生物所联合玉米所在玉米黄酮异荭草素合成通路研究方面取得重要进展

来源:农业生物技术研究中心
       10月25日,生物技术研究所玉米分子育种研究团队联合院玉米研究所和中国农业科学院蜜蜂研究所,在国际知名植物学杂志Plant Journal(Top期刊,IF5-year:6.62,h-index:241)在线发表题为“Natural variation of ZmCGT1 is responsible for the isoorientin accumulation in maize silk”的研究论文(https://doi.org/10.1111/tpj.15549)。本研究通过全基因组关联分析,定位到玉米花丝天然产物异荭草素合成通路关键基因ZmCGT1,经候选基因关联分析和转基因功能验证,揭示了该基因的两个SNP(单核苷酸变异)A502C和A1022G是引起不同玉米材料异荭草素含量显著差异的关键位点。

       植物黄酮类化合物,曾被誉为“维他命P”,存在于高等植物的根、茎、叶、花、果实等中,具有抗心脑血管疾病、抗衰老、抗炎症、抗肿瘤、抗病毒等多种功效。其中,异荭草素(isoorientin,黄酮碳苷类化合物)目前被国内外广泛关注,国内外植物化合物药物研究的专业期刊中已有百余篇研究论文涉及异荭草素的功效,表明其在人类抗炎症、抗氧化、抗癌细胞增殖等方面具有显著效果,我们近期研究结果发现异荭草素通过调节和优化口腔和肠道微生物菌群结构,经由脑-肠轴来调节并减缓阿尔茨海默病相关病理指标。

       本研究以玉米自然变异群体材料花丝为研究对象,通过靶向代谢组方法测定群体不同玉米花丝的异荭草素含量,结合群体材料基因组数据,进行代谢组-全基因组关联分析,挖掘获得异荭草素合成通路候选基因ZmCGT1。进一步通过基因多态性分析,排除候选基因位点附近其它基因的效应,初步确定基因ZmCGT1为异荭草素合成通路的关键基因。

       体外和体内酶活实验证明ZmCGT1基因编码蛋白为C-糖基转移酶,可以催化前体物质2-羟基圣草酚合成异荭草素。过表达ZmCGT1基因的玉米株系中异荭草素含量显著增加,RNAi转基因玉米株系中异荭草素含量显著减少。确定该候选基因为异荭草素合成通路的关键基因。

       进一步的候选基因关联分析发现,该基因两个SNP(A502C和A1022G)是引起不同玉米材料异荭草素含量差异显著的关键位点。当该基因502位的碱基A突变为C或(和)1022位的碱基A突变为G时,玉米花丝中异荭草素含量显著增加。体外酶活实验显示,ZmCGT1(A502C)、ZmCGT1(A1022G)和ZmCGT1(A502C+ A1022G)基因编码的C-糖基转移酶ZmCGT1(I168L), ZmCGT1(E341G) 和ZmCGT1(I168L+E341G)表现出更强的催化活性。这些催化活性的增强可能引起相应基因型的玉米花丝异荭草素含量显著提高。

       综合所有试验结果,证明ZmCGT1基因为异荭草素合成通路的关键基因,该基因的两个SNP(A502C和A1022G)是引起不同玉米材料异荭草素含量差异显著的关键位点。