PBJ | |丝氨酸/甘氨酸代谢网络助推作物氮含量提升

学术   2024-10-27 22:31   英国  

L-丝氨酸作为一种蛋白质氨基酸,参与多种关键的生物过程,如酶的催化与调控,以及细胞分裂和生长所需的重要生物分子的合成.植物中的丝氨酸合成主要通过两个途径:光呼吸(GPSB)和丝氨酸生物合成的磷酸化途径(PPSB).由于GPSB依赖大气中CO₂浓度,目前不断增加的大气CO₂浓度可能会损害通过GPSB途径合成丝氨酸,因此,PPSB对丝氨酸代谢的贡献可能更为重要.然而,PPSB的研究目前较为缺乏.近日,西班牙瓦伦西亚大学生物技术和生物医学研究所Roc Ros团队在国际知名学术期刊Plant Biotechnology Journal上在线发表了题为"Metabolic engineering of the serine/glycine network as a means to improve the nitrogen content of crops"的研究论文.旨在探究C3和C4植物中PPSB途径的异同,以及PPSB如何在不同CO₂浓度下影响氮代谢,并挖掘PPSB途径中的关键限速酶.


首先,作者在C3植物拟南芥中过表达了PPSB途径的关键基因:PGDH1、PSAT1和PSP1.发现在正常和高CO₂条件下,这些基因的过表达导致氨基酸(如丝氨酸、苏氨酸)的显著增加,蛋白质和淀粉含量也有所上升.在高CO₂下,PPSB对丝氨酸生成的贡献较GPSB更显著.此外,单独过表达PGDH1后氨基酸、蛋白质和淀粉含量大幅提升,表明PGDH1是拟南芥PPSB的限速酶.

 

1. PPSB过表达导致拟南芥氨基酸、蛋白质和淀粉含量升高


作者也在C4植物玉米中使用CRISPR/Cas9敲除PSP1基因,发现敲除株系的花粉活力显著下降,表明PPSB对玉米花粉发育至关重要.在玉米中过表达拟南芥中的关键限速酶PGDH1增加了蛋白质含量,提高了氮/碳比,但对淀粉无显著影响.

 

2. 玉米中敲除PSP1或过表达PGDH1

总之,文章研究表明,PPSB在高CO₂条件下对氮代谢至关重要,尤其在C4植物中更具作用.该研究为提高作物氮含量提供了新的思路,尤其在未来大气CO₂浓度升高的背景下,通过代谢工程调控PPSB途径具有潜在的农业应用价值.




原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14495

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