水稻籽粒赖氨酸累积的分子调控及其代谢关联研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31471459
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    90.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C1307.作物基因组及遗传学
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Plants collectively synthesize lots of metabolites, which exhibit diverse functions during plant growth, development as well as quality formation. Lysine is the first limiting essential amino acid in cereal crops, especially in rice. Efforts, including genetic engineering, thus far have not achieved a desirable level of lysine in rice. The synthesis and degradation of lysine is regulated by a complex metabolic network. In higher plants, the aspartate-family pathway, synthesizes, through several different metabolic branches, four essential amino acids including lysine. It has a strong metabolic connection with the other pathway such as the cellular energy metabolism, revealing the multifaceted role of aspartate-family pathway in plant metabolism. In previous studies, we engineered rice for increased lysine through expressing bacterial lysine feedback-insensitive aspartate kinase (AK) and dihydrodipicolinate synthase (DHPS) to enhance lysine biosynthesis; through RNA interference or knockdown of rice lysine ketoglutaric acid reductase/saccharopine dehydropine dehydrogenase (LKR/SDH) to down-regulate its catabolism; and by combined expressing AK and DHPS and interference of LKR/SDH to achieve both metabolic effects. Results showed that free lysine content was greatly increased up to ~60-fold in seeds comparing with that in wild type. Unfortunately, the transgenic events with dramatic increase of lysine content did lead to observable changes in endosperm development, color appearance of kernels as well as seed germination. In present study, with the aim to better understand the metabolic regulation of lysine accumulation in rice, the different above transgenic lines will be used, and their transcriptome and metabolome will be compared among them by using system biological methods. Besides, the phenotype of kernel development and germination will also carefully be analyzed. The expected data and results will being made to understand biological processes associated with the lysine metabolism, as well as its regulation mechanisms, and its importance for optimal improvement of the nutritional quality of crops.
植物产生的众多代谢物与其生长发育及产量和品质形成密切相关。赖氨酸是禾谷类作物的第一限制必需氨基酸,其代谢调控较为复杂;负责赖氨酸合成的天冬氨酸族代谢途径与细胞能量代谢等多条通路关联,在植物代谢中具有多重角色。在前期研究中,申请者通过调控水稻赖氨酸代谢途径上几个关键酶的表达,选育了各类突变体和转基因系;籽粒中游离赖氨酸含量最高可增加60倍以上,但是对籽粒发育、外观色泽和种子萌发等产生显著影响。拟在已有基础上,利用所选育的与赖氨酸代谢调控相关的各类水稻突变体和转基因材料,借助转录组学、代谢组学和生物信息学等系统生物学手段,结合表型、生理和生化等性状鉴定,研究并揭示在水稻籽粒中调控赖氨酸代谢后的关联效应及其形成的分子和代谢机制。预期结果可为深入阐明水稻等单子叶植物中天冬氨酸族氨基酸的代谢调控及关联机制提供重要的理论依据,也可为培育高赖氨酸含量、表型正常的优质水稻新种质提供技术支撑。

结项摘要

稻米富含淀粉和优质蛋白,是人类主要的能量与蛋白来源。但稻米中缺乏赖氨酸,被称为第一限制性必需氨基酸,影响稻米的营养价值。植物中赖氨酸的代谢调控机制较为复杂,其它众多代谢通路相关联。本项目以粳稻品种武香粳9号及其来源的赖氨酸代谢调控相关转基因水稻新品系为材料,从分子鉴定、品质分析、田间表现、营养评价、代谢组与转录组比较、以及代谢关联等多个方面开展了研究。结果表明,HFL1和HFL2两个高赖氨酸聚合系种子中游离赖氨酸含量与亲本相比提高25倍,总赖氨酸、总游离氨基酸和蛋白质含量也相应增加;同时其稻米理化品质有所提高,而淀粉特性并未受到影响;除成熟种子呈现棕褐色表型外,其他主要农艺性状均表现正常。营养评价结果显示,食用含高赖氨酸转基因稻米的HFL1组和HFL2组SD大鼠在体重增长、食物利用率、表观消化率、蛋白质功效比和赖氨酸利用率等生物性能上均显著优于食用含非转基因对照大米的WT组,与添加相似赖氨酸剂量的WT20组相当。由此表明,转基因稻米中提高赖氨酸含量可显著提升其营养价值,且与外添相同剂量的野生型WT20组具有相同的效应。. 为了深入探析高赖氨酸成熟种子中棕褐色物质成因及其相关的代谢关联,通过代谢组学和转录组学结合功能验证结果显示,在HFL水稻中5-羟色胺的含量显著提高,并与棕褐色种子表型密切相关;进一步通过相关基因表达和代谢物分析以及过表达TDC3得以验证;此外,茉莉酸信号途径和TDC表达在HFL水稻胚乳发育后期均受到强烈诱导,与5-羟色胺积累和棕褐色种子表型一致;综上分析,提出赖氨酸积累与棕褐色表型间的代谢关联模型,即调控赖氨酸代谢通路使籽粒中赖氨酸有效累积,从而提高了植物胁迫响应相关途径的活性,进而诱导5-羟色胺积累,最终产生棕褐色表型。相关结果将有助于深化人们对水稻代谢组遗传基础的理解,同时可为利用代谢工程进行作物营养品质等的改良提供新的信息和方向。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Manipulation of the rice L-galactose pathway: evaluation of the effects of transgene overexpression on ascorbate accumulation and abiotic stress tolerance.
水稻 L-半乳糖途径的操纵:评估转基因过表达对抗坏血酸积累和非生物胁迫耐受性的影响
  • DOI:
    10.1371/journal.pone.0125870
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    PloS one
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Zhang GY;Liu RR;Zhang CQ;Tang KX;Sun MF;Yan GH;Liu QQ
  • 通讯作者:
    Liu QQ
Characterization of agronomy, grain physicochemical quality, and nutritional property of high-lysine 35R transgenic rice with simultaneous modification of lysine biosynthesis and catabolism
同时修饰赖氨酸生物合成和分解代谢的高赖氨酸35R转基因水稻农学、籽粒理化品质和营养特性的表征
  • DOI:
    10.1021/acs.jafc.7b00621
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Journal of Agricultural and Food Chemistry
  • 影响因子:
    6.1
  • 作者:
    Yang Qing-Qing;Wu Hong-Yu;Li Qian-Feng;Duan Ru-Xu;Zhang Chang-Quan;Sun Samuel Sai-Ming;Liu Qiao-Quan
  • 通讯作者:
    Liu Qiao-Quan
Improved growth performance, food efficiency, and lysine availability in growing rats fed with lysine-biofortified rice.
饲喂赖氨酸生物强化稻米的生长大鼠的生长性能、食物效率和赖氨酸可用性得到改善
  • DOI:
    10.1038/s41598-017-01555-0
  • 发表时间:
    2017-05-02
  • 期刊:
    Scientific reports
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Yang QQ;Suen PK;Zhang CQ;Mak WS;Gu MH;Liu QQ;Sun SS
  • 通讯作者:
    Sun SS
A Connection between Lysine and Serotonin Metabolism in Rice Endosperm
水稻胚乳中赖氨酸和血清素代谢之间的联系
  • DOI:
    10.1104/pp.17.01283
  • 发表时间:
    2018-03-01
  • 期刊:
    PLANT PHYSIOLOGY
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Yang, Qing-Qing;Zhao, Dong-Sheng;Liu, Qiao-Quan
  • 通讯作者:
    Liu, Qiao-Quan
Biofortification of rice with the essential amino acid lysine: molecular characterization, nutritional evaluation, and field performance
用必需氨基酸赖氨酸对水稻进行生物强化:分子特征、营养评价和田间表现
  • DOI:
    10.1093/jxb/erw209
  • 发表时间:
    2016-07-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF EXPERIMENTAL BOTANY
  • 影响因子:
    6.9
  • 作者:
    Yang, Qing-qing;Zhang, Chang-quan;Liu, Qiao-quan
  • 通讯作者:
    Liu, Qiao-quan

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其他文献

籼稻背景下导入Wx~(in)等位基因改良稻米食味和理化品质
  • DOI:
    10.3724/sp.j.1006.2019.82064
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    作物学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
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转反义Wx基因水稻颖果中淀粉的积
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    植物生理与分子生物学报,32(2): 209-216,2006
  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    遗传学报
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    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    焦新安
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    科学通报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    封功能;张昌泉;唐明勇;张桂云;徐辰武;顾铭洪;刘巧泉
  • 通讯作者:
    刘巧泉
水稻rbcS启动子控制的外源基因在转基因水稻中的特异性表达模式
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    植物生理与分子生物学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    刘巧泉;于恒秀;张文娟;王红梅;顾铭洪
  • 通讯作者:
    顾铭洪

其他文献

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刘巧泉的其他基金

Chalk12协同Wx基因调控稻米外观和食味品质的分子机制及育种利用
  • 批准号:
    32230074
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转基因水稻中不同反义Sbe基因结构对抑制胚乳支链淀粉合成效果的比较
  • 批准号:
    30300226
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  • 资助金额:
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相似国自然基金

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相似海外基金

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  • 项目类别:
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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