上海生科院等揭示藜麦耐盐与高营养价值分子机制

10月10日,中国科学院上海植物逆境生物学研究中心张蘅研究组和朱健康研究组,以A high-quality genome assembly of quinoa provides insights into the molecular basis of salt bladder-based salinity tolerance and exceptional nutritional value为题的研究论文,在线发表在Cell Research上。研究通过对藜麦基因组的高质量组装和盐泡细胞的转录组分析,揭示了藜麦耐盐和高营养价值的分子机制。

藜麦(Chenopodium quinoa)是源自美洲安第斯山脉的一种假谷物,距今已有7000多年历史。近年来,全球藜麦的种植面积不断增加,其种子均衡的营养组成,也是美国国家航空与航天局选定的宇航员食物。藜麦具有良好的耐盐特性,它可在低盐环境下正常生长,但在100毫摩尔氯化钠环境下可达到最大生物量,在500毫摩尔氯化钠(海水盐浓度)环境下生物量损失也仅为20-50%,因此藜麦的种植可增加盐碱地的利用效率,保障未来的粮食安全。

研究人员通过对第二代和第三代高通量测序数据的混合拼装,获得了高质量的藜麦基因组序列,其总长度为1.34Gb,scaffold N50达到1.16 Mb。基因组在距今约430万年前经历过一次全基因组复制,基因组注释发现了54438个蛋白编码基因和192个微RNA(miRNA)基因;参与离子与养分运输、脱落酸动态平衡与信号转导等过程的基因拷贝数增加。藜麦编码的三个主要种子贮藏蛋白家族的蛋白序列中人类所需的必需氨基酸比例均显著增加,部分解释了藜麦种子高营养价值的原因。

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表皮盐泡细胞(epidermal bladder cell, EBC)在约一半的喜盐植物(halophyte)中都存在,也是在藜麦耐盐过程中起重要作用的一类细胞。此前研究表明,盐泡细胞体积可达普通表皮细胞的1000倍左右,其积累的离子浓度可高达1摩尔。通过对盐泡细胞、去除盐泡细胞的叶片和整叶片的转录组比较分析,研究人员发现盐泡细胞具有与藜麦其它组织差异极大的转录组,大量表达在蜡质合成、糖转运等方面起作用的基因。研究发现了多个盐泡特异的离子转运蛋白基因,这些基因的表达在藜麦受到盐胁迫的情况下表达不发生显著变化,说明其具有组成性活性或受到翻译后水平上的调控。根据这些结果,研究人员提出了从表皮细胞到盐泡细胞的离子转运的分子模型。

该研究与德国维尔茨堡大学共同完成。研究工作得到了中科院、科技部、国家自然科学基金委等的资助。

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