海南大學(xué)南繁學(xué)院羅杰團隊發(fā)布脂肪酸代謝調控水稻產(chǎn)量重磅成果

文章導讀：

大多數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(cháng)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?；视停℉MG）占角質(zhì)單體的30%-60%。角質(zhì)單體的合成涉及長(cháng)鏈?；o酶A合成酶（LACS）、細胞色素P450酶（CYP450）和甘油-3磷酸?；D移酶（GPAT），但反應順序不確定，可能因物種而異。之前的研究中報道了脂肪酸還原酶（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。轉錄因子如AP2、HD-ZIP和MYB已被證明可調節角質(zhì)層合成。值得注意的是，雖然MADS家族轉錄因子廣泛調控植物花器官發(fā)育，但其對角質(zhì)層的調控仍未被發(fā)現。

2024年8月6日，nature communicaitons在線(xiàn)發(fā)表了海南大學(xué)羅杰教授團隊利用重測序、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代謝基因簇（參與合成和運輸）通過(guò)調節花藥育性來(lái)控制水稻產(chǎn)量。進(jìn)一步分析了這一初級代謝基因簇的調控及其進(jìn)化機制，為禾科作物的生態(tài)適應和雜交育種提供依據和遺傳資源。

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。本研究結合代謝和表型全基因組關(guān)聯(lián)研究，在3號染色體（FGC3）上發(fā)現了一個(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成員轉錄的變化來(lái)實(shí)現的。研究發(fā)現HMG在內質(zhì)網(wǎng)中依次由OsFAR2、OsKCS11、OsGPAT6、OsCYP704B2合成，隨后由OsABCG22和OsLTPL82轉運到外質(zhì)體。FGC3成員突變導致HMG減少，致使雄性生殖發(fā)育缺陷和產(chǎn)量顯著(zhù)下降。OsMADS6和OsMADS17直接調控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代謝基因簇對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用潛力。

部分研究結果:

1.mGWAS和pGWAS共同定位脂肪酸代謝基因簇

為了評估水稻的脂質(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)量之間的強相關(guān)性（圖1b）。結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，對這些候選基因進(jìn)行了獨立克隆。亞細胞定位表明，OsFAR2主要位于質(zhì)體中，而OsKCS11、OsCYP704B2和OsGPAT6位于內質(zhì)網(wǎng)，分別顯示了它們各自的功能區域。

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

然后利用酵母表達系統研究了預測的膜定位蛋白OsKCS11、OsCYP704B2和OsGPAT6的體外酶活性。研究結果發(fā)現OsKCS11用輔酶A （CoA）激活脂肪酸C16:0，產(chǎn)生C16:0 CoA（經(jīng)商業(yè)標準鑒定;圖2b，反應III）。當羥基脂肪酸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]+相對應（圖2b，反應IV），通過(guò)化學(xué)合成的標準物鑒定出16羥棕櫚?；鵆oA 。這些結果表明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)驗發(fā)現OsCYP704B2對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V和VI）。最后發(fā)現OsGPAT6可以與C16:0 CoA和C16:0（ω-OH） CoA反應，并將一個(gè)?；D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VII和VIII）。這些結果表明OsKCS11、OsCYP704B2和OsGPAT6催化了連續的代謝反應。當這些蛋白與C16:0孵育時(shí)，確實(shí)是這樣的情況，導致產(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:

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?；鵄CPs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，然后擴散到內質(zhì)網(wǎng)（ER）。角質(zhì)素單體HMGs隨后可在內質(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將其轉運到細胞壁的外質(zhì)體表皮，在此沉積角質(zhì)素。黑色箭頭表示本文中驗證的步驟，虛線(xiàn)箭頭表示未知步驟。

與國內專(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，本次升級主要包括3個(gè)方面：

1.數據庫升級：本次升級主要增加的為次生代謝物，數據庫目前包含35000+物質(zhì)，其中33000+種均為次生代謝物；

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

3.分析升級：MetMapTM的分析已經(jīng)升級到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，升級后的MetMap通路為KEGG擴展了2800+種新物質(zhì)；

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

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