3月7日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)萬(wàn)建民院士團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名綜合性期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（PNAS）在線(xiàn)發(fā)表題為“D-amino acid aminotransferase1 regulates grain chalkiness in rice by modulating endoplasmic reticulum stress response”的研究論文，系統(tǒng)揭示了D-氨基酸代謝通過(guò)調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫反應(yīng)影響水稻籽粒堊白形成的分子機(jī)制，為稻米外觀(guān)品質(zhì)改良提供了新的理論基礎(chǔ)和基因資源。

稻米堊白是影響外觀(guān)、加工和食味品質(zhì)的重要品質(zhì)性狀，是稻米商品價(jià)值重要決定因素。堊白的形成與籽粒灌漿過(guò)程中淀粉和貯藏蛋白的沉積密切相關(guān)，已有研究主要集中在淀粉合成通路、碳氮代謝、能量代謝及激素調(diào)控等方面。D-氨基酸（D-amino acids, D-AAs）是L-氨基酸的立體異構(gòu)體，存在于多種生物體內(nèi)，在細(xì)菌細(xì)胞壁構(gòu)成及動(dòng)物神經(jīng)信號(hào)和免疫調(diào)控中具有重要作用，但關(guān)于D-氨基酸在植物中的生物學(xué)功能仍知之甚少。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)圖位克隆和遺傳互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，成功分離并鑒定了一個(gè)調(diào)控水稻堊白形成的關(guān)鍵基因OsDAAT1。該基因編碼D-氨基酸氨基轉(zhuǎn)移酶，在水稻節(jié)間維管組織中高表達(dá)，能夠在體外催化不同D-氨基酸之間的相互轉(zhuǎn)化。遺傳分析表明，daat1突變體中D-丙氨酸在莖稈、節(jié)部及發(fā)育籽粒中顯著積累，說(shuō)明該基因在維持D-氨基酸穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用。

圖1 OsDAAT1調(diào)控水稻籽粒堊白和D-氨基酸代謝

研究發(fā)現(xiàn)D-氨基酸穩(wěn)態(tài)的變化導(dǎo)致了嚴(yán)重的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫，體外蛋白翻譯實(shí)驗(yàn)表明D-氨基酸能夠參與新生多肽的合成。因此，研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)D-氨基酸穩(wěn)態(tài)變化可能影響新生多肽/蛋白質(zhì)異構(gòu)化水平，但在生物體內(nèi)尚缺乏有效的檢測(cè)手段。通過(guò)與南開(kāi)大學(xué)李功玉教授團(tuán)隊(duì)合作，首次在植物中系統(tǒng)開(kāi)展了蛋白質(zhì)異構(gòu)化修飾的鑒定工作，證實(shí)水稻胚乳中肽鏈/蛋白質(zhì)確實(shí)存在一定比例的異構(gòu)化修飾。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)突變體中肽鏈/蛋白質(zhì)異構(gòu)化水平顯著改變，多個(gè)直接參與淀粉和貯藏蛋白生物合成的關(guān)鍵酶類(lèi)蛋白發(fā)生構(gòu)象異常。這些研究表明D-氨基酸代謝失衡導(dǎo)致蛋白質(zhì)異構(gòu)化修飾改變，進(jìn)而通過(guò)誘發(fā)嚴(yán)重的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）脅迫反應(yīng)，干擾新合成蛋白的正常折疊與貯藏物質(zhì)的沉積，最終導(dǎo)致籽粒堊白顯著增加。

圖2 D-氨基酸穩(wěn)態(tài)改變導(dǎo)致嚴(yán)重內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫和肽鏈/蛋白質(zhì)異構(gòu)化水平改變

在育種應(yīng)用層面，研究團(tuán)隊(duì)鑒定到OsDAAT1^Hap1為低堊白優(yōu)異單倍型，攜帶OsDAAT1^Hap1的自然品種和置換系均表現(xiàn)為更低的堊白。群體遺傳分析顯示，該基因在水稻馴化過(guò)程中可能經(jīng)歷了人工選擇。該發(fā)現(xiàn)為通過(guò)分子設(shè)計(jì)育種改良稻米外觀(guān)品質(zhì)提供了重要的功能等位基因資源。

圖3 OsDAAT1 Hap1低堊白優(yōu)異單倍型的鑒定

本研究首次揭示D-氨基酸代謝通過(guò)調(diào)控蛋白質(zhì)異構(gòu)化和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫響應(yīng)影響水稻籽粒品質(zhì)，構(gòu)建了“D-氨基酸代謝—蛋白質(zhì)構(gòu)象穩(wěn)態(tài)—內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫—堊白形成”的新調(diào)控模型，為水稻產(chǎn)量與品質(zhì)協(xié)同改良提供了新的理論支撐和遺傳改良靶點(diǎn)。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)董慧教授、雷潔博士、田云錄副教授和南開(kāi)大學(xué)劉娟博士生為研究論文共同第一作者。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)萬(wàn)建民院士、王益華教授，南開(kāi)大學(xué)李功玉教授為該研究論文的共同通訊作者。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院鮑依群教授和劉峰副教授、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所任玉龍研究員等也參與了該工作。本研究是萬(wàn)建民院士團(tuán)隊(duì)繼在Nature Genetics、Plant Cell等刊物上發(fā)表多篇研究論文后，在稻米品質(zhì)，尤其是外觀(guān)品質(zhì)領(lǐng)域取得的又一重要進(jìn)展。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023ZD0406902和2022YFA1305202）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、江蘇省種業(yè)振興“揭榜掛帥”項(xiàng)目和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題等項(xiàng)目的資助。

文章DOI鏈接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519395123 with DOI number 10.1073/pnas.2519395123.