028-8525-3068
新闻动态 News
News 行业新闻

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
标签:

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.


  • 最新资讯 MORE+
  • 点击次数: 0
    2026 - 08 - 17
    文献信息:原名:Coupled mineral and microbial carbon pumps govern soil organic carbon accumulation in croplands.译名:微生物-矿物双碳泵耦合调控大尺度农田土壤有机碳积累。期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:12.2发表日期:2026年6月29日第一作者:戴闪闪 中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土保护与利用重点实验室(李禄军课题组)。 背景:土壤有机碳(SOC)在广阔地理区域内表现出显著的空间变异性,这主要源于气候、土壤特性及土地管理方式之间的相互作用。在农田中,SOC的积累还受到作物种植体系和残茬管理的影响,但多种碳库与碳源中SOC形成的整体规律及其机制驱动因素仍不明确。东北黑土是我国核心粮食产区,长期耕作、秸秆移除导致SOC持续下降;南北跨度690 km黑土样带存在显著温度梯度、多样种植体系(连作大豆、玉豆轮作、连作玉米),是解析大尺度农田固碳机制的天然试验平台。科学问题:(1)揭示区域温度梯度下不同种植制度农田中木质素植物碳、微生物残体碳、POC、MAOC的空间分布特征,解析年均温升高对各碳库储量的影响规律;(2)区分微生物残体与MAOC两类核心SOC组分的主控驱动因子,量化微生物特性、有机质化学难降解性、矿物保护三者对碳组分积累的贡献占比;(3)阐明MAOC完整形成路径,厘清微生物碳泵与矿物碳泵耦合调控农田SOC 长期固存的内在机制,明确二者的主导作用;(4)筛选可同步促进微生物残体生成、增强矿物固碳能力的农艺措施,为升温背景下农田SOC高效封存提供理论支撑。 材料与方法:(1)研究区域为中国东北南北跨度690km的黑土样带,北纬42°55′ ~ 49°8′,西经124°10′ ~ 12...
  • 点击次数: 0
    2026 - 07 - 30
    文献信息:原名:Green manure intercropping increases soil microbial necromass and lignin contents under reduced nitrogen fertilization in maize production.译名:在玉米生产中减施氮肥条件下,绿肥间作增加土壤微生物残体和木质素含量。期刊:Soil & Tillage ResearchIF:8.4发表日期:2026.5第一作者:许晓慧 甘肃农业大学农学院旱地作物科学国家重点实验室/甘肃农业大学农学院(柴强课题组)。背景:氮肥是保障玉米高产的重要投入,但作物对氮的吸收是一个持续过程,而农业施肥通常集中在少数时间节点。施入土壤的氮不能被作物及时吸收时,就可能通过硝态氮淋失、氨挥发和反硝化等途径损失,既降低氮肥利用效率,也带来水体和大气环境问题。降低氮肥用量是农业绿色发展的重要方向,但直接减氮可能产生两个问题:一是玉米产量和根系生物量下降,使进入土壤的植物源碳减少;二是土壤氮供应不足会增强微生物氮限制,微生物为了获得氮,可能转而分解土壤中含氮较多的微生物残体,使原本相对稳定的土壤有机碳重新矿化。玉米间作速生豆科/非豆科绿肥可利用豆科固氮、绿肥吸收土壤无机氮并以有机质归还土壤,优化土壤氮循环、提升土壤有机质与微生物活性。微生物残体碳(MNC)是稳定土壤有机碳的核心组分,木质素为植物源稳定有机质;土壤氮有效性直接调控微生物残体生成与分解。但绿肥间作协同减氮条件下,土壤微生物残体碳、木质素累积与氮素供需平衡的耦合机制尚不清晰。科学问题:(1)减氮25%是否会造成玉米减产和土壤碳、氮储量下降?(2)减氮造成的土壤有机碳损失来自哪里?(3)绿肥间作能否缓冲减氮的不利影响?材料与方法:(1)长期定位试验于2017年开始,位于甘肃农业大学绿洲农业试验站(...
  • 点击次数: 0
    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...
  • 点击次数: 0
    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...
文体活动 MORE+
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
微信公众号
检测咨询热线
 
地址:四川省成都市成华区龙潭街道成业路7号联东U谷二期7栋10楼
          湖南省长沙市芙蓉区雄天路98号广发隆平创业园2栋6002
官方热线:028 8525 3068
投诉电话:18181920125
传真:+86 0755-2788 8009
Copyright ©2005 - 2013 成都栢晖生物科技有限公司
犀牛云提供企业云服务