Engineering starch accumulation by manipulation of phosphate metabolism of starch
- 作者
- Sean E. Weise, Kimberly Aung, Zach J. Jarou, Payam Mehrshahi, Ziru Li, Anna C. Hardy, David J. Carr, Thomas D. Sharkey
- 单位
- Department of Biochemistry and Molecular Biology, Michigan State University, East Lansing, MI, USA
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal（2012）
- DOI
- 10.1111/j.1467-7652.2012.00684.x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
如何在不显著影响植物营养生长生物量的前提下，通过调控叶片瞬时淀粉的磷酸化代谢来增加叶片淀粉积累。
研究策略
利用RNAi技术分别沉默拟南芥中的AtGWD和AtSEX4基因，以及玉米中推测的ZmGWD和ZmSEX4同源基因；在拟南芥中使用乙醇诱导型启动子和衰老诱导型启动子控制RNAi表达时机，在玉米中使用组成型泛素启动子组成性表达RNAi。
核心内容
该研究通过RNAi技术沉默拟南芥和玉米中参与叶片瞬时淀粉磷酸化代谢的GWD与SEX4基因，旨在不牺牲营养生长的前提下提高叶片淀粉积累。在拟南芥中，利用乙醇诱导型和衰老诱导型启动子控制沉默时机，使AtGWD和AtSEX4转录水平降低约50%，暗期末淀粉含量较野生型提高约7倍，且生物量无显著差异。在玉米中，组成型沉默ZmGWD使转录水平下降约80%，6周龄老叶淀粉含量较对照高22至42倍，最高达叶片干重的26%，淀粉仅在束鞘细胞积累，而总地上部干重未受影响。结果表明，靶向瞬时淀粉降解起始步骤可有效规避糖积累的负面效应，实现高淀粉叶片积累而不牺牲生物量，为高淀粉叶片生物燃料作物和青贮饲料改良提供了可行策略。
创新点
首次利用可诱导启动子控制淀粉磷酸化代谢基因的沉默时机，实现叶片淀粉积累的时间调控；在玉米中鉴定并沉默了与AtGWD同源的基因，在不影响总生物量的情况下使叶片淀粉含量大幅提高；证明通过靶向瞬时淀粉降解途径的起始步骤可避免糖积累带来的负面效应。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 叶片瞬时淀粉降解-磷酸化代谢 | AtGWD (At1g10760) | 葡聚糖水双激酶 (GWD) | 催化 | RNAi沉默后暗期末淀粉含量显著升高 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 叶片瞬时淀粉降解-去磷酸化代谢 | AtSEX4 (At3g52180) | 磷酸葡聚糖磷酸酶 (SEX4) | 催化 | RNAi沉默后暗期末淀粉含量显著升高 |
| 玉米 (Zea mays) | 叶片瞬时淀粉降解-磷酸化代谢 | ZmGWD (GRMZM2G412611) | 推测的葡聚糖水双激酶 | 催化 | RNAi株系叶片淀粉含量提高20倍以上，仅束鞘细胞积累 |
| 玉米 (Zea mays) | 叶片瞬时淀粉降解-去磷酸化代谢 | ZmSEX4 (GRMZM2G052546) | 推测的磷酸葡聚糖磷酸酶 | 催化 | RNAi株系未观察到淀粉积累表型，可能并非关键基因 |
关键发现
- 在拟南芥中，乙醇诱导的RNAi使AtGWD和AtSEX4转录水平降低约50%
- 暗期末转基因株系淀粉含量比野生型高约7倍（最高株系约6倍），但生长速率和总生物量无显著差异。在衰老诱导型启动子驱动下，AtGWD RNAi株系生长13周后叶片淀粉含量升高，而AtSEX4 RNAi株系无显著变化。在玉米中，针对ZmGWD样基因的RNAi株系在6周龄时第四片老叶淀粉含量比空载体对照高22-42倍，达到叶片干重的15%-26%
- ZmGWD转录水平降低约80%
- 淀粉仅在束鞘细胞中积累
- 空载体对照和RNAi株系的总地上部干重无差异。
研究结论
通过调节GWD和SEX4表达可以显著提高叶片淀粉含量且几乎不牺牲植物营养生物量，为高淀粉叶片生物燃料作物和青贮饲料改良提供可行策略。