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于是该研究组设想通过延长油脂合成时间来增加种子油脂含量,多家研究机构针对蓖麻种子累积蓖麻油酸的分子机制开展研究

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大多数植物在种子中储存油脂和蛋白质作为储备能量。该研究组在探究植物种子合成和分解油脂的机理中发现,植物种子在种子形成中期合成油脂,种子形成后期合成蛋白质。于是该研究组设想通过延长油脂合成时间来增加种子油脂含量。

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该成果以Identification of genes associated with ricinoieic acid
accumulation in hiptage benghalensis via transcriptome
analysis
于是该研究组设想通过延长油脂合成时间来增加种子油脂含量,多家研究机构针对蓖麻种子累积蓖麻油酸的分子机制开展研究。为题,发表于生物能源领域学术期刊《生物燃料的生物技术》(Biotechnology
for Biofuels
)。该研究得到国家基金项目(31371661,
30900908)、中科院生物多样性与生物地理学重点实验室(KLBB201305)、加拿大自然科学和工程研究基金委员会发现资助计划(
RGPIN-2016-05926)和加拿大研究席位计划(Canada Research Chairs
Program)的资助。

11月11日,据日媒报道,日本基础生物学研究所通过延长油脂合成基因表达时间,成功提高了油料作物种子的油脂含量。10月26日,该研究成果已发表在《植物生物技术杂志》(Plant
Biotechnology Journal)电子版上。

胚乳一般是指被子植物在双受精过程中精子与极核融合后形成的滋养组织,也称内胚乳。

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禾谷类作物水稻、玉米和小麦是目前世界上最重要的三大粮食作物,它们种子的胚乳和胚中储藏有大量的碳水化合物、蛋白质和油脂。这些储藏物质为人类日常生活提供最基本的热量和蛋白质,是国家粮食安全的重要基础。在禾谷类种子发育过程中,胚乳的功能一方面是作为主要储藏器官积累储藏物质直至成熟和脱水凋亡,另一方面是将光合同化物从母体植株分配至胚中,从而负责滋养胚的生长发育。胚乳和胚之间存在协调的营养配置,然而胚如何去感受胚乳的营养状态,响应胚乳的营养孵育,以及该过程如何被调控,这是植物种子发育过程中至关重要但被长期忽视的基础科学问题。

论文链接

巫永睿研究组发现蛋白质组重平衡不仅发生在胚乳蛋白质组中,同时也发生在胚乳和胚之间。对胚乳醇溶蛋白进行不同水平的RNAi转基因敲低表达,发现胚中球蛋白Globulin会呈现成比例的上升积累,暗示胚能够敏感、特异地感受和响应胚乳的营养状态。蛋白质组重平衡可以作为一个全新的报告系统研究胚乳和胚之间的营养配置。利用该系统,巫永睿研究组发现胚乳和胚之间的关键连接部分——盾片响应了二者之间的营养重分配。蛋白质组重平衡不仅上调了胚中Globulin以及碳水化合物、氨基酸、硫同化等营养代谢通路相关基因的表达,也促进了盾片中蛋白质储存泡
的生成,扩张了盾片细胞的大小。研究进一步发现,盾片特异表达的VIVIPAROUS-1
转录因子直接参与了Globulin和营养代谢通路相关基因的转录调控。醇溶蛋白RNAi无法在vp1突变体中驱动胚乳与胚之间的蛋白质重分配。vp1突变体胚中也存在严重缺陷的盾片发育和营养同化。综上这些结果证明了VP1直接调控玉米胚盾片的发育,并参与控制胚同化胚乳重分配营养的过程。

蓖麻油酸的脂肪酸链上含有一个羟基官能团,是一种特殊脂肪酸,具有粘度高、酸度低、耐高温、不易氧化、不易凝固等特点,在500~600℃高温下不变质、不燃烧,零下18℃的低温下不凝固等特殊性能。利用蓖麻油生成的化学衍生物已达3000多种,广泛应用于国防、航空、航天、化工医药和机械制造等,是目前能替代石油生产化工原料最理想的绿色可再生“石油”。目前,蓖麻(Ricinus
communis
)种子是蓖麻油酸的主要来源,由于其含有大量毒性极强的蓖麻毒蛋白和过敏蛋白,大大限制了蓖麻的大规模种植。多年来,多家研究机构针对蓖麻种子累积蓖麻油酸的分子机制开展研究,并试图通过基因工程的方法培育能替代蓖麻生产蓖麻油酸的油料作物新品种,但仍存在难以逾越的瓶颈,未取得实质性的突破。广泛发掘大量累积蓖麻油酸的新物种,将有利于开发新的植物资源和更深入地研究蓖麻油酸累积的分子机制。

关于胚乳

推测的风筝果种子蓖麻油酸和TAG生物合成的基因网络图

该工作谨献给美国罗格斯大学瓦克斯曼研究所教授Joachim Messing
,以纪念他在玉米储存蛋白基因家族进化、结构变异、遗传调控及品质改良方面的杰出贡献。该工作用到的所有醇溶蛋白基因RNAi原始材料都是由本文通讯作者及前任同事多年前在Joachim
Messing实验室所创建。分子植物卓越中心博士生郑喜喜和黎颀为该研究论文共同第一作者,博士后李长生、博士生肖俏、上海交通大学副教授王文琴和博士安冬合作参与了该项研究工作。该研究得到科学技术部、国家自然科学基金、中科院相关计划等的资助。

为了揭示风筝果种子累积蓖麻油酸的分子机制,中国科学院西双版纳热带植物园药用植物栽培技术研究组研究人员田波等与加拿大阿尔伯塔大学合作者对风筝果种子发育过程中的转录组进行了比较分析。结合发育时期种子的三代全长转录组和5个种子不同发育时期的二代转录组数据,从差异表达基因中鉴定得到71个参与油脂代谢的重要基因以及246个转录因子和124个长片段非编码RNA,通过共表达网络分析,进一步鉴定获得与关键油脂代谢基因高度相关的转录因子57个及lncRNAs35个,分别对重要的油脂代谢基因及转录因子和lncRNAs在风筝果种子蓖麻油酸累积中的作用进行了分析,构建了展示各基因表达模式的风筝果种子油脂代谢的网络图。该研究结果将为深入开展风筝果以及植物种子累积蓖麻油酸的分子机制的研究奠定基础,将为风筝果新资源植物的开发利用提供理论依据。

9月17日,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在The
Plant Cell 杂志上在线发表了题为Intra-Kernel Reallocation of Proteins in
Maize Depends on VP1-Mediated Scutellum Development and Nutrient
Assimilation
的研究论文。该研究揭示了玉米籽粒中储藏蛋白从胚乳向胚重分配的分子调控机制。

风筝果(Hiptage
benghalensis
)为金虎尾科风筝果属植物,为藤本或藤状灌木,主要分布于热带亚洲,风筝果在我国分布范围较广,在云南、贵州、广西、广东、福建、海南和台湾均有分布。风筝果因其为藤本植物,且花大而多,可作为庭院观赏植物栽培,在印度和泰国为常用的药用植物,用于治疗疥疮、风湿、哮喘等疾病。风筝果种子油含量约50%,种子油中蓖麻油酸的含量约80%,风筝果是一种潜在的蓖麻油酸资源植物,但关于风筝果种子累积蓖麻油酸分子机制的研究报道较少。

玉米胚乳主要储藏蛋白是醇溶蛋白,基本不含必需氨基酸赖氨酸,营养品质极差;而胚的主要储藏蛋白是球蛋白,富含赖氨酸。20世纪60年代,Oliver
E. Nelson和Edwin T.
Mertz等美国玉米遗传学家发现一些玉米粉质胚乳突变体如opaque2中醇溶蛋白合成大量下降,而富含赖氨酸的非醇溶蛋白互补性上升,这使籽粒总蛋白水平基本保持稳定的同时,赖氨酸含量明显增加,该过程后来称之为蛋白质组重平衡
。opaque2驱动的蛋白质组重平衡对于蛋白营养品质提升至关重要,是优质蛋白玉米
育种的分子基础。

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