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成都生物所在禾本科植物α-淀粉酶基因家族研究方面取得進展

文章來源:成都生物所 發表時間:2019-04-03

  淀粉廣泛存在于植物體內的各組織器官中,為其整個生長發育進程提供必要的碳物質來源和能量供應,同時還作為局部信號分子應答生物與非生物因子逆境脅迫。植物淀粉的降解需要多種淀粉水解酶的協作參與。 

  α-淀粉酶是其中最重要的水解酶之一,在綠色植物基因組中包含由多個亞基因家族(AMYs)編碼的多種亞型,使植物在不同組織器官中能對不同淀粉類碳水化合物進行降解。 

  為更好理解禾本科植物AMY基因的潛在分化,中國科學院成都生物研究所余懋群課題組博士研究生琚亮亮對從低等藻類到高等開花植物的78個物種基因組AMY基因進行了系統分析,將其劃分為6個亞家族,建議將其命名為AMY1-AMY6。其中,高等電點AMY1與低等電點AMY2是禾本科植物特有的兩個亞家族,共同起源于單一拷貝的AMY3結構位點,該位點可能來自植物界最古老的亞家族AMY4的復制。系統分枝AMY1+AMY2+AMY3和AMY4+AMY5+AMY6存在顯著的表面靜電勢能差異,但催化活性位點和SBS1底物表面結合位點在不同亞家族間構象穩定。此外,參與活性位點、SBS1和SBS2底物結合氫鍵形成的氨基酸殘基顯示出一定多態性。 

   

  (a): AMY1~AMY6 進化關系及3D結構比較。紅、白、藍色分別表示負、中性、正靜電勢區域;(b): 底物結合位點結構比較(Active site, 活性部位;SBS1,表面結合位點1;SBS2,表面結合位點2). 金、橙、黃、綠、紫和淺灰分別表示AMY1~AMY6。) 

  進一步對等電點α-淀粉酶(AMY1)家族進行了深入研究。AMY1是籽粒發芽期間豐度最高的淀粉水解酶,穗發芽和小麥遲熟α-淀粉酶均與AMY1的差異積累有關。通過利用已公布的禾本科基因組數據,系統評估了小麥、大麥等13種禾本科植物AMY1基因拷貝數,鑒定到小麥族分枝特有的一次基因復制事件,發現染色體片段倒位與重排將該結構位點分割為物理上相對獨立的兩個基因座位(AMY1λ和AMY1θ)。其中,AMY1λ中氨基酸殘基Asn233受到強烈的選擇,可能會影響重要功能性結構域SBS1與底物分子的識別與結合。在籽粒發芽和發育期間,AMY1λ和AMY1θ基因表達分化顯著,存在劑量效應。重要的是,鑒定到小麥中與遲熟籽粒高殘留α-淀粉酶活性緊密關聯的3個AMY1拷貝,為下一步發掘優良等位變異,解析影響籽粒α-淀粉酶活性的遺傳因子和調控機制奠定理論基礎。 

  該研究由國家重點基礎研究發展計劃(973計劃,2014CB138104)、國家轉基因重大專項(2016ZX08009-003-004-005)和四川省科技支撐計劃((2016NZ0103)資助。 

   

  左圖A:水稻、小麥、大麥、短柄草AMY1位點共線性分析(紅線表示AMY1基因);B:AMY1位點結構變異示意圖。 

  右圖A:種子發育過程中α-淀粉酶活性動態變化;B:種子發育中、后期AMY1基因相對表達量;C:開花后28天AMY1各亞組相對表達量(Guinong19, Mianmai43, Jinan17為成熟籽粒中高殘留α-淀粉酶活性小麥品種,Honghuamai, Siqiangxiaomai, Guangguangtou為極低殘留α-淀粉酶活性小麥地方品種)。 

  相關發表論文: 

  Structural organization and functional divergence of high isoelectric point α-amylase genes in bread wheat (Triticum aestivum L.) and barley (Hordeum vulgare L.)BMC Genetics (2019) 20:25  

  原文鏈接

  New insights into the origin and evolution of α-amylase genes in green plants. Scientific Reports (2019) 9:4929.  

  原文鏈接

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