论文部分内容阅读
植物中存在各种各样的修饰化反应,能够产生大量结构多样性的代谢物,这些反应通常能够改变这些代谢物前体的生物学功能。糖基转移酶介导的糖基化反应是引起次生代谢物多样性的主要反应之一。类黄酮是一类广泛存在于植物体内的次生代谢产物,在植物的生长发育过程中发挥至关重要的作用。尽管黄酮醇(类黄酮的一个分支)在模式植物拟南芥中已经被广泛研究,其代谢途径的调控也比较清楚,但是作为类黄酮的另外一个分支,黄酮以及由糖基转移酶合成的糖基化的产物却鲜有报道。这些代谢物在模式作物如水稻中的自然变异仍待解析。在本研究中,我们解析了水稻中黄酮的自然变异及其遗传和生化基础。通过液质联用技术,结合广泛靶向的检测方法,我们测定了7个囊括原始被子植物、单子叶、双子叶等不同植物叶片中包括黄酮、黄酮醇和黄烷酮在内的类黄酮代谢谱。检测结果表明糖基化黄酮的积累具有物种特异性,在单子叶植物例如水稻中含量很高,这一特点正好为后续解析水稻中黄酮的自然变异提供便利。另外,基于代谢物的全基因组关联分析方法鉴定了三个水稻中控制黄酮糖基化的主要位点,这些位点分布在第1和5号染色体上。在这些位点内部的糖基转移酶被认为是控制水稻类黄酮自然变异的候选基因。进化树结果表明,大部分候选的糖基转移酶可以形成一个独立的分支。体外的酶活力检测实验结果进一步表明:OsUGT706D2,OsUGT706B1,OsUGT706C3,OsUGT706C1和OsUGT705A1具有糖基化黄酮醇的活力,而OsUGT706D1,OsUGT706E1,OsUGT705A2和OsUGT706C4具有糖基化黄酮的活力。对OsUGT706D1基因的超表达植株进行代谢物分析,结果表明该超表达植株中黄酮糖基化产物明显积累,因此OsUGT706D1被鉴定为水稻中的黄酮7-O-葡萄糖苷转移酶。进一步的统计分析结果说明位于OsUGT706D1基因编码区的SNPs是决定水稻中黄酮7-O-糖苷的功能性位点。同时,OsUGT706D1蛋白的三维结构模型预测结果显示,尽管该蛋白中的第83位氨基酸残基靠近底物结合区域,但是该氨基酸由脯氨酸变为亮氨酸时并不会引起蛋白三维结构的变化。相反地,几个远离底物结合口袋的氨基酸对蛋白的酶活力大小具有关键作用。比较基因组学和生化分析的结果表明黄酮7-O-糖苷转移酶在被子植物中是保守的。综上所述,我们的研究表明正向遗传学手段结合基因-代谢物分析方法不仅是解析黄酮代谢途径调控的遗传和生化基础的强有力工具,也是鉴定基因功能和结合多组学数据提高作物育种的重要途径。