安徽农业大学赵剑课题组在大豆和茶树代谢生物学领域取得系列成果

BioArt植物 · 公众号 · · 2021-01-01 19:55

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责编 | 奕梵

大豆是高能量聚集度且可生物固氮的可持续农业生产的重要作物。大豆种子含有高达30-40%食用蛋白和20%左右的食用油脂。中国近几年进口大豆量继续攀升从6千万吨到近一亿吨。但古四倍体大豆的功能基因组学研究难度大，进展缓慢。安徽农业大学赵剑团队一方面开展茶树黄酮类等特征性次生代谢研究，也在国家重点研发和自然科学基金等项目的继续支持下，开展与大豆营养品质形成机理相关的大豆功能基因组学研究，并在近2年取得了系列研究成果, 先后发表1篇 Biotechnology for Biofuels , 1篇 Plant Biotechnology Journal ，3篇 Plant Journal , 和1篇 Journal of Experimental Botany 。

2019年1月， Biotechnology for Biofuels 发表了赵剑团队博士后 张高阳 为第一作者的研究成果，解析了转基因大豆磷脂酶D（PLD1）突变体种子在高温高湿度环境中展现更强的抗逆抗衰老变质的分子机理。

大豆起源于温带，而在亚热带高温高湿度环境中生长成熟的大豆种子极易变质衰败，种子活力迅速下降或丧失。这是除了酸铝胁迫外另一个限制大豆在南方种植的主要因素。在种子中特异地抑制大豆PLD1基因表达，大豆种子更加耐受高温高湿度环境对发育过程种子的胁迫，以及延缓成熟种子衰败变质（seed deterioration）和活力丧失。此外，PLD1突变体种子中脂肪酸含量增加，磷脂酸含量减少，种子活力显著提升，也显著延缓了长时间高温高湿保存导致的大豆种子衰老。 这一研究为解决在高温高湿度频发的长江中下游地区生产大豆面临的问题提供思路。

TAG与磷脂代谢涉及PLDα1之间的代谢模式图

2019年7月， Plant Biotechnology Journal 在线发表了赵剑课题组博士生 陈贝贝 为第一作者的研究成果，解析了GmWRI1基因调节大豆种子油脂合成及根瘤固氮的分子机理。

该研究发现，多拷贝的GmWRI1基因，包括GmWRI1a， 1b及其剪切本都可直接调节糖酵解和脂肪酸合成途径基因。GmWRI1a, 1b同时在根系和根瘤中高表达，调节根瘤中磷脂和糖酯MGDG的合成，从而影响根瘤发育。有意思的是，该研究同时发现大豆根瘤发育和固氮同时可能存在与先前在豆科-内生丛枝菌互作和脂类物质作为主要碳源类似的现象，即单酯酰甘油（MAG）合成和转运可能提供给根瘤细胞和根瘤菌作为碳源，合成膜酯和糖酯。此外，GmWRI1基因也通过调节生长素合成修饰，进而参与根瘤的发育。 本研究揭示了GmWRI1基因的一因多效和对多种农艺性状的贡献。

2019年9月， Plant Journal 在线发表了赵剑课题组博士后 Muhammad Zulfiqar Ahmad 为第一作者的研究成果，解析了独脚金内脂 Strigolactones（SL）和丁烯羟酸内酯Karrikins（KARs）信号途径基因GmMAX2 和D14或D14-like（D14L）基因参与大豆根瘤发育的分子机理。

KARs与SLs在结构、信号传导通路等方面相似度高，其受体蛋白D14和 KAI均与F-box蛋白GmMAX2a互作，但D14L的多拷贝蛋白则与GmMAX2a的互作有差异。不但GmMAX2a突变体有结瘤表型，其互作蛋白KAI2和D14L的编码基因突变也导致结瘤表型及结瘤基因表达改变。根瘤菌侵染能促进KAI2和D14L基因及其下游抑制子D53或 SMAX1的表达。 本研究可解释有限根瘤和无限根瘤豆科品种的MAX2同源基因的不同结瘤效应。

推测的SL/KAR激素信号介导大豆结瘤的工作模式图

2020年5月， Plant Journal 在线发表了赵剑课题组博士后 张高阳 为第一作者的揭示在脂质代谢组，转录组和根瘤发育关系的研究成果。

一些研究表明脂肪酸合成和脂质转运是根瘤发生发育过程中必需的生理过程，如MAG是豆科根系提供给内生丛枝菌的主要碳源，供丛枝菌发生发育，缺乏MAG合成的突变体根系没有丛枝菌的产生。但在根瘤菌和根系的互作中普遍认为植物根细胞提供的碳源形式是氨基酸，二碳羧酸等有机酸，但脂质如何参与根瘤发生发育尚不清楚。通过对不同发育时期的根瘤和根的转录组，脂质代谢组，碳水化合物（糖和淀粉等）的分析，发现类似的高度活跃的糖酵解途径，脂肪酸合成，MAG和糖酯的合成。RAML-WRI-FatM-GPAT-STRL 的MAG合成和转运途径基因在根瘤中被显著地高表达，MAG合成对根瘤可能也很关键。 因而推测MAG可能被大量合成并提供给根瘤细胞和根瘤菌作为碳源。

根瘤菌激活糖酵解和脂质代谢及其参与大豆根瘤发生发育的工作模式

2020年11月， Journal of Experimental Botany 在线发表了赵剑课题组博士后 Muhammad Zulfiqar Ahmad 为第一作者的研究成果。该研究鉴定了一个在大豆根中和种子中均高表达的丙二酰辅酶A异黄酮酰基转移酶GmMaT2。

大豆种子、叶片、根系中合成积累大量异黄酮类代谢物，起到保护植物免受非生物和生物损害、及参与和根瘤菌和丛枝菌的互作等功能。而丙二酰化的异黄酮类如6''-O-丙二酰基大豆苷、染料木苷、黄豆黄苷等占大豆异黄酮总量的50-70%之多，但主要合成酶及其特定生理功能尚不清楚。在之前课题组鉴定2个异黄酮酰基转移酶GmIMaT1和GmIMaT3 (Frontiers in Plant Science, 2017, 8:735 ) 基础上，又鉴定了一个可被根瘤菌诱导的，在大豆种子、子叶和根系、根瘤中均有较高表达量的异黄酮乙酰基转移酶GmMaT2。体外表达酶活性测定及发根转基因分析均展示该基因编码的酶可利用异黄酮糖苷做底物，丙二酰辅酶A为乙酰基供体，形成相应的丙二酰基异黄酮苷。尽管活力和底物特异性低于GmIMaT3和GmIMaT1。进一步研究发现，具有转基因发根的嵌合转基因大豆苗的结瘤能力发生改变：过表达GmMaT2发根促进根瘤形成，而抑制GmMaT2则减少根瘤形成。这个和合成丙二酰基异黄酮苷的多少直接相关。这些丙二酰基异黄酮苷也可诱导Nod基因表达，促进大豆根系结瘤。加上其与一些ABCG转运体共表达，因而推测，根瘤菌诱导的GmMaT2表达应与根瘤菌-根毛互作中，丙二酰基异黄酮苷的合成和被转运出细胞，并被细胞壁结合的异黄酮糖苷水解酶水解成大豆苷、染料木苷、黄豆黄苷等苷元。GmMaT4则没有这些效应。 该研究阐述了一个催化异黄酮类代谢物修饰的酶功能及其参与的具体生理过程。

大豆根黄酮及异黄酮类代谢物及修饰酶GmMaT2参与激活根瘤菌和根瘤诱导的模式图

2020年12月29日， Plant Journal 在线发表了赵剑课题组博士后博士后 张高阳 为第一作者的研究成果，该研究揭示磷脂酶D及其酶产物磷脂酸PA参与大豆根瘤发育的分子机制。

磷脂酶D已经被大量报道参与植物非生物逆境胁迫响应及植物-微生物互作。尽管之前的研究均表明不同PLD同源基因参与植物与病原微生物-细菌或真菌-的互作、共生有益内生菌互作，但详细机理仍不清楚。已知，除了磷脂酶C来源，PLD是PA的重要来源。GmPLD1在根中表达远高于发育初期的根瘤。在根瘤菌接种后的持续分析表明，主要的PLD基因GmPLD1表达，酶活，及PA 的含量在长时间内一定范围波动。根瘤菌侵染较迅速诱导一波动峰，然后下降，在几小时后又上升。GmPLD1过表达（GmPLD1-OE）显著抑制根瘤形成，减少根瘤数目；GmPLD1敲除突变体发根（GmPLD1-KD）则促进根瘤发生。但令人不解的是，用PLD产生PA的特异抑制剂n-butanol处理能显著抑制根瘤菌诱导的PA合成同时也抑制了结瘤。这些都预示了在大豆根毛和根瘤菌互作过程中，PA是被多种酶合成机制控制在适当范围内：过多的PA激活ABA信号及H2O2的合成，而只有适度量的PA是对根瘤菌互作和信号有促进的。进一步研究发现，PA也可与大豆中的戴帽蛋白capping protein

安徽农业大学赵剑课题组在大豆和茶树代谢生物学领域取得系列成果

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