研究發(fā)現(xiàn)植物草酸代謝途徑關(guān)鍵酶影響玉米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)

2018年9月10日，《The Plant Cell》在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所巫永睿研究組題為“Maize Oxalyl-CoA Decarboxylase1 Degrades Oxalate and Affects the Seed Metabolome and Nutritional Quality”的研究論文。該研究克隆和解析了玉米草酸降解途徑中的關(guān)鍵酶——草酰輔酶A脫羧酶，揭示了草酸代謝參與籽粒儲(chǔ)藏物質(zhì)積累和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)形成的分子機(jī)理。

草酸是最簡(jiǎn)單的二元酸，在植物體內(nèi)的含量非常高。草酸在調(diào)控金屬脅迫、離子平衡和昆蟲(chóng)防御等方面起積極作用。然而，過(guò)量草酸不僅會(huì)影響植物自身發(fā)育，也會(huì)影響包括鈣元素在內(nèi)的多種礦物金屬礦物元素的利用；人體從食物中攝入草酸過(guò)多會(huì)和鈣形成草酸鈣，誘發(fā)形成腎結(jié)石。有報(bào)道顯示，植物體內(nèi)存在草酸合成和降解途徑，其中一條降解途徑由4種酶共同作用，分別為草酰輔酶A合成酶、草酰輔酶A脫羧酶、甲酰輔酶A水解酶和甲酸脫氫酶。玉米中草酸的降解代謝途徑還未知，草酸與玉米籽粒發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)存儲(chǔ)和品質(zhì)調(diào)控的關(guān)系也不清楚。

研究人員克隆了玉米草酰輔酶A脫羧酶（Oxalyl-CoA Decarboxylase1，OCD1）基因，該基因突變以后籽粒胚乳呈現(xiàn)出粉質(zhì)的表型，同時(shí)籽粒的儲(chǔ)存物質(zhì)合成和粒重也發(fā)生下降。由于沒(méi)有商業(yè)化的草酰輔酶A脫羧酶底物草酰輔酶A，研究人員嘗試了多種方法，合成了較高純度的草酰輔酶A。體外和體內(nèi)的酶活試驗(yàn)證實(shí)草酰輔酶A脫羧酶可以降解草酰輔酶A產(chǎn)生甲酰輔酶A和二氧化碳。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)早先克隆的玉米經(jīng)典高賴氨酸突變體基因opaque7（o7）編碼草酰輔酶A合成酶，并證明O7可以催化草酸形成草酰輔酶A；另外，靶向和非靶向代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，玉米草酰輔酶A基因突變后籽粒胚乳的能量代謝、糖類、氨基酸以及激素含量均受到顯著影響。該項(xiàng)研究闡明了玉米草酸代謝的前2步反應(yīng)，并揭示了草酸降解途徑與籽粒胚乳發(fā)育、代謝和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的關(guān)系，為將來(lái)遺傳改良草酸含量較高的蔬菜（如菠菜）等提供了候選基因和分子機(jī)制。