木薯磷酸葡聚糖-水双激酶参与淀粉合成与降解双功能的作用机制研究

批准号：

32072118

项目类别：

面上项目

资助金额：

58.0 万元

负责人：

张鹏

依托单位：

中国科学院分子植物科学卓越创新中心

学科分类：

作物基因组及遗传学

结题年份：

2024

批准年份：

2020

项目状态：

已结题

项目参与者：

张鹏

关键词：

分子机制木薯品质性状基因互作淀粉

项目摘要

结项摘要

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中文摘要

木薯是重要薯类，研究其淀粉代谢调控对品质改良至关重要，特别是淀粉磷酸化。由磷酸葡聚糖-水双激酶GWD3催化磷酸化支链淀粉葡糖残基C3位的磷酸化，协同由葡聚糖-水双激酶GWD1催化的C6磷酸化，启动淀粉降解过程。前期研究表明下调GWD3表达导致木薯叶片过度积累淀粉，但连续黑暗处理可实现淀粉的完全降解，并在恢复光照迅速积累(这与GWD1-RNAi木薯叶片淀粉降解情况不同，黑暗处理降解幅度小)，影响储藏根支链淀粉的链长，暗示GWD3行使了淀粉合成与降解的双功能。基于此发现，本课题利用GWD3-RNAi转基因木薯，通过Y2H、Co-IP等鉴定与GWD3互作的淀粉合成酶，分析酶活性变化，结合总蛋白GPC分析，建立其参与淀粉合成酶复合体组装的模式；开展调控GWD3表达的WRKY转录因子响应光周期及激素等分析，解析GWD3参与淀粉代谢转换的调控机制。本研究将拓展淀粉代谢新认知及淀粉品质改良技术。

英文摘要

Cassava (Manihot esculenta Crantz) is an important root crop that accumulates large amount of starch in it storage roots, therefore, studying its starch metabolism, especially starch phosphorylation, is pivotal for starch quality improvement. The phosphoglucan, water dikinase (GWD3) catalyzed the phosphorylation of phosphorylated chain of amylopectin at C3 position of glucosyl residues, which coordinates the function of glucan, water dikinase (GWD1) that mainly phosphorylates C6 position of glucosyl residues in starch to facilitate starch degradation. Our recent study showed over-accumulation of transient starch in leaves of GWD3-RNAi plants was achievable under normal growth condition, but their transient starch was able to be completely degradable under continuous dark treatment and recovered after a light period, which shows different performance of transient starch degradation in GWD1-RNAi cassava plants under such treatment. The GWD3-RNAi transgenic cassava has altered chain length distribution in comparison of wild type, indicating that GWD3 potentially involves both starch degradation and starch biosynthesis. Based on this observation, we will further investigate the interacted starch biosynthetic proteins using the methods of Y2H, Co-IP, etc., and their enzymatic activity and GPC mobility of total proteins in order to build the molecular model of GWD3 function in the starch biosynthetic enzyme complexes. In parallel, the WRKY transcription factor that regulates GWD3 expression will be studied in response to light/dark cycle and hormones in order to reveal the regulatory mechanism of starch metabolism transition by GWD3. The project will expand our new knowledge of starch metabolism and provide technology for starch improvement.

淀粉作为植物的能量储存形式，关键参与植物的生长发育和环境适应。然而，淀粉合成与降解的分子调控机制尚不完全明了。本研究聚焦磷酸葡聚糖-水双激酶 GWD3，探索其在淀粉代谢中的分子作用，揭示其在淀粉代谢动态调控中的重要角色。研究发现，GWD3自藻类起便与其他GWD家族成员分开演化，暗示其在淀粉代谢中可能具有独特功能。令人意外的是，MeGWD3不仅参与淀粉降解，也在淀粉合成中发挥重要作用。在光周期实验中，MeGWD3-RNAi转基因木薯的临时性淀粉积累率明显高于野生型。长期暗处理后，转基因植株在恢复光照后的淀粉合成速率显著高于野生型，且转基因株系的根部淀粉含量显著增加，特别是在须根和成熟根中，进一步验证了GWD3参与淀粉合成代谢。进一步研究显示，MeGWD3通过与关键酶MeSSII、MeISA1和MeISA2相互作用，调控这些酶的活性、复合体分子量分布以及MeSBEII与淀粉颗粒的结合能力，从而影响淀粉合成。这一调控不仅改变了储藏淀粉的糊化黏度、热力学性质和淀粉含量，还显著改变了支链淀粉的链长分布，表明MeGWD3在淀粉合成与降解之间的平衡中发挥着双重作用。通过MeGWD3-RNAi转基因木薯，我们获得了具有高粘度淀粉特征的新种质，为淀粉基新材料的研发提供了宝贵的资源。此外，转录因子MeWRKY40在淀粉代谢中的关键作用也得到了确认。MeWRKY40能够直接结合MeGWD3的启动子区域，并在老叶及膨大储藏根中高表达。赤霉素抑制剂多效唑（PAC）抑制MeGWD3的表达，并促进MeWRKY40的表达，表明赤霉素通过MeWRKY40-MeGWD3途径调控木薯储藏根发育及淀粉合成。进一步研究表明，MeGWD3启动子区域含有多个与激素和光信号相关的调控元件，表明其表达受到多种信号通路的共同调控。本研究为理解MeGWD3在淀粉代谢中的双重功能及其转录调控机制提供了新见解，为提升淀粉合成效率和作物产量提供了新的分子机制支持。