糖基转移酶LaSMFR影响浮萍淀粉高效积累机制研究

Duckweed is an ideal system for studying starch accumulation mechanism, as well as one of the most important energy plants due to its capabilities of fast growing and accumulation of high content of starch. However, the molecular mechanism of highly efficient starch accumulation in duckweed remains unclear. In our previous study, a Lemna aequinoctialis 6000 strain was screened. It growed relatively fast (with a generation time of 2 days) and its starch content could reach 60% under nitrogen deficiency conditions. The transcriptomic sequencing results showed that a glycosyltransferase, LaSMFR, was closely related to starch accumulation. Preliminary studies using overexpression and RNAi indicated that the metabolite Glucose-1P was competed during starch and pectin biosynthesis in duckweed. Expression of LaSMFR was significantly inhibited under nitrogen deficiency, which blocked the pectin biosynthesis pathway, and then led more Glucose-1P flow to the starch biosynthesis pathway, resulting in efficient accumulation of starch finally. In this project, we will analyze the function of glycosyltransferase LaSMFR, reveal how it affects the metabolic flux distribution and thus dissect the relationship between several main metabolic pathways to find out the main way influencing starch accumulation. Consequently, we will then elucidate the molecular mechanism of starch accumulation in duckweed. This study will provide theoretic foundation and technical support for improvement of starch content via genetic engineering in duckweed and other starch crops.

浮萍具有快速生长和高效积累淀粉的特性，因此它既是一种探讨植物高效积累淀粉机制的理想研究体系，又是最具有潜力的淀粉类能源植物之一。然而，目前浮萍如何高效积累淀粉的分子机制仍不清晰。我们前期筛选到一株生长速度快（2天繁殖一代）和淀粉高效积累的青萍；缺氮处理后其淀粉含量达60%；转录组测序鉴定了一个与淀粉高效积累紧密相关的糖基转移酶LaSMFR；过表达和RNAi等实验初步表明，浮萍淀粉和果胶合成途径共同竞争代谢物葡萄糖-1P，推测缺氮处理LaSMFR表达受到显著抑制，引起果胶合成途径受阻，进而使更多的葡萄糖-1P流向淀粉合成途径，最终导致淀粉高效积累。本项目以此为切入点，进一步解析糖基转移酶LaSMFR功能，揭示其如何影响代谢流的分配，解析各主要代谢途径之间相互关系，找出影响淀粉积累的主效途径，进而阐明浮萍高效积累淀粉的分子机制，旨在为未来改良浮萍及其他作物的淀粉合成途径奠定理论基础和技术支持。

随着能源需求的激增以及大规模使用化石能源造成的环境污染和气候变化等问题，引起了世界各国对能源安全的重视，寻找可再生替代能源已经迫在眉睫。浮萍是生物乙醇产业化发展所需要的淀粉类能源植物之一，其具有快速生长、高效积累淀粉和直接利用废水中的N、P，起到净化水体作用的特性。因此，浮萍既是未来生物液体燃料（如乙醇等）最具有潜力的新型能源原料之一。.淀粉是植物光合作用合成的碳水化合物的最广泛的一种存在形式。在大多数维管植物中，淀粉在植物生长发育过程中发挥着重要作用，为植物的生长提供必需的能量，因此淀粉的代谢调控机制一直也是植物领域的研究热点。虽然在模式植物拟南芥中已经鉴定得到了一些淀粉合成关键基因，但是，目前关于浮萍高效积累淀粉的分子机制尚不清楚，还缺乏对浮萍淀粉调控相关基因的鉴定以及细致的功能分析。.本实验前期筛选到一株生长速度快（2天繁殖一代）且能快速高效积累淀粉的青萍Lemna aequinoctialis 6000。对其进行缺氮处理后，其淀粉含量从约20 %显著提高到约60 %，通过切片观察发现淀粉粒在浮萍叶片组织中大量积累，表明该青萍具有高效积累淀粉的能力。与其他浮萍和淀粉类作物相比较，该青萍同时具有生长快速和高效积累淀粉的特性，且并不因为淀粉的大量积累而引起植株死亡，这十分有利于后续遗传分析工作的开展。通过转录组测序分析表明，缺氮处理后，浮萍通过抑制细胞壁合成代谢、脂肪酸合成代谢等一些代谢途径，以达到重新分配代谢物流向、让更多的碳源流向淀粉合成途径的目的，从而提高淀粉含量。随后，我们通过共表达分析鉴定出了一个与淀粉高效积累紧密相关的糖基转移酶LaSMFR；过表达和RNAi等实验初步表明，浮萍淀粉和果胶合成途径共同竞争代谢物一磷酸葡萄糖。我们推测，在缺氮处理条件下LaSMFR表达受到显著抑制，从而引起果胶合成途径受阻，进而使更多的一磷酸葡萄糖流向淀粉合成途径，最终导致浮萍淀粉高效积累。.本研究首次从代谢流重分配的角度揭示浮萍高效积累淀粉的分子机制，并鉴定出LaSMFR基因是影响浮萍淀粉积累的关键调控基因之一。通过转基因的手段，验证了LaSMFR通过参与浮萍鼠李半乳糖醛酸聚糖I型（RG-I）果胶的合成，从而影响了浮萍的淀粉积累，为未来改良浮萍及其他作物的淀粉合成途径奠定理论基础和技术支持。