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Advanced Science | 张学斌/孙朝霞/赵乔课题组解析苦荞果壳木质素组成的遗传调控机制

发布时间 2024-03-26 17:52合成所点击次数 260次

木质素是植物登陆后适应环境过程中的关键因素,它增强植物细胞壁机械强度和疏水性,从而支撑地上部分生长和水分运输。木质素由对香豆醇、阿魏醇和芥子醇三种木质素单体聚合,形成具有丰富分子间化学键的聚合物。而在漫长的进化过程中,植物演化出具有特殊化学组分及理化性质的木质素,以实现不同的生物功能。

 

苦荞属于蓼科荞麦属植物,起源于我国西南地区,种植历史悠久。苦荞富含芦丁等黄酮类物质,具有降“三高”等保健功效,是重要的药食同源作物。早在《本草纲目》中便有记载其功能:“实肠胃,益气力,续精神,利耳目,能炼五脏滓秽”。《神农书》中则称其为“五谷杂粮之王也”。随着人们对食品营养价值需求的提高,苦荞及其制品因其独特的营养价值和保健功能愈加受到消费者的青睐。与大多谷类作物不同,苦荞籽粒由非常坚硬的外壳包裹,其主要成分可能包括纤维素、半纤维素及具有紫外吸收和疏水特性的苯环类聚合物如木质素、丹宁等,但是详细的化学组成研究报道很少。苦荞起源于强紫外辐射的高海拔地区,长期进化选择过程中籽粒外壳的木质素成分可以有效保护种子免受强紫外伤害,同时其坚硬的外壳可以保护种子不易被鸟类采食消化,所以苦荞坚硬的外壳的保留是进化选择的结果。然而,这种厚且坚硬的果壳难以从种子上剥离,阻碍脱壳过程,严重制约了苦荞的生产和经济效益。

 

近日,河南大学张学斌课题组联合山西农业大学孙朝霞课题组,中国科学院深圳先进技术研究院赵乔课题组,在国际著名期刊Advanced Science(一区topIF 15.1上发表题为Integrative Dissection of Lignin Composition in Tartary Buckwheat Seed Hulls for Enhanced Dehulling Efficiency的研究论文,揭示了苦荞果壳独特的木质素组成与果壳硬度的相关性,同时解析了苦荞果壳木质素组成的遗传基础。

 

 

文章上线截图

原文链接:https://doi.org/10.1002/advs.202400916

 

该研究通过核磁共振技术(NMR)结合气相色谱串联质谱技术(GC-MS),对苦荞各组织木质素成分进行解析。结果发现:苦荞作为被子植物,其果壳木质素组成却具有裸子植物的特征,主要由G单元组成,而S单元含量极低。木质素单元之间由β-O-4醚键以及C-C键相连,相比之下,C-C键的键长更短且键能更高。与S单元相比,G单元更容易形成C-C键,从而使木质素的结构更加致密。那么苦荞果壳中独特的木质素组成是否于其坚硬的特性相关呢?为验证这个猜想,该研究以274份含有丰富遗传变异的苦荞群体为材料,探索木质素组成与果壳理化性质的关系。相关性分析显示,S木质素含量和S/G比例与果壳的硬度呈负相关,表明这种极具特点的木质素组成赋予苦荞更坚硬的果壳。

 

 

 

人们对作物的驯化和筛选往往都倾向于高产高品质以及易管理和加工的趋势。在苦荞群体中,现代栽培品种的S木质素含量和S/G比例显著高于野生种质和农家种,并且具有更柔软的果壳。选择性消除分析发现,在苦荞的驯化和现代育种过程中,与S单元生物合成相关的基因FtF5Hs以及FtCOMTs受到了选择。同时以苦荞果壳木质素组分进行全基因组关联分析发现,其中FtCOMT1基因与S/G比例密切相关,是控制苦荞果壳木质素组成的主要基因之一。这些结果表明,在苦荞品种的驯化和选育过程中,控制S木质素前体合成的基因受到选择,果壳中木质素组分逐渐向S木质素倾斜,从而降低果壳硬度。该项目的发现为改良苦荞果壳机械强度、提高苦荞的脱壳效率提供了重要的理论依据和基因资源。

 

河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室张学斌教授,山西农业大学孙朝霞教授,以及中国科学院深圳先进技术研究院赵乔研究员为共通讯作者。

 

赵乔实验室简介

赵乔研究员,中国科学院深圳先进技术研究院合成基因组学研究中心主任,国家重大人才工程(青年)专家,国家优秀青年科学基金获得者,广东省合成基因组学重点实验室主任。2021,2023年入选全球前2%顶尖科学家(美国斯坦福大学与爱思唯尔数据库(Elsevier)联合发布)。主要从事在植物代谢,植物合成生物学。目前在研方向:(1)植物代谢及相关应用(生物传感器,彩色棉花等);(2)植物染色体的人工合成与应用;(3)基于机器学习的高通量代谢通路解析。已在相关领域取得了一系列重要的成果,近5年通讯作者(含共同)发表10多篇研究论文。文章发表在包括Science AdvancesMolecular PlantNature Communications等国际专业期刊上。详见实验室主页:http://www.zhaoqiaolab.org/

 

课题组招聘

赵乔课题组拟招聘具有药用植物学、分析化学、分子生物学等相关研究背景博士后;以及生物、药用植物学等相关专业科研助理。拟招聘研究方向:(1)植物天然产物通路解析;(2)农作物合成微生物菌群;(3)纳米材料在农作物中的应用;(4)植物人工染色体合成与应用。有意申请者请将个人简历(要求为PDF)以发送至qiao.zhao@siat.ac.cn,简历及邮件标题注明“应聘岗位-学校名称-专业-姓名”。详情可见https://isynbio.siat.ac.cn/view.php?id=824