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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 - 01 - 09
    文献解读原名:Decadal application of mineral fertilizers alters the molecular composition and origins of organic matter in particulate and mineral-associated fractions译名:十年的矿质施肥改变颗粒态和矿物结合态组分有机质的分子组成和来源期刊:SBBIF:9.8发表时间:2023.07第一作者:Zhichao Zou摘要背景:长期矿质施肥对土壤有机质(SOM)的数量、质量和稳定性的影响仍不明确。方法:通过结合四种生物标志物(自由与结合态脂类、木质素酚和氨基糖),研究中国北方农田在10年矿质施肥下(400 kg N ha−1 yr−1, 120 kg P ha−1 yr−1 和 50 kg K ha−1 yr−1)的SOM的分子组成、分解和来源。我们关注于两个差异化的SOM组分:颗粒态有机质(POM)和矿质结合态有机质(MAOM)。结果:尽管施肥对全土SOC的影响有限,但导致MAOM中SOC增加23%,并且改变了其组成和来源。施肥使POM中植物源的萜类化合物增加46%,MAOM中长链脂类(≥20)增加116%,但是降低了POM中54%的短链脂类(结论:矿质施肥通过改变温带农业生态系统中矿物-有机复合体的分子组成和固存,增加SOM的稳定性和持久性。研究背景SOM能够维持土壤肥力、促进土壤水分存留和有机碳(SOC)固存,对农业生态系统的功能的发挥至关重要。在典型的农田,大量矿质肥料的输入增加了作物生产力,导致大量的碳(C)通过残体、根系及其分泌物进入土壤,随后改变了SOM周转。然而,我们对SOC稳定和固存对营养施肥的响应方向和程度的基础理解仍然不明确。之前的研究报道了农业生态系统中施肥管理导致更高、中性以及甚至更低的SOC水平。在集...
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    2024 - 12 - 06
    # 栢晖 #—特色检测指标—土壤、植物酶活检测氨基糖、PLFA及其同位素、磷组分木质素酚、CUE、有机氮组分、有机酸氨基酸、微生物量碳氮磷、同位素等苯多羧酸、红外光谱、微生物多样性等其他土壤、植物、水体等常规检测指标均可测定欢迎联系下方相关工作人员详细沟通
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    文献解读原名:Rhizosphere as a hotspot for microbial necromass depositioninto the soil carbon pool译名:根际是微生物残体进入土壤碳库的热点区期刊:Journal of EcologyIF: 5.3发表日期:2024.11.15第一作者:汪其同背景森林土壤是陆地生态系统最大的有机碳(SOC)库,高效发挥森林土壤碳汇功能是实现“双碳”战略目标的重要途径之一。相应地,科学认识森林土壤固碳过程与调控机制已成为当前森林生态学、土壤学领域重要的前沿基础科学问题与林业碳汇功能适应性管理的核心现实需求。近年来不断涌现的证据表明,微生物通过合成代谢而迭代积累的微生物残体很大程度上主导了SOC的长期积累和固持。其中,由于根源C持续输入在根系周围的根际微域形成了一个独特而又典型的微生物热点区,并伴随着更快的微生物生长和更强的微生物代谢活性,进而导致根际区微生物残体对长期SOC积累贡献能力比非根际区更为突出和明显。然而,目前大多研究通常将根际和非根际土壤视为一个均质有机体,而缺乏针对根际区SOC形成过程与稳定性机制的专一性试验研究,导致根际区土壤碳动态过程及其生态重要性在很大程度上未被探索和了解,已成为森林土壤碳汇功能变化认知最少且极为薄弱的关键环节之一。基于此,中国科学院成都生物研究所尹华军研究团队通过系统收集青藏高原典型高寒针叶林39个样点的根际和非根际土壤样品(图1),量化了根际和非根际土壤中有机碳和氨基糖的浓度,并通过计算根际相对于非根际土壤中增加的氨基糖与增加的有机碳的比例(RAS/SOC),评估了微生物残体对根际SOC积累的贡献程度。同时测定了根际土壤养分浓度和微生物生理性状,以揭示多变环境下根际微生物残体对SOC积累贡献的潜在微生物调控机制。图1  39个高寒针叶林采样点分布图我们假设:(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
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2017 - 07 - 17
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