乙酰化途径介导草酸降解调控番茄果实营养的分子机理研究

Oxalic acid is a common antinutrient in the human diet. Excessive ingestion of oxalate results in a variety of kidney-related disorders such as hyperoxaluria, and impairs the utilization of calcium, iron, magnesium and a number of trace metals. A reduction in the levels of oxalic acid in food crops would represent a potential attempt to prevent oxalate toxicity, as well as aid in increasing the levels of available nutrients. This project is based on tomato fruit with relatively high level of oxalic acid. Three genes encoding oxalyl CoA synthase (SlAAE3), oxalyl -CoA decarboxylase (SlOCD) and formate dehydrogenase (SlFDH) involved in acetylation-mediated oxalic acid degradation in tomato, respectively, are used to carry out enzymatic characteristics and fruit-specific co-expression. The aim is to investigate the relationship between oxalic acid degradation and the nutrient availability in transgenic tomato fruit, further study acid pool balance and effect on carbon metabolism reprogramming after degradation of oxalic acid though metabonomics and proteomics, and finally elucidate the role of oxalic acid metabolism in regulating nutritional quality of tomato fruit. This project not only has of great theoretical significance for the improvement of acetylation pathway and the profound understanding of its role in oxalic acid metabolism in dicotyledonous plants, but also provides new insights and technical support for nutritional quality improvement based on genetic engineering.

草酸是人类饮食中一个常见的抗营养因子。过量摄入草酸会导致草酸尿等一系列肾脏相关的失调症，并削弱对钙、镁、铁和其它微量元素的利用。降低食用作物中草酸含量对于预防草酸中毒以及提高作物营养品质是一项有潜在价值的尝试。本项目以草酸积累较多的番茄果实为研究对象，开展番茄乙酰化草酸降解途径中草酰-CoA合成酶（SlAAE3）、草酰-CoA脱羧酶（SlOCD）和甲酸脱氢酶（SlFDH）三个酶基因的酶学特征和果实特异共表达研究，探讨转基因番茄果实中草酸降解与营养元素有效性的关系，进一步通过代谢组学和蛋白组学研究草酸降解对番茄果实酸池平衡及碳代谢重编程的影响，明确草酸代谢在调控番茄果实营养品质中的作用。本项目的开展对于完善乙酰化途径，深入理解该途径在双子叶植物草酸代谢中的作用具有重要理论意义，同时能为基因工程技术改良果实营养品质提供新的见解和技术支持。

草酸是人类饮食中一个常见的抗营养因子。过量摄入草酸会导致草酸尿等一系列肾脏相关的失调症，并削弱对钙、镁、铁和其它微量元素的利用。降低食用作物中草酸含量对于预防草酸中毒以及提高作物营养品质是一项有潜在价值的尝试。双子叶植物中草酸的降解主要依赖于乙酰化途径，然而对这一途径中关键催化酶基因的鉴定一直不清楚，这阻碍了对双子叶植物草酸降解机制的理解，以及通过基因工程实现低草酸作物的创制。本项目以草酸积累较多的番茄果实为研究对象，开展番茄草酰-CoA合成酶（SlAAE3）、草酰-CoA脱羧酶（SlOCD）和甲酸脱氢酶（SlFDH）在乙酰化草酸降解途径中的功能研究。主要发现：1）SlAAE3-1和SlAAE3-2具有催化草酸降解的作用，且SlAAE3-1的催化活性强于SlAAE3-2； SlFDH具有催化甲酸降解。2） SlAAE3-1、SlAAE3-2、SlOCD和SlFDH基因的表达具有组织特异性，但均随着果实成熟度的提高表达增强。3） SlAAE3-1、SlAAE3-2在整个细胞均有定位，SlOCD定位于内质网的囊腔中，而SlFDH定位于线粒体中，表明该途径催化草酸的降解不是在细胞中的同一位置，很可能是上一步催化的产物运输到其它细胞器进行下一步反应。4）明确了SlAAE3-1具有降解番茄草酸，提高番茄营养的作用，为基因工程技术改良果实营养品质提供了候选基因。在此基础上，开发了一种检测草酸降解的分光光度计比色法及其试剂盒，而对草酰-CoA底物的首次合成填补了市场空白，具有较高潜在的应用价值。