Published April 17, 2018 | Version v1
Publication Open

<i>Os<scp>PK</scp>2</i> encodes a plastidic pyruvate kinase involved in rice endosperm starch synthesis, compound granule formation and grain filling

Creators

  • 1. China National Rice Research Institute
  • 2. ZheJiang Academy of Agricultural Sciences

Description

Starch is the main form of energy storage in higher plants. Although several enzymes and regulators of starch biosynthesis have been defined, the complete molecular machinery remains largely unknown. Screening for irregularities in endosperm formation in rice represents valuable prospect for studying starch synthesis pathway. Here, we identified a novel rice white-core endosperm and defective grain filling mutant, ospk2, which displays significantly lower grain weight, decreased starch content and alteration of starch physicochemical properties when compared to wild-type grains. The normal starch compound granules were drastically reduced and more single granules filled the endosperm cells of ospk2. Meanwhile, the germination rate of ospk2 seeds after 1-year storage was observably reduced compared with wild-type. Map-based cloning of OsPK2 indicated that it encodes a pyruvate kinase (PK, ATP: pyruvate 2-O-phosphotransferase, EC 2.7.1.40), which catalyses an irreversible step of glycolysis. OsPK2 has a constitutive expression in rice and its protein localizes in chloroplasts. Enzyme assay showed that the protein product from expressed OsPK2 and the crude protein extracted from tissues of wild-type exhibits strong PK activity; however, the mutant presented reduced protein activity. OsPK2 (PKpα1) and three other putative rice plastidic isozymes, PKpα2, PKpβ1 and PKpβ2, can interact to form heteromer. Moreover, the mutation leads to multiple metabolic disorders. Altogether, these results denote new insights into the role of OsPK2 in plant seed development, especially in starch synthesis, compound granules formation and grain filling, which would be useful for genetic improvement of high yield and rice grain quality.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

النشا هو الشكل الرئيسي لتخزين الطاقة في المحطات العليا. على الرغم من تحديد العديد من الإنزيمات والمنظمين للتخليق الحيوي للنشا، إلا أن الآلية الجزيئية الكاملة لا تزال غير معروفة إلى حد كبير. يمثل فحص المخالفات في تكوين السويداء في الأرز احتمالًا قيمًا لدراسة مسار تخليق النشا. هنا، حددنا السويداء الجديدة ذات النواة البيضاء للأرز وطفرة ملء الحبوب المعيبة، ospk2، والتي تعرض وزنًا أقل للحبوب بشكل كبير، وانخفاض محتوى النشا وتغيير الخصائص الفيزيائية الكيميائية للنشا عند مقارنتها بالحبوب البرية. تم تقليل حبيبات مركب النشا الطبيعية بشكل كبير وملأت المزيد من الحبيبات المفردة خلايا السويداء في ospk2. وفي الوقت نفسه، انخفض معدل إنبات بذور ospk2 بعد التخزين لمدة عام واحد بشكل ملحوظ مقارنة بالنوع البري. أشار استنساخ OsPK2 القائم على الخريطة إلى أنه يشفر كيناز البيروفات (PK، ATP: البيروفات 2 - O - phosphotransferase، EC 2.7.1.40)، والذي يحفز خطوة لا رجعة فيها من تحلل السكر. يحتوي OsPK2 على تعبير تأسيسي في الأرز وبروتينه موضعي في البلاستيدات الخضراء. أظهر فحص الإنزيم أن منتج البروتين من OsPK2 المعبر عنه والبروتين الخام المستخرج من أنسجة النوع البري يُظهر نشاطًا قويًا لـ PK ؛ ومع ذلك، قدمت الطفرة نشاطًا منخفضًا للبروتين. يمكن أن يتفاعل OsPK2 (PKpα 1) وثلاثة إيزوزيمات بلاستيدية أخرى مفترضة للأرز، PKpα 2 و PKpβ 1 و PKpβ 2، لتشكيل متجانس. علاوة على ذلك، تؤدي الطفرة إلى اضطرابات استقلابية متعددة. إجمالاً، تشير هذه النتائج إلى رؤى جديدة حول دور OsPK2 في تطوير بذور النباتات، خاصة في تخليق النشا وتكوين الحبيبات المركبة وملء الحبوب، والتي ستكون مفيدة للتحسين الجيني للعائد العالي وجودة حبوب الأرز.

Translated Description (French)

L'amidon est la principale forme de stockage d'énergie dans les plantes supérieures. Bien que plusieurs enzymes et régulateurs de la biosynthèse de l'amidon aient été définis, la machinerie moléculaire complète reste largement inconnue. Le dépistage des irrégularités dans la formation de l'endosperme dans le riz représente une perspective précieuse pour l'étude de la voie de synthèse de l'amidon. Ici, nous avons identifié un nouvel endosperme à noyau blanc de riz et un mutant de remplissage de grain défectueux, ospk2, qui présente un poids de grain significativement plus faible, une teneur en amidon réduite et une altération des propriétés physico-chimiques de l'amidon par rapport aux grains de type sauvage. Les granules de composé d'amidon normal ont été considérablement réduits et plus de granules simples ont rempli les cellules de l'endosperme de ospk2. Pendant ce temps, le taux de germination des graines ospk2 après 1 an de stockage était significativement réduit par rapport au type sauvage. Le clonage cartographique d'OsPK2 a indiqué qu'il code pour une pyruvate kinase (PK, ATP : pyruvate 2-O-phosphotransférase, EC 2.7.1.40), qui catalyse une étape irréversible de glycolyse. OsPK2 a une expression constitutive dans le riz et sa protéine se localise dans les chloroplastes. Le dosage enzymatique a montré que le produit protéique de OsPK2 exprimé et la protéine brute extraite des tissus de type sauvage présentent une forte activité PK ; cependant, le mutant présentait une activité protéique réduite. OsPK2 (PKpα1) et trois autres isozymes plastidiques présumées du riz, PKpα2, PKpβ1 et PKpβ2, peuvent interagir pour former un hétéromère. De plus, la mutation entraîne de multiples troubles métaboliques. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent de nouvelles connaissances sur le rôle de OsPK2 dans le développement des semences de plantes, en particulier dans la synthèse de l'amidon, la formation de granules composés et le remplissage des grains, ce qui serait utile pour l'amélioration génétique du rendement élevé et de la qualité des grains de riz.

Translated Description (Spanish)

El almidón es la principal forma de almacenamiento de energía en las plantas superiores. Aunque se han definido varias enzimas y reguladores de la biosíntesis del almidón, la maquinaria molecular completa sigue siendo en gran parte desconocida. La detección de irregularidades en la formación del endosperma en el arroz representa una perspectiva valiosa para estudiar la vía de síntesis del almidón. Aquí, identificamos un nuevo endospermo de núcleo blanco de arroz y un mutante de relleno de grano defectuoso, ospk2, que muestra un peso de grano significativamente menor, un menor contenido de almidón y una alteración de las propiedades fisicoquímicas del almidón en comparación con los granos de tipo salvaje. Los gránulos del compuesto de almidón normal se redujeron drásticamente y más gránulos individuales llenaron las células del endospermo de ospk2. Mientras tanto, la tasa de germinación de las semillas de ospk2 después de 1 año de almacenamiento se redujo observablemente en comparación con las de tipo salvaje. La clonación basada en el mapa de OsPK2 indicó que codifica una piruvato quinasa (PK, ATP: piruvato 2-O-fosfotransferasa, EC 2.7.1.40), que cataliza un paso irreversible de glucólisis. OsPK2 tiene una expresión constitutiva en el arroz y su proteína se localiza en los cloroplastos. El ensayo enzimático mostró que el producto proteico de OsPK2 expresado y la proteína bruta extraída de tejidos de tipo salvaje exhibe una fuerte actividad PK; sin embargo, el mutante presentó una actividad proteica reducida. OsPK2 (PKpα1) y otras tres supuestas isoenzimas plastídicas del arroz, PKpα2, PKpβ1 y PKpβ2, pueden interactuar para formar un heterómero. Además, la mutación conduce a múltiples trastornos metabólicos. En conjunto, estos resultados denotan nuevos conocimientos sobre el papel de OsPK2 en el desarrollo de semillas de plantas, especialmente en la síntesis de almidón, la formación de gránulos compuestos y el relleno de granos, que serían útiles para la mejora genética de alto rendimiento y la calidad del grano de arroz.

Files

pbi.12923.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:94e31d0f5aa6f3de7312a02af9d3847f
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يشفر <i>Os<scp>PK</scp>2</i> كيناز البيروفات البلاستيدي المتورط في تخليق نشا السويداء للأرز وتكوين الحبيبات المركبة وملء الحبوب
Translated title (French)
<i>Os<scp>PK</scp>2</i> code pour une pyruvate kinase plastidique impliquée dans la synthèse de l'amidon de l'endosperme de riz, la formation de granules composés et le remplissage des grains
Translated title (Spanish)
<i>Os<scp>PK</scp>2</i> codifica una piruvato quinasa plastídica involucrada en la síntesis de almidón del endospermo de arroz, la formación de gránulos compuestos y el llenado de granos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2789510367
DOI
10.1111/pbi.12923

Is supplement to
https://openalex.org/W2970768460 (Other)
https://openalex.org/W2471782096 (Other)
https://openalex.org/W2399054906 (Other)
https://openalex.org/W2139759180 (Other)
https://openalex.org/W2128655415 (Other)
https://openalex.org/W2072413715 (Other)
https://openalex.org/W2071334540 (Other)
https://openalex.org/W2064552463 (Other)
https://openalex.org/W2053849287 (Other)
https://openalex.org/W2009039396 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W147817263
  • https://openalex.org/W1480905987
  • https://openalex.org/W1494075612
  • https://openalex.org/W151211250
  • https://openalex.org/W1582103980
  • https://openalex.org/W1647894753
  • https://openalex.org/W1855222496
  • https://openalex.org/W1872726919
  • https://openalex.org/W1969940992
  • https://openalex.org/W1970602872
  • https://openalex.org/W1974947616
  • https://openalex.org/W1976659573
  • https://openalex.org/W1979822940
  • https://openalex.org/W1986279042
  • https://openalex.org/W1989663405
  • https://openalex.org/W1994269768
  • https://openalex.org/W2023417060
  • https://openalex.org/W2025208067
  • https://openalex.org/W2031825920
  • https://openalex.org/W2040166612
  • https://openalex.org/W2040204960
  • https://openalex.org/W2040690033
  • https://openalex.org/W2046285044
  • https://openalex.org/W2057760554
  • https://openalex.org/W2070012346
  • https://openalex.org/W2078245428
  • https://openalex.org/W2094830599
  • https://openalex.org/W2095166254
  • https://openalex.org/W2111979511
  • https://openalex.org/W2112837924
  • https://openalex.org/W2115883942
  • https://openalex.org/W2117234007
  • https://openalex.org/W2119179069
  • https://openalex.org/W2122799947
  • https://openalex.org/W2124279235
  • https://openalex.org/W2126927919
  • https://openalex.org/W2131022886
  • https://openalex.org/W2131942309
  • https://openalex.org/W2134245322
  • https://openalex.org/W2136061649
  • https://openalex.org/W2140509618
  • https://openalex.org/W2142735139
  • https://openalex.org/W2143601896
  • https://openalex.org/W2145855403
  • https://openalex.org/W2150090592
  • https://openalex.org/W2152953206
  • https://openalex.org/W2156700158
  • https://openalex.org/W2158287613
  • https://openalex.org/W2180360173
  • https://openalex.org/W2239307992
  • https://openalex.org/W2257728601
  • https://openalex.org/W2430672277
  • https://openalex.org/W2496355390
  • https://openalex.org/W2512154682
  • https://openalex.org/W2561925859
  • https://openalex.org/W2569878692
  • https://openalex.org/W3007054595
  • https://openalex.org/W4255030633
  • https://openalex.org/W4294309038
  • https://openalex.org/W84273963