海南大學(xué)南繁學(xué)院羅杰團(tuán)隊(duì)發(fā)布脂肪酸代謝調(diào)控水稻產(chǎn)量重磅成果

文章導(dǎo)讀：

大多數(shù)生物的表皮都被角質(zhì)層覆蓋，角質(zhì)是角質(zhì)層的主要成分之一，主要由16和18碳的長(zhǎng)鏈羥基脂肪酸組成。脂肪酸代謝產(chǎn)物羥基脂肪酸和羥基單酰基甘油（HMG）占角質(zhì)單體的30%-60%。角質(zhì)單體的合成涉及長(zhǎng)鏈?；o酶A合成酶（LACS）、細(xì)胞色素P450酶（CYP450）和甘油-3磷酸?；D(zhuǎn)移酶（GPAT），但反應(yīng)順序不確定，可能因物種而異。之前的研究中報(bào)道了脂肪酸還原酶（OsFAR2）和OsCYP704B2在水稻花藥角質(zhì)生物合成中的作用。角質(zhì)層除了控制水分流失外，還通過(guò)影響器官分化影響花器官的發(fā)育，從而影響作物產(chǎn)量。轉(zhuǎn)錄因子如AP2、HD-ZIP和MYB已被證明可調(diào)節(jié)角質(zhì)層合成。值得注意的是，雖然MADS家族轉(zhuǎn)錄因子廣泛調(diào)控植物花器官發(fā)育，但其對(duì)角質(zhì)層的調(diào)控仍未被發(fā)現(xiàn)。

2024年8月6日，nature communicaitons在線發(fā)表了海南大學(xué)羅杰教授團(tuán)隊(duì)利用重測(cè)序、廣泛靶向代謝組技術(shù)手段，確定了真核脂肪酸和植物初級(jí)代謝基因簇（參與合成和運(yùn)輸）通過(guò)調(diào)節(jié)花藥育性來(lái)控制水稻產(chǎn)量。進(jìn)一步分析了這一初級(jí)代謝基因簇的調(diào)控及其進(jìn)化機(jī)制，為禾科作物的生態(tài)適應(yīng)和雜交育種提供依據(jù)和遺傳資源。

研究摘要：

真核生物基因組中存在種類(lèi)繁多的代謝基因簇，但脂肪酸代謝基因簇尚未被發(fā)現(xiàn)。本研究結(jié)合代謝和表型全基因組關(guān)聯(lián)研究，在3號(hào)染色體（FGC3）上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)包含6個(gè)基因的脂肪酸代謝基因簇的主要位點(diǎn)，該基因簇控制角質(zhì)單體羥基單?；视停℉MGs）的含量和水稻產(chǎn)量，可能是通過(guò)FGC3成員轉(zhuǎn)錄的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。研究發(fā)現(xiàn)HMG在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中依次由OsFAR2、OsKCS11、OsGPAT6、OsCYP704B2合成，隨后由OsABCG22和OsLTPL82轉(zhuǎn)運(yùn)到外質(zhì)體。FGC3成員突變導(dǎo)致HMG減少，致使雄性生殖發(fā)育缺陷和產(chǎn)量顯著下降。OsMADS6和OsMADS17直接調(diào)控FGC3，從而影響雄性生殖和產(chǎn)量。FGC3在禾科中是保守的，很可能形成于原禾屬植物Pharus latifolius分化之前。所鑒定的真核脂肪酸和植物初級(jí)代謝基因簇對(duì)禾本科植物的起源和進(jìn)化有重要影響，在雜交作物育種中具有應(yīng)用潛力。

部分研究結(jié)果:

1.mGWAS和pGWAS共同定位脂肪酸代謝基因簇

為了評(píng)估水稻的脂質(zhì)變異，從全球533種水稻（Oryza sativa）中收集了糙米樣本，并使用廣泛靶向代謝組學(xué)分析策略對(duì)脂質(zhì)代謝物進(jìn)行了高通量定量分析，共鑒定到267種脂質(zhì)代謝物。結(jié)果表明游離脂肪酸（FFAs）和羥基脂肪酸（HFAs）幾乎都在粳稻品種中富集。代謝全基因組關(guān)聯(lián)研究（mGWAS）顯示，3號(hào)染色體上3.6 Mb的一個(gè)主要位點(diǎn)由這些脂肪酸定位（Fig. 1a）。有趣的是，表型全基因組關(guān)聯(lián)研究（pGWAS）揭示了這個(gè)位點(diǎn)與水稻單株產(chǎn)量（圖1a）和小穗育性共定位。進(jìn)一步分析揭示了脂肪酸含量與單株產(chǎn)量之間的強(qiáng)相關(guān)性（圖1b）。結(jié)合脂肪酸的代謝途徑和該位點(diǎn)的基因注釋?zhuān)b定出5個(gè)主要候選基因（圖1c）。此外在該位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)注釋基因。

圖1 候選基因篩選分析

2.FGC3合成成員功能分析

為了研究這些合成成員（OsFAR2、OsKCS11、OsGPAT6和OsCYP704B2）的代謝作用，對(duì)這些候選基因進(jìn)行了獨(dú)立克隆。亞細(xì)胞定位表明，OsFAR2主要位于質(zhì)體中，而OsKCS11、OsCYP704B2和OsGPAT6位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，分別顯示了它們各自的功能區(qū)域。

將OsFAR2重組蛋白在大腸桿菌原核表達(dá)系統(tǒng)中表達(dá)，并與棕櫚酰?；d體蛋白（C16:0 ACP）孵育，用標(biāo)準(zhǔn)品鑒定其反應(yīng)產(chǎn)物為棕櫚醇（圖2a，反應(yīng)I），當(dāng)OsFAR2與棕櫚酰輔酶a （C16:0 CoA）孵育時(shí)，也檢測(cè)到C16:0醇的產(chǎn)生，但比反應(yīng)I的速率低（圖2a）。以上結(jié)果表明，OsFAR2可以在體外催化合成C16:0醇，可用于合成下游代謝反應(yīng)所需的C16:0。

然后利用酵母表達(dá)系統(tǒng)研究了預(yù)測(cè)的膜定位蛋白OsKCS11、OsCYP704B2和OsGPAT6的體外酶活性。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)OsKCS11用輔酶A （CoA）激活脂肪酸C16:0，產(chǎn)生C16:0 CoA（經(jīng)商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鑒定;圖2b，反應(yīng)III）。當(dāng)羥基脂肪酸C16:0（ω-OH）作為底物時(shí)，生成的化合物的質(zhì)量與M /z 1022.3434處的前體離子[M+H]+相對(duì)應(yīng)（圖2b，反應(yīng)IV），通過(guò)化學(xué)合成的標(biāo)準(zhǔn)物鑒定出16羥棕櫚?；鵆oA 。這些結(jié)果表明OsKCS11可以同時(shí)使用脂肪酸和羥基脂肪酸作為底物。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)OsCYP704B2對(duì)C16:0和C16:0 CoA都有活性，分別生成C16:0（ω-OH） 和C16:0（ω-OH） CoA（圖2c，反應(yīng)V和VI）。最后發(fā)現(xiàn)OsGPAT6可以與C16:0 CoA和C16:0（ω-OH） CoA反應(yīng)，并將一個(gè)?；D(zhuǎn)移到G3P上，生成2-棕櫚酰甘油（MG16: 0,5）和16羥基十六烷酰甘油（HMG16: 0;圖2d，反應(yīng)VII和VIII）。這些結(jié)果表明OsKCS11、OsCYP704B2和OsGPAT6催化了連續(xù)的代謝反應(yīng)。當(dāng)這些蛋白與C16:0孵育時(shí)，確實(shí)是這樣的情況，導(dǎo)致產(chǎn)生C16:0輔酶A作為中間產(chǎn)物，HMG16:0作為終產(chǎn)物（圖2e）。這些結(jié)果也提示了HMG生物合成的兩種可能的合成途徑，即OsCYP704B2-OsKCS11OsGPAT6和OsKCS11-OsCYP704B2-OsGPAT6，它們形成了一條發(fā)散通路（圖2f）。

圖2 FGC3的功能分析

研究小結(jié):

角質(zhì)素單體生物合成途徑的模型：重新合成和酯化的脂肪酰基ACPs首先被OsFAR2在質(zhì)體中還原為脂肪醇，然后通過(guò)未知基因產(chǎn)生脂肪酸，然后擴(kuò)散到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）。角質(zhì)素單體HMGs隨后可在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中通過(guò)OsCYP704B2-OsKCS11-OsGPAT6或OsKCS11OsCYP704B2-OsGPAT6兩種主要合成途徑中的任何一種，通過(guò)OsABCG22和OsLTPL82將其轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞壁的外質(zhì)體表皮，在此沉積角質(zhì)素。黑色箭頭表示本文中驗(yàn)證的步驟，虛線箭頭表示未知步驟。

與國(guó)內(nèi)專(zhuān)家們的研究腳步保持一致，我們也步履不停，在2024年上半年我們已經(jīng)完成了植物廣泛靶向?代謝組產(chǎn)品的升級(jí)，本次升級(jí)主要包括3個(gè)方面：

1.數(shù)據(jù)庫(kù)升級(jí)：本次升級(jí)主要增加的為次生代謝物，數(shù)據(jù)庫(kù)目前包含35000+物質(zhì)，其中33000+種均為次生代謝物；

2.檢出升級(jí)：檢出有了顯著的提升，目前植物廣泛靶向?代謝組的最高檢出可以達(dá)到4000個(gè)物質(zhì)，Level1平均可以達(dá)到600+，最高可到900+；

3.分析升級(jí)：MetMapTM的分析已經(jīng)升級(jí)到V2.0版本，包含有60條代謝通路，相較于V1.2版本新增30條通路，通路覆蓋黃酮、萜類(lèi)、生物堿、香豆素等次生物質(zhì)通路，升級(jí)后的MetMap通路為KEGG擴(kuò)展了2800+種新物質(zhì)；

4.工具升級(jí)：基于邁維云搭建全新的物質(zhì)功能詞典V2.0查詢(xún)平臺(tái)，累計(jì)超過(guò)3500條物質(zhì)功能信息，為核心功能物質(zhì)篩選加速；

歡迎老師們咨詢(xún)~