水稻三萜代谢物多样性的进化机制研究

Triterpene is a large group of plant secondary metabolites with the role of anti-pests, drought resistance,and anti-pathogen. It is also a good model to study the metabolic diversity. 2，3-OxidoSqualene Cyclases (OSC) family is the committed enzymes in triterpene pathway. Plant genomic sequences provide gene information for studying triterpene metabolites in plant. E.g. there are 13 and 12 members of OSC families in Arabidopsis thaliana and rice (Oryza sativa L.) genome, respectively. Most of them have been mostly functional characterized by now. The diverse distribution of triterpene profile can be explained by functional divergence of OSCs in Arabidopsis and rice. Furthermore, the sequences and functions of OSC in different plant varieties could be largely different. The knowledge of gene function from one species of model plant is not enough to understand complete status in the population. It is important to study the function of different alleles. In this project, we will perform the analysis in metabolic profile of rice small core collection and divided them into several groups. 12 OSC genes in representative vatieties will be cloned and functional analysis in yeast and overexpression system. Targeted mutation will be used to find out the key amino acid causing the functional changes. The aim of this project is to understand the triterpene metabolism diversity and the causing melocular mechanism.

三萜是一类重要的次生代谢产物，具有抗虫、抗旱、抗病等作用，同时也是研究代谢多样性较好的模式系统。2,3-氧化鲨烯环化酶(OSC)是三萜代谢途径的关键酶，水稻的OSC家族成员有12个，多数成员的功能已被鉴定。OSC序列差异及功能进化导致三萜的分布和功能具种属特异性。OSC在品种间也会发生序列和功能分化，因此代表品种的OSC功能不能解释整个种群三萜代谢物的多样性，有必要研究种群中等位基因功能分化的机制。本项目以水稻12个OSC家族成员为研究对象，分析不同品种及野生稻三萜代谢谱特征，发掘未知的三萜化合物，确定微核心种质三萜代谢物类群，克隆每一类群代表品种中12个OSC等位基因序列，选择cDNA序列多态性的OSC，构建过表达载体，通过转化，测定转基因酵母及水稻三萜代谢物组成及含量差异，确定每一OSC酶的功能。通过定点突变验证等位基因功能分化的关键氨基酸位点，阐明水稻三萜代谢物多样性的分子进化机制。

三萜化合物具有多种多样的结构，包括植物甾醇，甾体皂苷，三萜皂苷和甾体和三萜酯等多种形式，对植物生长发育和抗性具有重要的作用。2,3-氧化鲨烯环化酶(OSC)是三萜代谢途径的关键酶，在拟南芥和水稻的OSC 家族成员分别有13和12 个，多数成员的功能已被鉴定。OSC 序列差异及功能进化导致三萜的分布和功能具种属特异性。OSC 在品种间也会发生序列和功能分化，因此代表品种的OSC 功能不能解释整个种群三萜代谢物的多样性，有必要研究种群中等位基因功能分化的机制。本项目完成了水稻核心种质资源74个品种的开花期6个不同器官和组织的三萜代谢谱的分析和比较；从42个水稻品种和野生稻中克隆了OsOSC7基因序列，并分析其生化功能，除了之前鉴定的帕克醇，又发现了18种新的三萜产物，鉴定了其中三种产物的化学结构；通过结构模拟和定点突变，找到并验证了确定OsOSC7产物特异性的关键氨基酸位点。结合分子进化分析、蛋白结构模拟和定点突变技术等手段从分子水平阐明水稻三萜代谢物多样性的机制； 并为OSC环化机制的研究提供新的思路和手段