海生命科学研究院)

 

Maize Oxalyl-CoA Decarboxylase1 Degrades Oxalate and Affects the Seed Metabolome and Nutritional Quality

 

Abstract  The organic acid oxalate occurs in microbes, animals and plants; however, excessive oxalate accumulation in vivo is toxic to cell growth and decreases the nutritional quality of certain vegetables. However, the enzymes and functions required for oxalate degradation in plants remain largely unknown. Here, we report the cloning of a maize (Zea mays) opaque endosperm mutant that encodes oxalyl-CoA decarboxylase1 (EC4.1.1.8; OCD1). Ocd1 is generally expressed and is specifically induced by oxalate. The ocd1 mutant seeds contain a significantly higher level of oxalate than the wild type, indicating that the ocd1 mutants have a defect in oxalate catabolism. The maize classic mutant opaque7 (o7) was initially cloned for its high lysine trait, although the gene function was not understood until its homologue in Arabidopsis thaliana was found to encode an oxalyl-CoA synthetase (EC 6.2.1.8), which ligates oxalate and CoA to form oxalyl-CoA. Our enzymatic analysis showed that ZmOCD1 catalyzes oxalyl-CoA, the product of O7, into formyl-CoA and CO2 for degradation. Mutations in ocd1 caused dramatic alterations in the metabolome in the endosperm. Our findings demonstrate that ZmOCD1 acts downstream of O7 in oxalate degradation and affects endosperm development, the metabolome, and nutritional quality in maize seeds.


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    华南植物园鲁显楷研究员团队在《全球变化生物学》发表最新研究,通过长达20年的野外氮添加试验,发现长期高氮沉降不但未减少热带森林植物地下碳分配,反而驱动植物上调根系分泌物来活化土壤磷,为破解热带森林碳汇维持之谜提供关键机制。 近半个世纪多以来,全球氮沉降持续加剧扰乱了生态系统的氮磷平衡,尤其是在有效磷相对匮乏的热带亚热带地区。基于温带氮限制生态系统的大量经验研究,形成了经典认知:施氮会缓解植物对氮的竞争,从而减少光合产物向地下的分配,尤其降低根系分泌物的释放。然而,这一范式能否直接套用于“富氮”但磷匮乏的热带亚热带森林,长期缺乏实验证据,这成为预测高氮沉降背景下森林碳-磷反馈与生态系统稳定性的关键认知瓶颈。为了破解这一瓶颈,研究团队于2002年在广东鼎湖山国家级自然保护区原始林(季风常绿阔叶林)建立了长期连续氮添加实验样地(4种梯度:0,50,100和150 kg N ha⁻¹ year⁻¹),系统探讨了热带森林植物如何通过调节根系分泌物及其介导的土壤磷动态来适应长期高氮沉降。研究发现,面对长期氮沉降引发的土壤有效氮磷失衡,热带森林植物并未“吝啬”其碳资源,反而进化出了一种积极的适应机制:一是通过提高根系分泌物碳输入速率,激发微生物磷酸酶活性,加速有机磷矿化;二是增强有机酸释放,促进矿物结合态磷的溶解。其中,有机酸途径起主导作用,其驱动的磷释放约为磷酸酶途径的2倍。这些结果表明,持续高氮沉降下,热带森林植物可通过“支付”更多的光合碳产物,换取维持生长所必需的磷,建立起了“根系分泌物-土壤磷活化”的正反馈循环。该研究首次证实热带植物能通过上调根系分泌物释放来适应长期高氮沉降,修正了“氮沉降导致地下碳分配减少”的传统观点。这一发现不仅解释了热带“富氮”森林如何维持高生产力与稳定性,还表明生态系统在面对长期环境压力时可能拥有更复杂的主动适应策略,这对预...
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案例名称: 孵化中心
说明: 栢晖生物科技有限公司项目孵化中心成立于2015.06.01日,研发领域涉及生物试剂耗材、仪器、新产品开发及各生物科技服务类项目等。自成立以来,陆续吸引了大批专家教授加盟合作,并与全国数十家高校及知名企业建立了良好的合作关系。中心共有博士及以上学位骨干人员10人,专门负责公司新产品研发等工作,已成功研发出无线温度监控器及NO检测试剂盒等产品(详情见成功案例),另有细胞分选仪等三个项目正在积极孵化当中。
2017 - 05 - 31
案例名称: 孵化中心流程
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