基于代谢物流向解析烟草烟碱杂种优势形成的生理与分子机制
批准号:
32060510
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
35.0 万元
负责人:
刘仁祥
依托单位:
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:
刘仁祥
中文摘要
烟碱是在烟草的根部合成、通过木质部运输到叶片中积累的次生代谢产物。前期,我们发现烟碱具有明显的杂种优势,利用烟草根转录组分析揭示了超显性在烟叶烟碱杂种优势形成中的关键作用,发现与烟碱质膜转运和叶细胞积累相关的基因在杂交种根部表达水平显著上调,但烟叶烟碱杂种优势与烟碱转运和积累的关系仍有待阐明,特别是杂交种烟碱转运和积累提高的生理与分子机制缺乏了解。为此,本项目将通过分析不同优势杂交组合烟碱合成、转运和积累的规律,从酶组学水平上开展烟碱代谢相关酶基因在根茎叶中的差异表达研究,从代谢组学水平上开展烟碱代谢产物在根茎叶中的流向研究,并进行转录组学、酶组学及代谢组学的关联性分析。以期阐明烟草烟碱杂种优势与烟碱合成、转运和积累的关系,揭示烟碱杂种优势的形成的生理与分子机制。研究结果对于指导烟草生产和高烟碱烟草品种的培育具有重要意义。
英文摘要
Nicotine is a secondary metabolite that is synthesized in the roots of tobacco and accumulated in the leaves through xylem transport. We found in previous research that nicotine accumulation showed obvious heterosis. Analysis of tobacco root transcriptome suggested that overdominance played a key role in the formation of nicotine heterosis in tobacco leaves. We revealed that development of nicotine heterosis was related to higher synthetic efficiency of nicotine in hybrids. On the other hand, the relationship between nicotine heterosis and nicotine transport and accumulation in tobacco leaves remains unclear, and the physiological and molecular mechanisms promoting nicotine transport and accumulation are still poorly understood. In order to clarify the relationship between nicotine heterosis and nicotine synthesis, transport and accumulation in tobacco, and to reveal the physiological and molecular mechanisms of the development of nicotine heterosis, this project will analyze nicotine synthesis, transport, and accumulation in different dominant combinations. Research on the differential expression of genes related to the enzymes of nicotine metabolism in the roots, stems, and leaves at the level of enzymomics will be conducted. Translocation of nicotine related metabolites in the roots, stems, and leaves will be studied at the level of metabolomics. The correlation between transcriptomics, enzymomics and metabolomics will be analyzed. The research results will be of great significance for guiding tobacco production and breeding of tobacco varieties with high-nicotine content.
烟碱是在烟草的根部合成、通过木质部运输到叶片中积累的次生代谢产物,也是烟草中特有的生物碱。本项目以课题组前期研究结果为基础,探究烟叶烟碱杂种优势与烟碱转运和积累间的关系,阐明杂交种烟碱转运和积累提高的生理与分子机制。研究发现在选用中亲优势作为度量指标进行杂种优势的遗传研究中,可不考虑生态环境和打顶措施对烟碱积累的影响。杂交种叶片烟碱杂种优势的形成,主要受杂交种烟碱转运优势的影响;且株高矮、茎围粗和茎秆中组织液的流动量大、烟碱含量高是杂交种烟碱转运能力强的生理基础。杂交种及其亲本的转录谱分析发现,基因及其表达产物的超显性效应在烟叶烟碱杂种优势形成中发挥关键作用,且筛选到参与烟碱转运优势形成的关键调控因子——谷胱甘肽S-转移酶(NtGSTU10),并完成NtGSTU10蛋白的功能预测分析及其在烟草细胞中的定位。分子对接结果表明NtGSTU10蛋白能够与烟碱分子相互结合,具有转运烟碱的能力。NtGSTU10基因过表达株系的烟碱含量、烟碱转运系数和烟碱杂种优势均显著高于野生型材料。进一步研究表明,过表达NtGSTU10基因能诱导烟碱合成(AOC、QS、ODC、PAO和JAZ等)和转运(ABCB1、ABCC1、ABCC2和NtGSTs)相关基因的正向表达,促进烟碱的合成和转运代谢。总的来看,GSTU10蛋白与ABC型转运蛋白协同作用,增强杂交种的烟碱转运与合成能力,导致杂交种烟碱转运优势和烟碱含量杂种优势的产生。在此基础上,本项目开发到1个鉴定高烟碱含量材料的功能性分子标记。同时对烟草NtABCG6L基因的生物学功能开展研究,揭示了其调控烟碱转运代谢的分子机制。项目研究结果不仅有利于推动烟碱杂种优势的理论研究和杂交种的选育利用,对于借助代谢工程和合成生物学方法指导烟碱生产和促进烟碱多途径利用,以及作物杂种优势形成机理的研究也具有重要的指导价值。本项目共发表研究论文10篇,其中 SCI 论文5篇,中文核心期刊5篇,获授权专利3项,已培养博士研究生2名,硕士研究生3名。
基于BSA-seq和RNA-seq的烟草黄叶突变新基因挖掘及其调控机制解析
-
批准号:32360468
-
项目类别:地区科学基金项目
-
资助金额:32万元
-
批准年份:2023
-
负责人:刘仁祥
-
依托单位:
国内基金
海外基金