异黄酮合成代谢调控关键酶CHS、CHI的特性与研究前景

查尔酮合酶(Chalcone synthase,CHS)与查尔酮异构酶(Chalcone isomerase,CHI)是异黄酮合成途径中的两个关键酶,它们在植物中的表达效率直接影响到异黄酮的产量.本文综述了植物CHS、CHI的功能、特性、基因结构、进化以及基因表达调控等方面研究的新进展,并对CHS、CHI研究的应用前景进行了展望,在此基础上提出了从根本上提高异黄酮产量的可行途径以及一些亟代解决的问题.     

大豆异黄酮生物合成串联基因簇及其表达载体的构建

植物异黄酮是一种重要的次级代谢产物,在植物的生理活动以及人类健康方面具有重要作用.植物异黄酮生物合成途径有三个调控酶:查尔酮合酶(Chaleone synthase,CHS),查尔酮异构酶(Chalcone Isomerase,CHI)和异黄酮合酶(Isoflavone synthase,IFS).以大豆为材料,利用RT-PCR方法克隆到查尔酮合酶基因(CHS),查尔酮异构酶基因(CHI Ⅱ)和异黄酮合酶基因(IFS)的eDNA(Genebank登记号分别为EU526827,EU526829,EU526830)经过NCBI在线Blast比对,相似度均在98%以上,确认克隆的目标基因是正确的;将这三种基因顺序连接,构建成串联基因簇CHS-CHI Ⅱ-IFS(命名为rIFS),并且构建了rlFS的原核表达载体,进行了初步的表达研究.为进一步研究植物异黄酮的生物合成以及进行异黄酮生物工程奠定了基础.     

紫参薯查尔酮合成酶及异构酶基因的克隆与表达分析

查尔酮合成酶及其异构酶是黄酮类化合物合成途径中的2个关键酶,为研究其在紫参薯花青素合成途径中的功能,利用RT-PCR技术从紫参薯Da56块茎中克隆到查尔酮合成酶(chalcone synthase,CHS)和查尔酮异构酶(chalcone isomerase,CHI)基因,分别命名为DaCHS和DaCHI。结果表明:DaCHS基因包含825 bp的完整开放阅读框(ORF),预测编码274个氨基酸;DaCHI基因包含663 bp的完整开放阅读框,预测编码221个氨基酸。生物信息学分析结果表明,紫参薯DaCHS与油棕Eg CHS亲缘关系最近,氨基酸相似性达到90%;紫参薯DaCHI与野茶树CaCHI亲缘关系最近,氨基酸相似性达到67%。实时荧光定量PCR检测结果表明,DaCHS和DaCHI基因均具有组织表达特异性,其中DaCHS在花中相对表达量最高,而DaCHI在块茎中相对表达量最高;在紫参薯块茎发育不同时期的表达分析表明,DaCHS、DaCHI均在薯块膨大期相对表达量最高。本研究通过对DaCHS和DaCHI基因全长cDNA序列的克隆与分析,为紫参薯花青素合成途径的遗传调控及花青素形成机理的研究奠定基础。     

花生不同品种叶片类黄酮含量和相关合成酶活性对PEG胁迫的响应

以花生品种花17、农大818、丰花5号和山花11号为试材,聚乙二醇(PEG)室内砂培法模拟干旱胁迫,研究20%PEG胁迫下花生幼苗叶片中类黄酮含量及相关合成酶活性的变化。20% PEG开始处理后,随胁迫时间延长,幼苗叶中类黄酮含量逐步上升,在胁迫9h达到高峰,之后逐步下降至对照水平,农大818、丰花5号和山花11号均在处理后72h降至对照水平,花17在36h降至对照水平。PEG开始处理后苯丙氨酸解氨酶（PAL）、查尔酮合成酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）酶活性均逐渐提高,6h后CHS、CHI酶活性达到高峰,9h后PAL酶活性达到高峰,之后下降,4个品种趋势一致。分析表明PEG处理后山花11号和丰花5号的合成酶具有较高的活性和积累速率是其类黄酮快速大量合成的原因,而农大818 CHS酶活性和PAL酶活性提高速率较低限制了其类黄酮的积累,3种酶的活性和积累速率均较低导致花17叶中类黄酮合成少,含量提高慢。相关分析表明PEG胁迫下PAL、CHS、CHI共同调控类黄酮的代谢,胁迫引起PAL、CHS、CHI酶活性改变是类黄酮含量变化的原因。     

中国水仙查尔酮异构酶基因的克隆与表达分析

查尔酮异构酶(CHI)是影响类黄酮合成的一个重要限速酶,在植物花色发育过程中起着重要作用.通过RT-PCR和RACE技术从中国水仙的花瓣中克隆得到3条CHI基因,分别命名为NtCHIW、NtCHIJ和NtCHIY.3个基因均含有一个735 bp的开放阅读框(ORF),编码244个氨基酸.氨基酸序列分析表明:白花水仙与金...     

青稞CHS基因的克隆及原核表达分析

为进一步研究查尔酮合酶（Chalcone synthase,CHS）在黄酮化合物代谢过程中的作用,以青稞94-19-1为材料,通过同源克隆技术分离CHS基因,并对分离得到的CHS基因进行生物信息学分析及原核表达。结果表明,从青稞94-19-1中克隆得到的CHS基因编码区长为1 197 bp,编码398个氨基酸。生物信息学分析表明,该基因编码的蛋白质分子量为43.479 kDa,预测等电点(pI)为5.92,是酸性蛋白;该酶蛋白体外红细胞中的半衰期为30 h,不稳定系数(II)大于40,属于不稳定蛋白;平均亲水指数为-0.090,是亲水性的蛋白。SDS-PAGE检测结果表明,将该基因克隆到表达载体pET-32a上,并在大肠杆菌BL21中表达,可得到64 kDa左右的融合蛋白,在IPTG诱导浓度为1.0 mmol·L^-1时,最佳诱导时间为3 h。     

大豆胞囊线虫胁迫下GmCHS基因表达及异黄酮含量变化分析

异黄酮作为植保素,在生物因素、非生物因素的胁迫下,都发挥着重要抗逆作用,而查尔酮合成酶(CHS)是异黄酮形成途径中的关键位点,为研究GmCHS在大豆胞囊线虫胁迫下的响应表达,以便进一步揭示大豆抗大豆胞囊线虫的分子机理,本研究选取抗病品种灰皮支黑豆和感病品种Williams 82,在大豆胞囊线虫3号生理小种胁迫后的不同时期检测CHS5、CHS7、CHS8、CHS9基因的表达,并测定其下游产物异黄酮成分中的大豆苷元和黄豆黄素的含量.结果显示:感病品种中CHS5、CHS7、CHS8、CHS9基因的相对表达量变化程度较抗病品种小.胁迫5d时,抗病品种中4个查尔酮合成酶基因均明显上调表达,与实验室前期大豆转录组测序中CHS7、CHS8均上调表达结果一致.进一步对两个品种主要异黄酮成分含量的检测结果表明,大豆苷元相较于黄豆黄素在大豆胞囊线虫胁迫下响应更加敏感,其中大豆苷元在Williams 82无响应,而在灰皮支黑豆接种5,10,15 d均出现了显著差异,可见异黄酮中的大豆苷元很可能是响应大豆胞囊线虫胁迫的重要成分之一.因此,初步认为CHS基因在抗大豆胞囊线虫的抗性机制中具有重要作用.     

大豆查尔酮还原酶基因GmCHR的克隆与植物表达载体构建

黄酮类化合物在植物中参与过滤紫外线、固氮和花色形成等过程,异黄酮对人体有抗氧化、预防乳腺癌等保健作用。查尔酮还原酶(chalcone reductase,CHR)是植物中参与黄酮类化合物代谢的重要酶。克隆大豆查尔酮还原酶基因并构建植物表达载体,有助于进一步研究其功能和异黄酮的代谢过程。采用RT-PCR方法,从栽培大豆(Gly-cine max)南农1138-2中,克隆得到了第14号染色体上的一个编码大豆查尔酮还原酶(chalcone reductase,CHR)的基因,命名为GmCHR。该基因含有948 bp长的编码区序列(Coding DNA Sequence,CDS),编码315个氨基酸。预测其蛋白质分子量为35.5 kDa,等电点为6.32。与其他豆科植物中的查尔酮还原酶相比,GmCHR蛋白序列与葛藤(Puerari-ae montana)CHR的相似性最高,达94%。组织表达分析表明,在自然生长条件下GmCHR在叶中的表达量最大;其次是种子;在花和茎中相同;在根中的表达量最小。利用Gateway方法获得植物过表达载体pMDC83-GmCHR,经检测表明过表达载体已成功转化农杆菌EHA105,为今后进一步了解GmCHR在大豆异黄酮代谢过程中的功能提供材料基础。     

木薯查尔酮合酶MeCHS基因家族特征与表达分析

查尔酮合酶（chalconesynthase,CHS）是类黄酮合成途径的第一个限速酶，在植物花色形成、生长发育以及非生物胁迫中发挥着重要作用。为明确木薯MeCHS基因家族的特性及在木薯块根采后腐烂（PPD）中的表达，本研究利用生物信息学方法对木薯MeCHS基因家族成员进行理化性质、蛋白质结构等分析。采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测MeCHS基因在不同品种、不同组织及块根PPD过程中的表达情况，同时克隆并构建3个高表达的MeCHS基因的亚细胞定位载体并进行烟草瞬时转化以确定其定位。在木薯基因组中共鉴定出5个MeCHS基因家族成员，蛋白质二级结构以α-螺旋和不规则卷曲为主。qRT-PCR分析发现：MeCHS基因表达具有明显的组织特异性，在茎中表达水平最高；在木薯中主要表达的MeCHS基因为MeCHS1、MeCHS2和MeCHS3，且3个基因随着SC8块根贮藏时间的延长表达量逐步升高。将成功克隆得到的MeCHS1、MeCHS2和MeCHS3基因经农杆菌介导瞬时转化烟草下表皮细胞，显微观察表明3个基因均定位于细胞质，与预测结果相符。该研究结果可为进一步揭示木薯MeCHS基因家族的功...     

花青素合成关键酶基因的定位及结构分析

为研究大豆花青素合成途径关键酶的基因标记和结构信息,利用大豆基因组和染色体标记数据,对16个花青素合成关键酶基因(苯丙氨酸解氨酶(PAL)、查尔酮合酶(CHS,包括9个成员)、黄烷酮-3-羟化酶(F3H)、苯基苯乙烯酮黄烷酮异构酶(CHI)、二氢黄酮醇还原酶(DFR)和4-香豆酰CoA连接酶(4CL),进行基因遗传图和物理图定位和基因结构分析.结果表明:16个基因分别定位在A1、A2、B1、B2、D1a、D1b、D2、I、K、O等10个连锁群上,并获得了基因所在序列两侧标记.利用大豆的cDNA和gDNA序列信息,获得了16个基因的结构,外显子数目1～7个,内含子数目0～6个,其中PAL、DFR2、GmCHS7是单外显子基因,4CL、CHI、F3H、GmCHS1、GmCHS5、GmCHS8有1个内含子,DFR1、GmCHS2、GmCHS3、GmCHS6有2个内含子,GmCHS4、GmCHS9有3个内含子,GmIRCHS则有6个内含子.     

外源水杨酸诱导的部分甜瓜自毒作用相关基因的表达分析

以甜瓜(Cucumis melo)品种‘新银辉’为材料,采取根灌法,以水杨酸(10μmol/L)处理甜瓜幼苗,通过Real-Time PCR对叶片中部分自毒作用相关基因的表达量进行定量分析,以探究外源水杨酸诱导对甜瓜自毒作用的影响。结果显示,经外源水杨酸诱导后:(1)在催化苯丙烷类代谢途径的3个初始反应的蛋白酶编码基因中,PAL和C4H随处理后时间增加,呈逐渐上调趋势,但PAL比C4H更快响应胁迫,而4CL转录水平没有显著变化;(2)在类黄酮生物合成的3个关键酶的基因中,CHI、F3H均显示出不同程度的下调,CHS于处理后1 d略微上调,然后恢复至处理前水平;(3)两个转录因子基因WD40、R2R3-MYB分别在不同处理时间后显著下调;(4)WD40与CHI的表达相关性较高。据上述结果 ,水杨酸诱导后:(Ⅰ)CHI表达可能与转录因子WD40蛋白相关;(Ⅱ)WD40、R2R3-MYB与PAL、C4H、4CL、CHS间不存在简单、明确的调控关系;(Ⅲ)柚皮苷、表儿茶素、芦丁等甜瓜主要化感物质合成减少。     

大豆Gy1基因种子特异性表达载体的构建及在玉米中的转化

实验构建了2个大豆贮藏蛋白Gy1基因种子特异性表达载体,并将其分别转入玉米愈伤组织中。载体1以潮霉素为筛选标记,将Gy1基因片段插入到含有种子特异启动子的植物表达载体pCAMBIA1301-7αP上,得到种子特异性表达载体pCAMBIA1301-7αP-Gy1;载体2以BADH为筛选标记,将Gy1基因插入到带有耐盐基因BADH的植物表达载体pCAMBIA1301-BADH上,得到安全性无抗生素选择标记的种子特异性表达载体pCAMBI-A1301-sbeⅡb-Gy1。通过农杆菌介导法将其分别导入玉米自交系H99的愈伤组织中,共获得132株再生植株;经过PCR检测,初步证明获得了34株转基因阳性植株。     

基于phy基因的双边界植物表达载体构建

采用同源克隆方法从泡盛曲霉中克隆了1 515 bp 的植酸酶基因,与黑曲霉(A. niger963)phyA2 的核苷酸同源性为95%.以植物表达载体pTTBUG8为基础,构建了由35S启动子调控、具有磷高效利用功能基因(phy)的双边界植物表达载体 pBSP.解决了bar基因及其产物 PAT蛋白的安全性及产权等问题,并为植物养分高效利用基因工程研究奠定了重要基础.     

核盘菌诱导后向日葵防卫及激素信号传导相关基因差异表达分析

为探讨向日葵抗菌核病分子机制，在已构建的核盘菌诱导向日葵转录组差异表达基因分析基础上，筛选了8个向日葵防卫相关基因和水杨酸（SA）、茉莉（JA）及茉莉酸-乙烯（JA/ET）信号途径中的关键调控基因进行了qRT-PCR诱导表达分析。结果表明，当核盘菌侵染向日葵时，向日葵防御酶基因表达量与对照相比均有显著的变化，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和谷胱甘肽-S转移酶（GST）基因在6h表达量分别为对照25.02、22.34和26.25倍；苯丙氨酸解氨酶（PAL）、过氧化氢酶（CAT）和查尔酮合成酶（CHS）基因也上调表达，表达量在12h均达到最高，分别为对照的23.89、24.23和24.89倍；β-1，3-葡聚糖酶（GLU）基因在0～6h下调表达，之后又迅速升高，24h表达量达到最高，为对照的23.66倍；几丁质酶（CHI）基因先是下调表达，12h后开始上调表达，36h时表达量达到最高，为对照的22.13倍。SA、JA及JA/ET信号途径中的调控基因与未经诱导的相比均有明显的转录水平变化，而且JA/ET途径“节”点基因PDF1.2和SA-JA“节”点基因NPR1、MPK4和EDS1也明显上调表达。研究结果表明核盘菌诱导激发了向日葵多种抗病信号传导途径及防御反应，暗示向日葵对核盘菌侵染响应的分子机制受到多基因网络系统的调控。     

紫娟茶树叶片不同发育期花青素积累及合成相关基因的表达

为明确紫娟茶树（Camellia sinensis cv. Zijuan）叶片发育中花青素积累特性及合成途径上相关基因的表达特点,利用液质联用法（HPLC-MS）、转录组测序（RNA-Seq）和数字基因表达谱技术（DGE）,分析了紫娟茶树芽、第二叶、开面叶和成熟叶4个发育期花青素的种类、含量及合成相关基因的表达水平。结果表明,花青素积累量随叶片发育先增加后减少,第二叶含量最大（9.87βmg·g^-1）、成熟叶含量最小（0.11βmg·g^-1）,与叶色表现相吻合。结构基因PAL在芽、第二叶和开面叶高表达,在成熟叶下调表达;C4H、4CL、CHS、CHI、F3H、F3'H、F3'5'H和ANS表达模式相似,表达量均随叶片发育而降低,在芽期高表达,在成熟叶全部下调表达;FLS在第二叶上调表达,在成熟叶下调表达,与花青素积累情况一致;DFR在各发育期均有上调和下调表达。GT和ACT表达模式相似,在第二叶、开面叶和成熟叶上调表达;ANR和LAR表达模式相似,在芽、第二叶和开面叶高表达,在成熟叶下调表达。bHLH、MYB和WDR在各发育期均有上调或下调表达。说明紫娟茶树叶片不同发育阶段结构基因和调控基因的表达水平不同,导致花青素积累存在差异,具有一定的时间表达特异性。     

低聚木糖对大豆生长和花叶病毒病抗性的影响

用不同浓度的低聚木糖处理大豆,研究低聚木糖对大豆生长和花叶病毒病(SMV)抗性的影响,温室实验结果表明:低聚木糖溶液处理大豆种子18 d后与对照相比,50 mg.L-1低聚木糖对大豆幼苗的株高、鲜重和主根长有明显的促进作用。低聚木糖喷雾处理大豆叶片18 h后接种SMV,与对照相比显著降低了SMV病情指数。利用Quantita-tive RT-PCR检测低聚木糖处理的大豆叶片中的防卫相关基因的表达情况,与对照相比,防卫基因PR2、PR10、PR12和LOX2在低聚木糖处理12 h时有最高的相对表达量;PR3在低聚木糖处理18 h时有最高的相对表达量;PR1、PAL、PPO和CHS在低聚木糖处理24 h时显著上调表达。研究表明,低聚木糖激活了大豆SA信号通路和JA信号通路,从而提高了大豆对SMV的抗性。     

Expression Analysis of Genes Related to Rice Resistance Against Brown Planthopper,Nilaparvata lugens

Brown planthopper(BPH) is an insect species that feeds on the vascular system of rice plants. To examine the defence mechanism of rice plants against BPH, the pathogenesis-related genes(PR1a, PR2, PR3, PR4, PR6, PR9, PR10a, PR13, PR15 and PRpha), signaling molecule synthesis genes(AOS, AXR, ACO and LOX), antioxidant-related genes(CAT, TRX, GST and SOD) and lignin biosynthesis-related genes(CHS, CHI and C4H) were investigated in a resistant rice variety. AOS, PR6,PR9 and PR15 genes showed significantly increased relative expression levels at 24.38-, 19.17-, 14.71-, and 12.74-fold compared to the control. Moderate increased relative expression levels of lignin biosynthesis-related gene(C4H), pathogenesis-related genes(PR4, PR10a and PRpha), and antioxidant-related gene(GST) were found, while CHI, LOX, SOD, TRX1 and AXR showed decreased relative expression levels. It was thus clearly shown that wound-induced response genes were activated in rice plants after BPH attacks through AOS activation. Jasmonic acid signaling molecule may activate PR6, PR15, GST and CAT subsequently increasing their expression for H_2O_2 detoxification. PR6 were expressed at the highest relative level among the PR genes. These genes therefore have also a considerable synergistic role with the other genes against BPH by interfered their digestion tract system.