研究發現植物草酸代謝途徑關鍵酶影響玉米營養品質

2018年9月10日，《The Plant Cell》在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所巫永睿研究組題為“Maize Oxalyl-CoA Decarboxylase1 Degrades Oxalate and Affects the Seed Metabolome and Nutritional Quality”的研究論文。該研究克隆和解析了玉米草酸降解途徑中的關鍵酶——草酰輔酶A脫羧酶，揭示了草酸代謝參與籽粒儲藏物質積累和營養品質形成的分子機理。

草酸是最簡單的二元酸，在植物體內的含量非常高。草酸在調控金屬脅迫、離子平衡和昆蟲防御等方面起積極作用。然而，過量草酸不僅會影響植物自身發育，也會影響包括鈣元素在內的多種礦物金屬礦物元素的利用；人體從食物中攝入草酸過多會和鈣形成草酸鈣，誘發形成腎結石。有報道顯示，植物體內存在草酸合成和降解途徑，其中一條降解途徑由4種酶共同作用，分別為草酰輔酶A合成酶、草酰輔酶A脫羧酶、甲酰輔酶A水解酶和甲酸脫氫酶。玉米中草酸的降解代謝途徑還未知，草酸與玉米籽粒發育、營養物質存儲和品質調控的關系也不清楚。

研究人員克隆了玉米草酰輔酶A脫羧酶（Oxalyl-CoA Decarboxylase1，OCD1）基因，該基因突變以后籽粒胚乳呈現出粉質的表型，同時籽粒的儲存物質合成和粒重也發生下降。由于沒有商業化的草酰輔酶A脫羧酶底物草酰輔酶A，研究人員嘗試了多種方法，合成了較高純度的草酰輔酶A。體外和體內的酶活試驗證實草酰輔酶A脫羧酶可以降解草酰輔酶A產生甲酰輔酶A和二氧化碳。同時還發現早先克隆的玉米經典高賴氨酸突變體基因opaque7（o7）編碼草酰輔酶A合成酶，并證明O7可以催化草酸形成草酰輔酶A；另外，靶向和非靶向代謝組學分析發現，玉米草酰輔酶A基因突變后籽粒胚乳的能量代謝、糖類、氨基酸以及激素含量均受到顯著影響。該項研究闡明了玉米草酸代謝的前2步反應，并揭示了草酸降解途徑與籽粒胚乳發育、代謝和營養品質的關系，為將來遺傳改良草酸含量較高的蔬菜（如菠菜）等提供了候選基因和分子機制。