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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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    2026 - 07 - 21
    文献信息原名:Organic and inorganic carbon losses in straw amended saline and sodic soils.译名:秸秆改良盐碱土和钠盐土中的有机与无机碳损失。期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:12.2发表日期:2026年5月16日第一作者:陈猛猛 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室。背景土壤是陆地生态系统最大的碳库,其碳储量是大气和植被的2-3倍,但现有研究长期聚焦土壤有机碳(SOC)动态,严重忽视了土壤无机碳(SIC)的关键作用——全球表层2米土壤中SIC储量达230.5Pg C,主要分布在干旱、半干旱及滨海地区的盐碱土中。全球盐碱土面积约13.8亿公顷,占陆地总面积的10.7%,土壤盐渍化不仅通过抑制微生物活性和破坏团聚体结构威胁SOC库稳定性(预计到2100年可能导致6.8Pg SOC损失),还通过碳酸盐沉淀过程影响SIC积累,然而盐胁迫与碱胁迫下SOC与SIC动态的耦合机制仍不明确,限制了对土壤净碳平衡的准确预测。秸秆还田已被证实能使华北盐碱土SOC库增加19%,但秸秆添加会同时产生双重效应:既通过微生物分解释放秸秆源CO₂并激发原生SOC矿化,又通过产生的CO₂和有机酸加速碳酸盐溶解,有研究表明中国农田每年约有150Tg SIC以CO₂形式流失,且约27%的土壤CO₂排放源自SIC,但微生物如何介导秸秆诱导的SOC矿化与SIC溶解之间的权衡关系仍不清楚。此外,盐渍土与碱化土存在截然不同的团聚体稳定性特征(盐渍土胶体絮凝、碱化土胶体分散),土壤团聚体通过物理保护碳和调控微生物生境影响碳循环,但碱化胁迫导致的结构破坏如何改变碳加工“热点”的空间分布,进而在团聚体尺度上加速SIC溶解的机制尚未被量化,这成为准确评估盐碱土秸秆还田固碳...
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    2026 - 07 - 21
    文献信息原名:Rhizosphere – detritusphere interactions stabilize soil carbon depending on plant litter traits.译名:根际-凋落物际的相互作用稳定土壤碳取决于植物凋落物的特性。期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:10.3发表日期:2025年7月第一作者:万兵兵 南京农业大学土壤生态实验室(胡锋课题组)背景传统观点认为植物凋落物是土壤有机碳(SOC)的主要来源,但其对碳稳定性的影响存在矛盾:低质凋落物(高C:N)通常形成更多颗粒有机碳(POC),而高质凋落物(低C:N)促进矿物结合态有机碳(MAOC)。同时根际作为微生物活动热点,可能通过微生物代谢来进行调控碳分配。然而根际与碎屑圈(凋落物分解区)的交互作用对SOC稳定性的影响机制尚不明确。图1:植物凋落物质量对根际土壤有机碳稳定性的影响机制。科学问题(1) 高质量的凋落物输入会通过增加根部可用养分,从而降低根际微生物的生物量和活性,进而产生弱根际效应。反之,低质量的凋落物输入会增加根际微生物活动,从而增加根部可用养分的供应,进而增强根际效应。(2) 相较于高质量凋落物,低质量凋落物诱导的根际微生物高代谢率会增加根际层的MAOC的形成。材料与方法(1) 田间试验设计:添加6种不同质量凋落物(紫花苜蓿、麦草、玉米秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆、甘蔗渣),覆盖C:N比梯度(18-152)。设置根际(紧贴根系土壤)与碎屑圈(无根土壤)对比组。(2) 指标测定:碳组分:POC(53μm)与MAOC(微生物特性:PLFA分析生物量、酶活性(β-葡萄糖苷酶BG、N-乙酰葡糖胺酶NAG)。根系性状:比根长(SRL)、根组织密度(RTD)。结果分析结果一:与无凋落物添加的对照处理相比,凋落物输入使凋落物际的SOC含量平均增...
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    2026 - 07 - 14
    文献信息:原名:Decadal extreme drought reduces alpine subsoil carbon stocks. 译名:十年极端干旱降低高寒草地亚表层土壤碳储量期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)IF:9.5发表日期:2026年2月20日第一作者:周荣磊 中国科学院地理科学与资源研究所(汪金松、牛书丽研究团队)。 背景:土壤有机碳 (SOC) 是陆地生态系统最大的活跃碳库,在调节全球碳循环、缓解气候变化方面发挥着重要作用。全球草地覆盖约40%的陆地面积,储存了超过30%的陆地碳,其中相当大比例以土壤有机碳的形式存在。在全球变化背景下,极端干旱事件的频率和强度显著增加,对土壤碳库产生重要影响。然而,以往研究主要关注干旱对表层土壤有机碳的短期影响,学术界尚不清楚长期极端干旱对土壤剖面有机碳库的整体影响及其驱动机制。该研究基于SOC粒径分组、微生物18O同位素标记 (H218O)、矿物分析等方法,系统评估了轻度、中度和极端干旱对土壤剖面 (0-60cm) 有机碳库的影响及其机制。因此,本研究通过长期降水控制实验,分析不同强度干旱对高寒草地不同土层土壤有机碳及其组分的影响,并探讨植物碳输入、微生物过程和矿物保护机制在土壤碳变化中的作用。科学问题:1、长期极端干旱是否会导致深层土壤有机碳(SOC)的流失?2、不同土壤有机碳组分(POC 与 MAOC)对干旱的响应是否存在差异?3、深层土壤碳损失背后的驱动机制是什么?材料与方法:(1) 研究地点位于中国四川省红原县青藏高原东部高寒草地;自2014年起开展,持续观测10年。(东经 101°51′–103°23′ E,北纬 31°...
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    2026 - 06 - 26
    原名:Precipitation alters the microbial necromass carbon contribution to soil organic carbon in a desert shrub ecosystem译名:降水改变了荒漠灌丛生态系统微生物残体碳对土壤有机碳的贡献期刊:Applied Soil EcologyIF:5.4 发表日期: 2026.1.22(网络首发2025年) 第一作者:徐红伟 四川农业大学林业学院,长江上游森林与生态恢复四川省重点实验室,四川峨眉山森林生态系统国家野外科学观测研究站 背景:在干旱和半干旱生态系统中,植被和土壤对降水变化高度敏感。降水变化通过改变土壤含水量,进而影响植物生长和土壤功能。增加降水(PP+)可提高土壤含水量,促进植物生物量增加、土壤酶活性提高、微生物多样性增加和碳固存增强;而减少降水(PP−)则导致土壤干旱,限制植物生长,降低生态系统生产力和微生物活性,从而导致土壤退化。土壤微生物残体碳是土壤有机碳(SOC)的关键来源,其对SOC的贡献在陆地生态系统中超过60%。微生物残体碳的积累主要受植物碳输入和微生物代谢活动的影响。降水变化通过影响植物生长、凋落物输入、土壤水分和养分有效性,进而调控微生物残体碳的积累过程。然而,在干旱和半干旱地区,降水变化如何影响微生物残体碳和SOC积累,以及微生物残体碳对SOC的贡献机制尚不清楚。此外,降水变化的幅度也是影响微生物残体碳和SOC积累的重要因素。过低的降水减少会限制植物和微生物生长,而过高的降水增加可能降低土壤孔隙度,抑制微生物活性和凋落物分解。因此,识别降水变化的强度阈值对于理解脆弱生态系统碳循环对全球降水变化的响应及实施生态恢复干预具有重要意义。 图1:降水变化对土壤微生物残体碳和土壤有机碳影响的概念框架科学问题:(1...
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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
说明:
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