禾本科植物α-淀粉酶基因家族研究方面取得進(jìn)展

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來(lái)源：成都生物所

2019-04-09

淀粉廣泛存在于植物體內(nèi)的各組織器官中，為其整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程提供必要的碳物質(zhì)來(lái)源和能量供應(yīng)，同時(shí)還作為局部信號(hào)分子應(yīng)答生物與非生物因子逆境脅迫。

淀粉廣泛存在于植物體內(nèi)的各組織器官中，為其整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程提供必要的碳物質(zhì)來(lái)源和能量供應(yīng)，同時(shí)還作為局部信號(hào)分子應(yīng)答生物與非生物因子逆境脅迫。植物淀粉的降解需要多種淀粉水解酶的協(xié)作參與。

α-淀粉酶是其中最重要的水解酶之一，在綠色植物基因組中包含由多個(gè)亞基因家族（AMYs)編碼的多種亞型，使植物在不同組織器官中能對(duì)不同淀粉類碳水化合物進(jìn)行降解。

為更好理解禾本科植物AMY基因的潛在分化，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所余懋群課題組博士研究生琚亮亮對(duì)從低等藻類到高等開(kāi)花植物的78個(gè)物種基因組AMY基因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，將其劃分為6個(gè)亞家族，建議將其命名為AMY1-AMY6。其中，高等電點(diǎn)AMY1與低等電點(diǎn)AMY2是禾本科植物特有的兩個(gè)亞家族，共同起源于單一拷貝的AMY3結(jié)構(gòu)位點(diǎn)，該位點(diǎn)可能來(lái)自植物界最古老的亞家族AMY4的復(fù)制。系統(tǒng)分枝AMY1+AMY2+AMY3和AMY4+AMY5+AMY6存在顯著的表面靜電勢(shì)能差異，但催化活性位點(diǎn)和SBS1底物表面結(jié)合位點(diǎn)在不同亞家族間構(gòu)象穩(wěn)定。此外，參與活性位點(diǎn)、SBS1和SBS2底物結(jié)合氫鍵形成的氨基酸殘基顯示出一定多態(tài)性。

研究人員進(jìn)一步對(duì)等電點(diǎn)α-淀粉酶（AMY1）家族進(jìn)行了深入研究。AMY1是籽粒發(fā)芽期間豐度的淀粉水解酶，穗發(fā)芽和小麥遲熟α-淀粉酶均與AMY1的差異積累有關(guān)。通過(guò)利用已公布的禾本科基因組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)評(píng)估了小麥、大麥等13種禾本科植物AMY1基因拷貝數(shù)，鑒定到小麥族分枝特有的一次基因復(fù)制事件，發(fā)現(xiàn)染色體片段倒位與重排將該結(jié)構(gòu)位點(diǎn)分割為物理上相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)基因座位（AMY1λ和AMY1θ）。其中，AMY1λ中氨基酸殘基Asn233受到強(qiáng)烈的選擇，可能會(huì)影響重要功能性結(jié)構(gòu)域SBS1與底物分子的識(shí)別與結(jié)合。在籽粒發(fā)芽和發(fā)育期間，AMY1λ和AMY1θ基因表達(dá)分化顯著，存在劑量效應(yīng)。重要的是，鑒定到小麥中與遲熟籽粒高殘留α-淀粉酶活性緊密關(guān)聯(lián)的3個(gè)AMY1拷貝，為下一步發(fā)掘優(yōu)良等位變異，解析影響籽粒α-淀粉酶活性的遺傳因子和調(diào)控機(jī)制奠定理論基礎(chǔ)。

該研究由國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃，2014CB138104)、國(guó)家轉(zhuǎn)基因重大專項(xiàng)(2016ZX08009-003-004-005)和四川省科技支撐計(jì)劃（(2016NZ0103）資助。

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