2021年6月24日，上海市農業科學院生態環境與植物保護研究所薛永課題組在Journal of Experimental Botany（IF=6.992）雜志上發表題為Silencing of Sulfoquinovosyl Diacylglycerol Synthase 1 Impairs the Glycolipids Accumulation and Photosynthesis in Phosphate-deprived Rice的研究成果。在水稻中，葡糖基二脂酰甘油合酶1（OsSQD1）是催化SQDG形成的關鍵酶。在這項研究中，作者發現OsSQD1受OsPHR2調節，OsPHR2是一種含有MYB結構域的轉錄因子。對OsSQD1基因敲除突變體的脂質組分析結果表明，OsSQD1基因沉默增加了磷脂含量，改變了Pi缺乏時的脂肪酸組成。此外，OsSQD1沉默可減少Pi缺乏條件下糖脂的積累。此外，OsSQD1沉默可通過下調水稻苗中的糖脂來抑制光合作用，特別是在缺磷條件下。研究表明，OsSQD1在磷脂代謝中起著關鍵作用，特別是在缺磷條件下糖脂的積累，從而抑制了光合作用對缺磷的響應。本項研究中中科新生命提供了脂質組絕對定量技術服務。 中科新生命脂質組組學產品優勢 ? 全脂質分子數據庫（170萬脂質分子） ? 高分辨質譜平臺，精確解析脂質分子 ? 覆蓋20+脂質亞類 ? 同位素內標法絕對定量每種脂質分子含量/濃度 磷是細胞中必不可少的營養物質，在細胞功能和代謝中起著至關重要的作用。然而，由于許多土壤中磷的有效性有限，土壤中的磷濃度可能遠低于植物組織和器官中的磷濃度從而導致磷的缺乏。為了緩解環境中的低磷脅迫，植物在形態、生理和分子生物學上發生了各種適應性變化。在低Pi條件下，植物可以通過改變或替換生物膜的結構和組成來釋放或溶解可溶性P，以維持其在缺Pi條件下的基本生長發育。生物膜是許多不同類型脂質的混合物：鞘脂、甾醇和甘油脂等。甘油脂類有甘油主鏈，在sn-1和sn-2位置有兩個脂肪酸分子，在sn-3位置有一個磷脂或糖脂分子。在高等植物中，磷脂主要包括磷脂酰膽堿(PC)、磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酸(PA)、磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酰絲氨酸(PS)、磷脂酰甘油(PG)。在這些脂質類型中，PC和PE是主要的膜磷脂。糖脂包括單半乳糖二酰甘油(MGDG)、二半乳糖二酰甘油(DGDG)和磺基喹喔啉二酰甘油(SQDG)。這三種糖脂與PG一起構成質體膜。缺磷植物可通過非磷糖脂替代膜中的磷脂，利用膜上的磷脂作為內部磷供應的來源，這種機制會導致脂質組成發生重大變化。 水稻是世界上人口的主要食物之一。在發展中國家，大米提供了近30%的膳食能量供應。有研究表明OsSQD1的突變導致了缺磷時硫的上調和磷的下調。然而，OsSQD1對水稻幼苗缺磷時磷脂和糖脂穩態的影響尚不清楚。需要進一步研究來闡明不同Pi條件下OsSQD1對水稻光合作用的影響。在本研究中，作者使用OsSQD1突變體來分析不同的脂質種類和脂肪酸濃度，闡明了OsSQD1沉默導致Pi缺乏下磷脂的增加和糖脂的減少。此外，OsSQD1沉默還通過下調水稻芽中的糖脂抑制光合作用。本研究結果表明，OsSQD1在糖脂積累中起關鍵作用，這是影響光合作用對Pi缺乏反應的一個原因。 實驗材料 WT水稻、knockout OsSQD1 mutant水稻 主要結果 1. OsSQD1位于OsPHR2的下游，對水稻中的Pi供應敏感 在氮、磷、鉀缺失條件下，用qRT-PCR來測定OsSQD1的相對表達,結果表明磷供應對OsSQD1的相對表達誘導最顯著，分別是根(提高6.8倍)和芽(提高6.2倍)，缺鉀條件下根和芽中的OsSQD1的相對表達也增加。氮和鐵水平對根或芽中OsSQD1的相對表達都沒有顯著影響。這些結果表明，由于Pi缺乏，OsSQD1的相對表達顯著增加。與其他營養缺乏的處理相比，這種增加是Pi缺乏所特有的。 為了檢測OsSQD1的表達模式隨缺Pi時間的變化，作者檢測了OsSQD1在缺氧條件下不同時間點(1、3、5和7 d)的相對表達。結果發現當幼苗在-P處理3天和5天后，在根和芽中能觀察到OsSQD1表達顯著的增加。且OsSQD1的表達隨處理時間的增加而增加。然而，在Pi再補給后的1 d內，OsSQD1的表達水平迅速下降至+P條件下的水平。這一結果表明，OsSQD1的相對表達對外部的Pi供應非常敏感。 圖1 不同養分處理下OsSQD1的相對表達 OsSQD1可由Pi饑餓誘導轉錄，在OsSQD1的啟動子區存在P1BS順式元件，因此作者假設OsSQD1可能是由OsPHR2直接調節的下游基因。也在OsPHR2突變體中檢測了OsSQD1的表達。在低磷條件下，莖和根中的OsPHR2突變下調了OsSQD1。此外，電泳遷移率偏移分析(EMSA)顯示PHR2可以結合OsSQD1啟動子區中的兩個P1BS順式元件。 圖2 OsSQD1由OsPHR2調節 2. OsSQD1的沉默調節磷脂和糖脂在不同Pi狀態下的濃度和組成 在前人的研究中已經發現植物脂質組成會因磷饑餓而發生變化，在本次研究中作者通過脂質組學方法進一步探究了不同Pi條件下OsSQD1突變體的脂質變化。結果表明，WT和OsSQD1突變體在脂質總量上沒有差異。在+P條件下，OsSQD1突變體的TG、DGDG、MGDG、PG、LPG、PS、PE、PC和PE與WT水稻相比沒有變化。在Pi缺乏時， OsSQD1沉默能顯著降低DGDG和MGDG的濃度。此外，與WT相比，在-P條件下，OsSQD1突變體中TG、PG和PC的濃度顯著增加。在+P和-P兩種條件下，嫩枝中的SQDG濃度都顯著降低。然而，在低磷條件下，OsSQD1突變體中的LPA濃度高于WT。 圖3 脂質組學揭示OsSQD1的沉默后在+P和-P條件下的脂質變化 此外，不同磷條件下OsSQD1的沉默也影響不同脂質種類的脂肪酸濃度。在低磷條件下，32碳和34碳的PG濃度在突變體的芽中比野生型芽中高得多。然而，在Pi充足的芽中，它們沒有被OsSQD1沉默所改變。在突變體中，34碳和42碳PC濃度分別降低了21.4%和10.8%，而36碳濃度分別增加了32.3%。對于糖脂，在+P和-P條件下，40碳SQDG都顯著降低，導致突變體中SQDG的下調。 圖4 OsSQD1的沉默改變了+P和-P條件下的脂質組成 3. OsSQD1沉默對脂質重構調控網絡的影響 已經有多項研究表明，膜脂的分子多樣性對細胞膜系統的穩態來說非常重要，所以脂肪酸飽和度一般與非生物脅迫耐受性有關，。因此作者在不同Pi條件下檢測了WT和OsSQD1突變體芽中的脂肪酸飽和度。在+P條件下，OsSQD1的沉默顯著降低了含1個不飽和鍵的PG的脂肪酸濃度。 圖5 沉默OsSQD1可降低不同糖脂的脂肪酸濃度 通過脂質組對糖脂MGDG、SQDG和DGDG等不同脂肪酸的檢測結果表明，在+P和-P條件下，與WT芽相比，SQDG (C40:7)的多不飽和脂肪酸在突變芽中顯著減少。C40:8 SQDG的水平僅在Pi缺乏的條件下大大降低。此外，C18:3/18:3 DGDG、C18:3/18:3和C16:2/18:3 MGDG的濃度在僅在-P條件下沉默OsSQD1時降低?？傊@些結果表明，在不同的Pi條件下，特別是在Pi缺乏的條件下，OsSQD1的沉默改變了磷脂和糖脂中脂肪酸的飽和度。 4. 不同Pi機制下OsSQD1沉默對脂質重構調控網絡的影響 作者又通過qRT-PCR檢測了OsSQD1突變體中與脂質重構相關的幾個基因，結果發現OsPLDα1(AK065102)、OsPLDβ1等的轉錄量因OsSQD1的沉默而顯著增加，對其他基因的表達沒有顯著影響。當OsSQD1在-P條件下沉默時，OsPLDα1和OsPLDβ1的相對表達分別降低了68.3%和18.7%。另一方面，與WT相比，在Pi饑餓時，OsSQD2.1、OsMGD2、OsMGD3和OsDGD1a的轉錄本量在OsSQD1突變體的芽中上調。結果表明，在-P條件下，OsSQD1沉默對脂質重構的調節作用比+P條件下更強。OsSQD1沉默主要導致的是磷脂降解基因的下調和-P條件下糖脂合成相關基因轉錄量的上調。 圖6 在+P和-P條件下生長的WT和OsSQD1突變中脂質合成相關基因的相對表達 總 結 在這項研究中，作者表明OsSQD1受OsPHR2調節，OsPHR2是Pi饑餓反應網絡的中心轉錄因子。在缺磷條件下，OsSQD1的沉默改變了磷脂和糖脂的穩態，降低了糖脂的濃度，從而導致水稻葉綠素的減少和缺磷條件下光合作用的抑制。
研究背景
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植物脂質組項目文章 | OsSQD1的沉默損害缺磷水稻的糖脂積累和光合作用
作者：上海中科新生命生物科技有限公司 2021-12-22T13:21 (訪問量:5315)
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