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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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    2024 - 07 - 25
    一、木质素酚实验流程:→氧化:CuO+Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O+2 M NaOH高温氧化。收集上清液→提取:纯水洗渣两次,合并上清液,调PH→衍生:吡啶+BSTFA衍生→上机:(GS-MS)图谱展示:二、角质、软木质实验流程:→水解:称取约1.0~2.0g的土样于四氟乙烯反应釜中,1mol/L甲醇化氢氧化钠3mL,沸水浴3h。→净化:a.酸化:待水解液冷却至室温后,用10ml甲醇:二氯甲烷(1:1)混合液冲洗水解管,超声15min。取上清液用HCl酸化至ph b.萃取:收集有机相于5mL衍生瓶中,于38°C下轻轻氮吹至干。→衍生:向吹干的衍生瓶中加入100uL吡啶和400uLBSTFA后盖紧。漩涡30s混匀,70°C反应3h,待冷却后上机。→上机:(GC-MS)图谱展示:三、脂类(游离态脂)实验流程:→萃取:称取约0.5~1.0g的土样于10mL离心管中,加入5mL丙酮:二氯甲烷(1:1)混合液超声萃取20min,离心收集上清液。重复两次合并上清液并氮气吹干,衍生后上机测试。→衍生:向吹干的样品和标准的衍生瓶中加入100uL吡啶和400uLBSTFA后盖紧。涡旋30s混匀,70°C反应3h,待冷却后上机。→上机(GC-MS)图谱展示:更多相关检测讯息so栢晖生物~
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    2024 - 07 - 24
    文献解读原名:Not all soil carbon is created equal: Labile and stable pools under nitrogen input译名:并非所有的碳都是相同的:氮输入下的易分解库和稳定库期刊:Global Change BiologyIF:10.8发表日期:2024.7.8第一作者:臧华栋 中国农业大学农学与生物技术学院背景人类活动提高了世界范围内的氮输入,由于农业活动和化石燃料的使用,人类氮输入比自然来源大30%-50%。鉴于碳氮之间的密切关系,活性氮输入水平将极大地影响全球碳循环,氮输入的增加刺激了土壤碳储存,因为氮的增加促进了植物生物量的产生和植物来源的碳输入,然而氮输入对不同周转时间的有机质(SOM)库影响仍存在争议,特别是其潜在机制。因此,探究有机质库对氮输入的响应对阐明全球C循环的复杂性至关重要。假设(1)通过方法组合可以有效地评价C池(从数年到数十年的周转率)对氮施肥的响应。(2)“碳限制”和“微生物氮开采”这两种机制都与SOM池相关,取决于它们的可用性,这代表这两种理论之间的联系。科学问题(1)分析不稳定到稳定有机质的矿化反应;(2)量化各种有机质库分解对氮输入的敏感性;(3)评估细菌和真菌群落变化,并阐明微生物群落的变化程度如何反映有机质分解对氮输入的响应。材料与方法方法:将有机质中的13C自然丰度与21年的C3-C4植被转换和长期孵化实验结合起来,估算氮输入对不稳定碳库和稳定碳库有机质矿化的影响。土壤取自霍恩海姆大学试验站0-10厘米深度(有机碳约2.4%,总氮含量0.25%,pH值5.1)和邻近草地(有机碳约2.5%,总氮0.21%,pH 5.1)。巨芒草作为一种C4植物,在21年前被引入到之前的C3草地土壤中,导致δ13C从−27‰转移到−17‰。δ13C中这种差异被用来区分新土壤和老土壤有机碳。C4-...
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    2024 - 07 - 15
    土壤氨基糖实验流程如下:一、实验方法及原理氨基糖在吡啶-甲醇溶液中,以 4-二甲氨基吡啶为催化剂的条件下与盐酸羟胺和乙酸酐发生糖腈乙酰酯反应, 所得衍生物可利用气相色谱测定。二、实验步骤2.1主要实验仪器   GC(毛细管分流进样口, FID检测器)鼓风烘箱(涵盖105℃,可定时8h)涡旋混合仪(2850rpm)离心机(50mL,3650rpm)冷冻干燥机水浴锅(45℃、80℃)旋转蒸发仪(100mL,65℃)离心机(5mL,8000rpm)2.2 实验步骤1、水解:称取约0.5~1.0g的土样于水解管中,沿管壁加入5 mL 6 mol/L盐酸,用氮气置换水解管中空气2min后密封。在烘箱中105℃放置8h水解。2、净化:a) 除酸:待水解液冷却至室温后,加入200μgN-甲基氨基葡萄糖(1mg/mL水溶液,200μL)。涡旋仪震荡30s混匀。取部分水解液于5mL离心管中,于8000rpm离心1min。取上清液2.5mL于50mL离心管中用氮气于65℃吹干。用25mL纯水溶解吹干后的残渣。加0.4mol/LKOH和0.01mol/LHCL调节pH至6.6~6.8。b) 除盐:离心管以3000rpm离心5min,转移出上清液于100mL茄型瓶中,于65℃,25rpm旋转蒸发至干。再加入10mL无水甲醇分两次溶解瓶中残渣。后转移至另一50mL离心管。氮吹至5mL以下,涡旋溶解管壁有机物后,以4000rpm离心5min,除盐。再将上清液转移到5mL衍生瓶中并加入100μg戊五醇(1mg/mL水溶液,100μL),于40℃氮气吹干。3、标准样品制备:同时准备3个标准样品。另取衍生瓶中加入100μL混标(1mg/mL的氨基葡萄糖、氨基半乳糖、氨基甘露糖,0.5mg/mL胞壁酸),100μgN-甲基氨基葡萄糖(1mg/mL水溶液,100μL),100μg戊...
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    2024 - 07 - 01
    原名:Conversion of SIC to SOC enhances soil carbon sequestration and soil structural stability in alpine ecosystems of the Qinghai-Tibet Plateau.译名:无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性。期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:9.7发表日期:2024.8(网络首发2024.5)第一作者:马云桥 青海大学高原生态与农业国家重点实验室(李希来课题组)一、背景陆地生态系统储存了大量的有机碳(SOC)和无机碳(SIC),土壤有机碳和土壤无机碳由非生物和微生物因素驱动具有潜在动态相互关系,对土壤结构和固碳有重要影响(图1)。同时青藏高原约占国土面积的五分之一,是我国巨大的碳库,因此对该区域生物和非生物因子介导的土壤有机碳和无机碳动态转化过程和机制研究显得尤为重要。图1 微生物驱动的有机碳和无机碳周转关系示意图二、科学问题(1)评估不同空间尺度下不同植被类型中聚集体的组成和稳定性;(2)量化SOC、MBC、DOC、SIC和碳水解酶酶活性(α-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶)的分布,以及不同植被类型不同土壤团聚体中细菌和真菌群落的组成和多样性;(3)分析调控团聚体内SOC和SIC动态转化的主要生物和非生物因子,以约束土壤团聚体形成与土壤碳库动态转化的关系。三、材料与方法(1)研究地点位于中国青海省河南-蒙古自治县(北纬34°05′-34°56′,东经100°53′-102°16′),海拔范围3400-4200米。(2)MS代表高寒草甸阳坡,SS代表高寒草甸阴坡,WR代表河滨湿地。每种地形的优势植物机水汽条件有所不同(...
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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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