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成都生物所揭示植物调节剂调控浮萍高淀粉积累机制

生物技术 时间:2019-11-27 05:33:04 作者:莫敖坤
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水生植物浮萍具有生长速度快(2天生物量增加一倍)、生物量大(每公顷年产干重可达50吨)的特点,而且能够高效利用废水中的氮、磷转化为生物质。特别是浮萍的品质优良,不仅木质素、纤维素含量低,而且淀粉含量高。这些优良品质和能将环境治理与生物质生产结合的特点使得浮萍已成为研究开发的热点。

中国科学院成都生物研究所赵海研究团队在多年工作的基础上,成功实现了7天内浮萍淀粉含量可由2.98%迅速积累到45.36%,并在中试实验中批量生产获得了淀粉含量达43%的浮萍材料。为了进一步提高淀粉的产量并有利于大规模生产上的操作实施,该团队通过系统筛选植物生长调节剂来提高淀粉的产量。不仅筛选出高效的促淀粉生产的植物调节剂烯效唑,而且对烯效唑与内源激素的相互关系及其对光合作用、淀粉合成、淀粉降解的机制进行了深入的研究,目前已取得突破性进展。

1、从21种植物生长调节剂中筛选出在富营养条件下对浮萍生长和淀粉积累均有促进作用的烯效唑,同时发现在喷洒烯效唑后浮萍相关内源激素水平及叶绿素含量发生变化,并结合二代测序技术进行内源激素和叶绿素代谢相关的转录组分析。结果显示:在均匀喷洒烯效唑后,浮萍最终的干重相比对照增加了10%,总的淀粉量是对照的3.4倍,同时内源CK和ABA含量上升,GA含量下降,另外叶绿素含量和净光合速率均较对照有所增加。转录组数据分析揭示:烯效唑通过调节内源激素和叶绿素生物代谢中的关键酶而改变内源激素水平,并增加叶绿素含量和净光合速率,最终导致生物量和淀粉积累的增加。这项工作对浮萍经烯效唑处理后的转录组情况进行了较详尽的描述,揭示了烯效唑促进浮萍生长的相关机制,同时为今后植物激素应用于浮萍后淀粉代谢调控的分子生物学研究提供了有价值的信息。

2、结合二代测序技术对内源激素和淀粉积累之间的关系进行了研究,发现内源激素通过对淀粉代谢途径相关基因的表达进行调控,最终导致淀粉的积累。结果显示,喷施烯效唑后,浮萍的淀粉含量由最初的3.2%提高到45%(干重)。喷施烯效唑引起的内源激素的变化主要是通过以下途径对淀粉的积累发生作用:脱落酸(ABA)含量的增加促进淀粉合成限速酶AGPase基因大量表达,从而促进淀粉的积累;玉米素核苷(ZR)通过抑制叶绿素的降解来提高叶绿素含量,进而提高光合作用及其产物的积累;低含量的赤霉素(GA)抑制淀粉降解关键酶α-淀粉酶的活性。最终在三者的协同调控下实现了淀粉的快速积累。总体而言,即通过增加光合效率增加了碳的来源,同时结合淀粉合成的增加与淀粉降解的减少,最终实现了淀粉的快速积累。

3、运用了iTRAQ 蛋白组分析技术对经烯效唑处理的浮萍蛋白表达水平进行了研究,表明蛋白组的表达情况和淀粉变化、酶活数据及前期转录组数据具有很好的一致性。对总蛋白进行识别、差异蛋白GO功能注释和pathway富集分析后,进一步对蛋白组表达与转录进行关联性分析。结合生理生化分析,包括激素含量和淀粉量测定,进而对内源性激素合成通路和淀粉代谢中相关酶的表达量进行分析,结果表明: ①基于转录组数据建立蛋白质搜索库增加了蛋白质识别,总共鉴定到了3327个蛋白;②激素含量测定发现,脱落酸(ABA)和玉米素-核糖核苷(ZR)的含量升高,而赤霉素(GA)的含量降低。该项研究从组分表征、酶学分析、转录组和蛋白组4个水平对烯效唑处理下浮萍高淀粉积累的分子机制进行了系统地解析,并从不同的角度和水平获得了相互印证的结论,这一工作不仅对浮萍淀粉积累机制的研究具有重要价值,而且对非模式植物的代谢通路的深入研究具有借鉴意义。

以上前两项研究成果以博士研究生刘洋、助理研究员方扬为共同第一作者,并以系列文章的形式连续发表在国际刊物Biotechnology for Biofuels上;蛋白质组研究成果以博士研究生黄孟军、助理研究员方扬为共同第一作者,发表在另一国际刊物BMC Biotechnology上。

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