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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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    文献解读原名:Soil carbon accrual and crop production enhanced by sustainable subsoil management.译名:可持续性底土管理促进土壤碳积累与作物产量提升。期刊:Nature GeoscienceIF:16.1发表日期:2025.7第一作者:阚正荣 南京农业大学https://doi.org/10.1038/s41561-025-01720-501背景传统保护性农业(如免耕和秸秆覆盖)虽能减少水土侵蚀,但在稻田系统中存在显著局限。免耕虽然增加了表层有机碳,但下层土壤碳储量下降,整体固碳潜力低,并且稻田厌氧环境导致覆盖秸秆分解产生有毒物质(如硫化物),抑制了微生物活动及碳转化。Meta分析显示免耕导致作物平均减产5-10%,中国南方稻田尤为严重。因此,本研究提出一种秸秆集中沟埋还田技术,通过将秸秆注入底土实现土壤固碳与作物增产协同提升。02科学问题(1)评估秸秆集中沟埋还田技术(DB-SR)对土壤有机碳(SOC)及作物产量的影响;(2)阐明SOC与作物产量提升的内在机制;(3)比较DB-SR与旋耕秸秆还田(RT-SR)的技术可行性;(4)采用Meta分析全面量化DB - SR对中国区域土壤有机碳储量和作物产量的影响。03材料与方法(1)田间试验于2008年11月在江苏省沿江区农业科学研究所进行(32°13′N, 121°03′E),该地区属亚热带季风气候,年平均气温14.5℃,降水量1 057.0 mm。(2)RT-SR代表旋耕秸秆还田,DB-SR代表秸秆集中沟埋还田。RT-SR处理中,秸秆被切碎为5-10 cm段,通过旋耕机混入0-10 cm土层。DB-SR处理则需将秸秆打捆称重后,置于田垄晾晒三日,随后埋入深20 cm、宽20 cm、间距2 m的沟渠(图1a)。(3)对于RT-...
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    ——文献解读原名:Effects of DOM Chemodiversity on Microbial Diversity in Forest Soils on a Continental Scale译名:溶解性有机质化学多样性对大陆尺度森林土壤微生物多样性的影响期刊:Global Change BiologyIF:12.05发表日期:2025年3月通讯作者:王超(中国科学院沈阳应用生态所)01背景土壤溶解性有机质(DOM)是森林生态系统中碳和养分的关键储库,在碳循环和微生物群落动态中起着核心作用。然而,DOM 分子水平多样性(化学多样性)对微生物群落多样性和空间分布的影响仍知之甚少。02关键问题(1)大规模森林生态系统中土壤 DOM 组分的组成和多样性特征是什么?(2)除了已确定的因素如土壤 pH 和温度外,DOM 的多样性和分子组成能否增强对微生物群落多样性模式的解释力?03材料与方法(1)从中国东部南北样带的 11 个森林站点采集土壤样品。在每个站点从5个亚样地(20×20 m)的上层 10 cm 土壤中采集土壤样品,总共 55 份。过10目筛以去除根系和碎屑。(2)测定指标:pH、含水量、TN、SOC、TP、DOC、DON、DOM、16S rRNA测序,ITS测序。04结果(1)55 个森林土壤样品中,共鉴定出 10826 种独特的分子式。通过峰强度加权计算得出的 DOM 分子式范围为 C17.94₋18.99H16.61₋19.98N0.43-0.66O9.36-9.88S0.04-0.10。DOM 的分子量在 398 至 413 Da 之间。DOM 的平均双键当量在 9.4 至 10.8 之间,平均修正芳香性指数(AIₘₒd)在 0.38 至 0.49 之间。(2)土壤 DOM 分子多样性和丰富度沿森林样带从北到南大致呈钟形曲线分布,且在不同采样点之间...
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    原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-025-60036-5 如有检测相关需求欢迎so栢晖生物了解更多~
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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。
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