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，為其整個生長發(fā)育進(jìn)程提供必要的碳物質(zhì)來源和能量供應(yīng)，同時還作為局部信號分子應(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，為其整個生長發(fā)育進(jìn)程提供必要的碳物質(zhì)來源和能量供應(yīng)，同時還作為局部信號分子應(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從低等藻類到高等開花植物的78個物種基因組AMY基因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，將其劃分為6個亞家族，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)。通過利用已公布的禾本科基因組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)評估了小麥、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)分割為物理上相對獨(dú)立的兩個基因座位（AMY1λ和AMY1θ）。其中，AMY1λ中氨基酸殘基Asn233受到強(qiáng)烈的選擇，可能會影響重要功能性結(jié)構(gòu)域SBS1與底物分子的識別與結(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)。

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

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