本项创新成果涉及生物技术领域,特别揭示了甘蔗中ScPDC1蛋白及其编码基因在增强植物抗病性方面的潜力。研究详细阐述了ScPDC1基因如何通过生物技术手段提升甘蔗对病害的抵抗力,为农业生物技术提供了新的解决方案。
背景技术
甘蔗( Saccharum
spp.)是热带和亚热带国家的重要糖料作物,可作为提取糖、制作乙醇、天然聚合物或大分子、有机物质以及其它化合物的材料。甘蔗生物质还可以转化为高价值的生物产品,以取代石油化工产品。但是,甘蔗在生长过程中,会受到包括凤梨病、黑穗病、宿根矮化病、花叶病等病害的影响,其中黑穗病是世界甘蔗种植区最普遍的真菌病害,该病害会对甘蔗产量和品质造成影响,导致严重的经济损失。由于甘蔗多倍体基因组的复杂性,甘蔗遗传和品种改良一直极具挑战性,为了满足全世界对糖和可再生能源日益增长的需求,提高甘蔗产量和抗病能力,迫在眉睫。而基因的挖掘和功能验证是甘蔗抗病育种的前提和基础。
以丙酮酸为底物的乙醇发酵途径,是植物适应低氧/缺氧的重要代谢途径之一,也是控制组织中丙酮酸水平的重要代谢途径之一,为植株的生长发育提供能量,从而维持植株的生长。丙酮酸脱羧酶(pyruvate decarboxylase,PDC,EC 4.1.1.1)是发酵代谢途径中丙酮酸产生乙醇的第一步反应关键酶,是一种羧基裂解酶,简称α-羧化酶。在无氧或低氧条件下,PDC可以结合硫胺素焦磷酸(thiamine pyrophosphate,TPP)与镁离子(Mg2+
)一起参与丙酮酸脱羧生成乙醛,接着乙醛在乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase,ADH)催化作用下生成乙醇。在生物体中还存在PDC-ALDH-ACS途径(PDH旁路),该途径中的乙醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase,ALDH)利用NAD+
或NADP+
作为辅助因子把乙醛氧化成乙酸,接着乙酸可以被乙酰辅酶A合成酶(acetyl coenzyme A synthetase,ACS)转化成乙酰辅酶A,乙酰辅酶A是糖异生、TCA循环以及脂肪酸或脂质的生物合成的底物化合物。这些途径在植物生长发育供能、碳代谢和糖代谢等方面有重要作用。前人研究报道 PDC
基因在病害、高盐、干旱等胁迫下发挥重要作用。因此,挖掘和验证甘蔗中的 PDC
基因能够为甘蔗抗病育种提供一定的理论依据和参考。
实现思路