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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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    2025 - 04 - 30
    土壤回旋共振质谱是一种高分辨率、高灵敏度的质谱分析技术,基于带电粒子在磁场中以回旋运动的频率与外加射频共振时的检测原理。这类质谱仪一般用于检测复杂混合物中的微量有机或无机化合物,能够提供高精度的分子质量和结构信息。在生态土壤研究中,可以在以下几个方面拓宽我们的视野: 1、高灵敏检测土壤中痕量有机物  • 检测土壤有机质组分如氨基糖、木质素衍生物、脂类等; • 能区分同分异构体,有助于理解有机碳转化路径; • 可研究腐殖质演化和稳定机制。 2. 剖析微生物代谢产物与土壤代谢指纹  • 识别微生物代谢过程中生成的标志性代谢物; • 结合同位素示踪,能用于土壤微生物C/N代谢流的定量追踪; • 有助于研究微生物驱动的碳氮循环机制。 3. 辅助土壤碳库稳定性研究  • 通过精细分子分辨率识别稳定/易变组分; • 判断某些特定有机物的生物可利用性与持久性; • 有助于理解土地利用/管理对碳库稳定的影响。 4. 环境污染物检测  • 检测痕量有机污染物(如农药、PAHs、抗生素残留等); • 在污染溯源与降解路径解析中发挥重要作用; • 与多种污染物的形态分析结合,进行风险评估。 5、在生态研究中的典型应用案例: • 热带森林与农田转换对有机碳分子结构的影响研究; • 利用15N标记+CRMS解析土壤有机氮转化路径; • 通过检测抗生素类残留探讨畜禽粪肥对土壤微生物生态的扰动; • 研究火烧/干旱胁迫下微生物代谢产物的变化与碳流稳定性。上述提到的项目栢晖生物均可测定,更多相关信息欢迎联系文末工作人员详细沟通。-THE END-栢晖生物成立于...
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    2025 - 04 - 29
    01按照土壤碳的形态分类(1)有机碳 • 总有机碳:土壤中所有来源的有机碳总量。 • 可溶性有机碳:可溶于水的有机碳,影响土壤碳循环的活性部分。 • 颗粒态有机碳:粒径通常在53 μm–2 mm之间的有机碳,较易分解。 • 矿物结合有机碳:与矿物颗粒结合的有机碳,较为稳定。 • 轻组有机碳:通过浮选法分离出的轻组有机碳,主要由未完全分解的有机质组成。 • 重组有机碳:通过浮选法分离出的重组有机碳,主要由金属氧化物结合的有机质组成。 • 微生物生物量碳:土壤微生物体内的碳,是活性有机碳的一部分。 • 易氧化碳:能被高锰酸钾氧化的有机碳,表征活性有机碳库。(2)无机碳 • 总无机碳:土壤中的所有无机碳总量。 • 碳酸盐碳:主要以方解石(CaCO₃)、白云石(CaMg(CO₃)₂)等矿物形式存在。 • 碳酸氢盐碳:土壤溶液中的可溶性无机碳,易随水流失。02按碳库的稳定性分类 • 活性有机碳库:周转快,易受环境变化影响,包括DOC、MBC、POC等。 • 慢性有机碳库:周转较慢,部分矿物结合的有机碳属于此类。 • 惰性有机碳库:高度稳定,如腐殖质碳、黑碳。03按土壤深度分布分类 • 表层土壤碳( 0–30 cm):主要受植被、微生物和人为活动影响。 • 深层土壤碳(30 cm):稳定性较高,受矿物结合和碳迁移过程影响。04按来源分类 • 植被来源碳:枯落物、根系分泌物、植物残体分解产生的碳。 • 微生物来源碳:微生物代谢及死亡后残留的碳。 • 外源输入碳:施肥、污染物沉降等外部输入的碳。这些指标可以用于研究土壤碳循环、碳固存、农业土壤管理等问题。在实际研究中,通常结合稳定同位素分析、核磁共振(N...
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    2025 - 04 - 09
    铁氧化物结合态有机碳在土壤碳汇和碳稳定方面有重要意义,尤其在全球气候变化和土壤碳库管理背景下,越来越受关注。但仍然存在不少研究空白。今天我们通过ChatGPT和DeepSeek两大AI平台分析一下在该领域尚未被充分研究的热点问题和潜在研究方向~一、ChatGPT分析结果01铁氧化物结合态有机碳的稳定性机制与动态过程研究方向: • 原位监测 Fe-OC 在周期性湿润/干燥条件下的稳定性。 • 利用同位素示踪和光谱技术揭示铁矿物转化(非晶态铁 → 晶态铁)对有机碳稳定的影响。研究意义:• 理解铁氧化物在不同氧化还原条件下如何稳定或释放碳,有助于预测湿地、稻田等环境下土壤碳库的动态变化,进而对碳循环建模和气候变化预测有指导意义。02铁-有机复合物中有机碳的分子特征与来源研究方向: • 利用高分辨率质谱(FTICR-MS)、X射线吸收精细结构光谱(XAFS) 等先进技术分析 Fe-OC 复合物中的有机分子组成。 • 比较不同土壤类型或植被类型下 Fe-OC 结合的有机碳来源差异。研究意义:• 搞清楚什么样的有机碳更容易与铁矿物结合,有助于优化土壤管理策略,促进碳固定,提高土壤碳汇功能。03微生物在铁氧化物-有机碳互作中的作用机制研究方向: • 研究不同功能群微生物(铁还原菌、铁氧化菌)在 Fe-OC 动态中的角色。 • 解析微生物胞外多糖(EPS)、胞外电子传递对 Fe-OC 形成和解离的影响。研究意义:• 微生物过程是土壤碳稳定的关键环节,揭示微生物与 Fe-OC 的交互机制,有助于发展基于微生物调控的土壤碳汇增强技术。04土地利用变化和管理措施对 Fe-OC 储量与稳定性的影响研究方向: • 比较不同土地利用类...
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    2025 - 03 - 14
    栢晖,第三方专业科研检测机构2025年3月8日下午13点,栢晖生物举行了一年一度的“安全日”活动。本次活动分为“安全知识培训”和“消防实操演练”两个环节,旨在进一步提升全员安全意识和应急处置能力。活动伊始,总经理杨锦兀发表讲话,介绍了举办“安全日”活动的初心与意义,并强调实验室安全对企业和员工的重要性。他指出,只有将安全理念内化于心、外化于行,才能保障科研工作的有序开展。在随后的安全知识培训中,实验室张副经理围绕灭火器使用、试剂管理、气瓶安全和现场应急处理等内容进行了系统讲解。张副经理结合真实案例,深入浅出地讲解了灭火器的正确操作步骤、火灾应对要点,以及实验室试剂的分类、存储和废弃处理规范等。通过图示和现场互动,全体员工对安全操作有了更清晰、更全面的认识。消防演练环节中,张副经理现场示范灭火器的正确使用方法,并组织员工逐一进行实操训练。通过动手演练,大家切实掌握了应急灭火技能,提升了面对突发状况的应对能力。安全,是科研顺利推进的前提,也是企业可持续发展的保障。栢晖生物始终坚持“安全第一、预防为主”的原则,持续夯实安全管理基础,营造更加安全、高效的实验环境。
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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:
2017 - 07 - 17
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