植物类胡萝卜素生物合成相关基因的表达调控及其在植物基因工程中的应用

类胡萝卜素是人类饮食结构中不可缺少的重要成分,具有多种重要的保健功能,尤其是有些类胡萝卜素,如β-胡萝卜素是合成维生素A的前体,具有抗癌和提高免疫力等功效。类胡萝卜素还广泛用于医药和化妆品工业。迄今为止,自然界中发现的大多数类胡萝卜素都是微量的中间产物,很难直接利用。本文概述了高等植物类胡萝卜素生物合成途径、类胡萝卜素生物合成关键酶基因的克隆,如异戊烯焦磷酸异构酶、牻牛儿牻牛儿基焦磷酸合成酶、八氢番茄红素合成酶、八氢番茄红素脱氢酶、ζ-胡萝卜素脱氢酶、!-番茄红素环化酶、ε-番茄红素环化酶,并对这些关键酶基因的功能进行鉴定。以水稻、油菜、马铃薯和番茄为例,阐明了类胡萝卜素合成关键酶基因在植物基因工程中的应用。将黄水仙的Psy和Lcy-b以及噬夏孢欧文氏菌(Eriwiniauredovora)CrtI基因同时转入水稻,水稻种子内胚乳类胡萝卜素含量得到提高。另外,在油菜、马铃薯和番茄中转入与类胡萝卜素合成相关的基因,类胡萝卜素含量也发生不同程度的提高,基因表达水平也发生变化。阐述了通过基因操作技术只能得到极少量的类胡萝卜素,只有进一步弄清类胡萝卜素代谢途径,提高外源基因在植物中的特异表达,才能合成大量类胡萝卜素,使类胡萝卜素遗传操作技术成功运用于作物品质改良。     

皂荚类胡萝卜素合成途径基因表达分析及miRNA调控的鉴定

皂荚是豆科皂荚属落叶乔木,具有较高的生态价值和药用价值。研究相关基因的表达、调控及功能,是分子改良植物的重要前提,而目前对皂荚基因表达调控的研究鲜有报道。为了探究皂荚荚果成熟过程中类胡萝卜素合成途径的基因表达和调控,本研究基于皂荚荚果两个不同发育期(7月, 9月)的转录组高通量测序结果,发现合成类胡萝卜素关键前体番茄红素的合成酶基因(CrtQ)在皂荚荚果成熟早期被显著抑制,而负责内源激素脱落酸(ABA)的合成酶基因(AAO3)被显著诱导;另外,研究发现miR838-3p可调控类胡萝卜素途径中合成番茄红素的前体的酶基因(CrtB)。本研究结果表明,类胡萝卜素途径中色素合成过程被miR838-3p抑制进而诱导脱落酸的合成从而在皂荚荚果成熟中起着重要作用,并可能会反馈促进次生代谢物皂苷的生成。研究首次鉴定了皂荚荚果发育中类胡萝卜素合成途径基因的表达模式,并揭示了miRNA的调控,该结果可为提高皂荚抗逆性或遗传改良荚果内重要次生代谢物皂苷含量提供分子线索和依据。     

辣椒不同发育时期果实着色的转录组分析

为研究辣椒果实不同发育时期着色的基因表达差异,探究参与或调控辣椒果实类胡萝卜素合成的基因或转录因子。本研究采用RNA-Seq技术对辣椒果实青果期(G)、转色期(B1,果实表面30%左右变色)、转色期(B2,果实表面50%左右变色)和成熟期(R)的辣椒果实进行了转录组测序分析。结果表明,G-vs-B1、B1-vs-B2和B2-vs-R上调和下调的差异表达基因(DEGs)分别为924个和2 188个;DEGs经GO富集分析主要集中在生物调控、应激反应、信号、代谢过程和生长等的生物过程;DEGs经KEGG富集分析主要富集在类胡萝卜素生物合成和淀粉、蔗糖代谢等信号通路,DEGs共注释到3 079个转录因子,包括AP2、MYB、MADS和ERF等类型,转录因子AP2在调控植物类胡萝卜素的生物合成方面已得到证实,但在辣椒果实着色过程中的作用还有待研究。本研究为进一步挖掘辣椒果实着色过程中的关键调控因子,解析调控类胡萝卜素生物合成提供理论基础。     

植物类胡萝卜素代谢调控的研究进展

类胡萝卜素是高等植物必不可少的一类色素物质,能够保护植物组织勉受强光破坏,同时还是合成维生素A的前体,对人类的营养和健康起着重要的作用。类胡萝卜素的代谢途径已经清楚,近十几年来的研究主要集中于类胡萝卜素代谢的调控机理。本综述介绍了植物类胡萝卜素代谢的调控机理及基因工程方面的研究进展,并对今后类胡萝卜素的代谢调控研究进行了展望。     

转录因子调控植物类胡萝卜素合成途径的研究进展

类胡萝卜素是一类天然脂溶性色素的总称,在所有光合作用生物体的采光、光保护、色素-蛋白质复合物的结构维持等方面起重要作用。在植物体内,经由甲基赤藓糖醇(methyl erythritolphosphate, MEP)的类胡萝卜素合成途径已大致阐明,该途径受到多种调控,其中转录因子的调控机理较为复杂,涉及到多个方面。重点综述了调控植物类胡萝卜素合成的转录因子,包括MADS-box、NAC、AP2/ERF和MYB家族等,对它们的功能、作用机理等方面进行了总结,为进一步阐明类胡萝卜素生物合成调控网络提供参考。     

水稻叶色白化转绿及多分蘖矮秆突变体hfa-1的基因表达谱分析

hfa-1的白化转绿、多分蘖矮秆表型受单隐性核基因hw-1(t)控制。该基因编码含线粒体交替氧化酶AOX结构的叶绿体蛋白,通过参与叶绿体呼吸电子传递链,对类胡萝卜素生物合成途经及其次生代谢途径进行调控。本研究对hfa-1突变体叶色白化转绿过程中的类胡萝卜素生物合成途径、与该途径有关的植物激素代谢途径的相关基因进行表达分析,并分析了hfa-1突变体在白化、转绿两个时期的基因表达谱。结果表明,类胡萝卜素、植物激素(GA、ABA和SL)生物合成相关基因在hfa-1突变体白化期叶片中表达量减低,暗示hw-1(t)基因的突变抑制了苗期类胡萝卜素合成,同时还对涉及该过程相关多个次生代谢途径产生影响。通过基因表达谱芯片和功能分类分析,发现hfa-1叶色白化转绿过程中上调和下调表达基因涉及的生理过程主要在光合作用、应对内源刺激物和胁迫响应等方面;其中电子传递体Cytb6/f复合蛋白合成相关基因上调表达明显,推测Cytb6/f蛋白复合体在电子传递和质醌库还原氧化上对hw-1(t)起一定的补偿功能。     

植物类胡萝卜素生物合成及其调控与遗传操作

类胡萝卜素是生物体内通过类异戊二烯途径合成的、自然界广泛存在的一大类天然色素物质的总称。近年来,类胡萝卜素生物合成基因的分离和功能鉴定与有关类胡萝卜素生物合成调控机制研究的新进展,使通过遗传操作调控植物体内类胡萝卜素生物合成途径成为可能。本文主要综述了近年来类胡萝卜素生物合成及其调控研究的进展,并介绍了应用转基因技术改变植物体内类胡萝卜素成分与含量的成功事例。     

烟草β-胡萝卜素羟化酶基因的特征分析

β-胡萝卜素羟化酶基因在植物类胡萝卜素的合成代谢过程中起着关键的作用。烟草中的类胡萝卜素是烟叶香气物质的主要前体物之一。本研究克隆了烟草4个β-胡萝卜素羟化酶基因。烟草β-胡萝卜素羟化酶基因与其它作物的BCH基因具有相似的结构,由7个外显子和6个内含子组成。其编码的蛋白包含BCH蛋白的保守结构域,即脂肪酸羟化酶超家族保守域。进化分析表明,烟草Nt BCH蛋白与番茄、枸杞、辣椒等茄科作物的BCH蛋白遗传距离较近。组织特异性表达分析表明,Nt BCH1和Nt BCH2基因主要在叶和花中表达,Nt BCH3和Nt BCH4主要在根和花中表达。从本研究结果推断,可以通过调控Nt BCH1和Nt BCH2基因的表达控制烟叶中类胡萝卜素的含量。     

不同花色印度野牡丹转录组功能注释和分析

印度野牡丹(Melastoma malabathricum)属于野牡丹科野牡丹属,是双子叶有花植物,具有优良的观赏价值和药用价值,在未来的城乡绿化中具有较大的应用潜力和景观贡献力。本研究以粉色和白色的印度野牡丹为材料,采用RNA-seq转录组测序获得54 725条Unigene,并分别通过Nr、SwissProt、KOG和KEGG 4个数据库分别进行同源比对和功能注释,其中有11 319条Unigenes在4个数据库中都注释到了相应的功能基因。GO注释到123 355个Unigenes分为3个本体49个功能组,KEGG注释到7 880条Unigenes涉及129种代谢途径,其中部分Unigene涉及花色素合成途径、类黄酮合成途径、类胡萝卜素等合成途径。这些研究结果为后续深入开展印度野牡丹花青素等物质代谢合成途径及相关基因研究奠定基础。     

旱垂柳转录组测序及赤霉素在垂枝形成中的作用

垂枝作为特殊的林木形态结构,因形态优美在全世界被广泛用于绿化和园林景观而成为研究热点。国内外对垂枝植物的研究表明赤霉素在垂枝形成中起作用,但是垂枝形成的分子背景研究仍比较缺乏。本研究以旱垂柳(Salix matsudana var. pseudo-matsudana)的垂枝为研究对象,通过对旱垂柳在不同生长发育时期的叶片、茎尖和茎基部进行了转录组和数字表达谱测序研究,共获得71 474个Unigenes序列。将Unigenes与COG和KEEG数据库比对,与转录和信号转导机制相关的基因在旱垂柳中高度富集,最终确定8 359个差异表达的基因,其中427个基因与激素相关。进一步分析赤霉素相关基因得出,主要参与2条赤霉素合成途径,具有生物活性的GA4是合成途径中的主要产物,而且GA4在枝条中的含量显著高于GA1和GA3。参与赤霉素信号转导途径中的GID1B在旱垂柳中上调表达,以及在G1和G4生长期的表达量高于其他时期,而DELLA蛋白GAI在G2生长期以后下调表达,GID1B和GAI在旱垂柳的垂枝生长过程中可能起非常重要的作用。这些研究结果将有助于探索赤霉素在旱垂柳垂枝形成中的分子作用,可为林木形态的遗传改良提供基础理论依据。     

植物类黄酮次生代谢生物合成相关转录因子及其在基因工程中的应用

转录因子在类黄酮次生代谢生物合成中起着重要的作用,通过与结构基因的结合,转录因子可激活次生代谢合成途径中多个基因协同表达,从而有效启动次生代谢途径。转录因子可以激活不同植物中相似黄酮类次生代谢合成基因的表达,将从特定植物中分离出来的转录因子基因在不同植物中进行遗传转化,可以有效提高转基因植物中黄酮类物质的含量。因此,转录因子的应用是类黄酮次生代谢基因工程中的一个新方向,已显示出广泛的应用前景。本文主要介绍了类黄酮次生代谢途径相关的MYB和MYC两大类转录因子,以及利用这两类转录因子在类黄酮生物合成遗传改良中的研究进展。     

西红花苷的生物合成及CCD家族基因研究进展

西红花苷属于脱辅基类胡萝卜素化合物,是中国传统珍贵药材西红花（藏红花）的主要活性成分。为解析西红花苷合成途径及明确参与该途径的基因功能,本文系统综述了西红花苷的结构特征、生物合成过程及前体物质、西红花苷合成过程中类胡萝卜素裂解双加氧酶(CCD)家族基因(CCD1、CCD4、CCD7、CCD8)的功能及表达特征等方面的研究进展。指出了西红花苷合成途径及关键基因现阶段研究中存在的问题,认为随着分子生物学技术的发展,更多参与西红花苷合成途径的基因将被挖掘鉴定,有助于明确西红花苷合成途径。     

兰科植物花香成分研究进展

从兰科植物花香成分及其合成调控等方面进行综述,重点总结了常见兰花的主要花香成分、影响检测花香成分时的主要因素,以及花香生物合成途径中相关分子调控机制。分析表明,萜烯类化合物是兰花最主要花香成分,采样时期、部位、环境和检测技术等都会导致花香成分变化,萜类合成酶基因(TPS)和MYB类转录因子是花香物质代谢途径中主要调控基因。发现兰科植物相关花香成分完整代谢途径及分子调控机制的研究缺乏,是兰科植物花香性状研究现状存在的主要问题,深入挖掘与利用兰花香花基因、完善相关代谢途径将会是兰科植物花香性状未来的研究重点。     

生长素响应因子(ARF)与植物遗传育种

生长素响应因子(auxin response factor,ARF)是一类能够特异结合生长素初期响应基因启动子中的Aux RE而发挥激活或抑制作用的转录因子。其对生长素合成的调控影响到植物生长发育的各个阶段。ARFs在植物生长发育的不同时期及不同部位中普遍表达,其作用机理的研究主要是通过其缺失突变体的功能来发挥。本研究综述了植物中的ARF家族的情况、其蛋白的基本结构及其作用机制,并重点阐述ARF参与的植物多种代谢途径和生长发育过程,分别从其与植物器官形成、果实生长及发育和抗逆特性等方面具体说明,这些候选基因资源对植物遗传改良和设定育种目标具有重要意义。     

西瓜ζ-胡萝卜素脱氢酶基因ZDS的克隆和序列分析

西瓜果实因富含类胡萝卜素而具有一系列瓤色。为研究西瓜果实中类胡萝卜素合成过程,利用西瓜参考基因组数据,从红色西瓜材料LSW-177中克隆了一个ζ-胡萝卜素脱氢酶基因(ZDS)的cDNA全长,命名为ClZDS,该基因编码区为1 731 bp,编码576个氨基酸。亚细胞定位预测显示,ClZDS蛋白可能被定位在叶绿体中;保守结构域和多重序列比对分析显示,西瓜ClZDS蛋白含有高等植物ζ-胡萝卜素脱氢酶特有的NAD结合结构域以及类胡萝卜素结合结构域;系统进化树分析表明ClZDS与同属葫芦科的甜瓜和西葫芦的ZDS蛋白亲缘关系最近,物种间分化程度较小;荧光定量PCR结果显示ClZDS基因在西瓜果实授粉后40 d表达量最高。这些结果为进一步研究ClZDS基因在西瓜果实的类胡萝卜素合成途径中的作用提供了依据。     

辣椒蔗糖磷酸合成酶和磷酸蔗糖磷酸酶基因家族鉴定及表达

蔗糖磷酸合成酶(SPS)和磷酸蔗糖磷酸酶(SPP)是植物蔗糖合成的重要酶,在调控蔗糖合成及其积累等方面有重要作用。辣椒基因组测序的完成及转录组数据的公布为鉴定和探究辣椒SPS和SPP基因的多样性提供了机会。本研究利用生物信息学方法对辣椒SPS和SPP基因进行鉴定,并从染色体定位、系统发育关系和表达模式分析其特征。结果发现,两个辣椒共含有4个SPS和SPP基因,每个辣椒种均编码2个成员,SPS编码的氨基酸长度和分子量约是SPP的2倍,等电点范围6.12～8.16和5.96～6.26之间。染色体定位发现辣椒SPS和SPP基因均定位在不同的染色体上。系统发育树的构建来自7个物种,结果表明SPS和SPP都可以分为4个亚族。表达谱分析显示,基因呈现差异表达,其中Ca-LZSPS1和Ca-LZSPP2呈现广谱性表达;进一步研究发现,SPS和SPP基因都受到3种激素(ABA, IAA, SA)不同程度的诱导;此外,在逆境胁迫下,辣椒SPS相比SPP更容易受到环境诱导,而SPP基因则在叶中主要参与热调控机制,在根中更多的参与冷调控机制。这些结果阐明了辣椒SPS和SPP基因的表达特性,为进一步研究辣椒中蔗糖的合成与积累提供理论依据。     

转录因子WRI1在主要作物中的研究进展

在高等植物生长发育及对环境变化的应答中,转录因子通过调控启动子的方式来发挥调节作用。转录因子WRI1的靶基因主要参与脂肪酸合成和糖酵解,因而在植物脂肪酸合成和积累中起着重要的作用。本文阐述了近年来植物WRI1转录因子研究进展,主要包括WRI1在糖酵解和脂肪酸合成信号转导途径中的地位以及已克隆的WRI1基因时空表达特点和编码蛋白的结构特点。本文还就转录因子WRI1提高作物含油量的应用前景在棉花(Gossypium hirsutum L.)中的研究提出展望。     

高等植物类胡萝卜素生物合成研究进展

类胡萝卜素是以类异戊二烯为基础单位聚合而成的萜类化合物。在高等植物中,类胡萝卜素具有吸收光能并传递给叶绿素a,辅助植物进行光合作用的功能。此外叶黄素还具有缓解眼睛疲劳以及预防老年性黄斑变性的作用。以乙酰辅酶A (acetyl coenzyme A, Acetyl-CoA)和甘油醛3-磷酸(Glyceraldehyde 3-phosphate)为起点,到生成牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate, GGPP)的生物合成过程有18个步骤,涉及16种酶催化反应。由GGPP到胡萝卜素和叶黄素有16个步骤,涉及10种酶催化反应。在高等植物体内类胡萝卜素的合成除受光、氧气、营养物质等外部条件影响外,也受其内在基因调控。本研究从类胡萝卜素的种类、合成途径以及合成过程的调控三大方面来概述有关高等植物类胡萝卜素合成的最新研究进展。为深入研究类胡萝卜素提供理论背景,同时也为其在食品、工业、医学、美妆等领域的进一步广泛应用提供具体科学依据。     

木质素生物合成关键酶咖啡酸-O-甲基转移酶基因(COMT)的研究进展

木质素是植物苯丙烷代谢途径的重要产物之一,其生物合成涉及到许多酶的参与。其中咖啡酸-O-甲基转移酶(caffeic acid-O-methyltransferase,COMT)是木质素特异途径中的一个关键酶,可催化咖啡酸、5-羟基松柏醛和5-羟基松柏醇甲基化分别生成阿魏酸、芥子醛和芥子醇,参与S-木质素的合成。本文主要对COMT基因的特征、COMT在木质素生物合成中的作用及COMT基因对植物木质素合成调控的研究现状进行了综述,并对COMT基因的研究方法和在生产中的应用作了展望。     

植物UDP-葡萄糖焦磷酸化酶家族基因鉴定及序列进化分析

UDP-葡萄糖焦磷酸化酶(UDP glucose pyrophosphorylase, UGP)是糖代谢合成途径中的一个关键酶。UGP以葡萄糖-1-磷酸和尿苷三磷酸为底物,催化反应生成尿苷二磷酸葡萄糖和焦磷酸,直接参与了植物糖代谢的生物合成。为了系统梳理UGP在植物基因组中的状况,我们对其基因进行了全面的鉴定和进化分析,并重点考察该基因在番茄中的表达。首先,我们针对UGP的基因序列,鉴定得到其保守结构域,在此基础上对相关基因进行了全面鉴定,从而构建了其进化树;其次,将番茄CDS序列比对到各探针,从而从数据库中提取组织中的表达数据;最后,通过结构域鉴定,进化树和表达量的分析,得出UGP在植物中的生物合成的机理。本研究为UDP-葡萄糖焦磷酸化酶提供了基因信息,为植物中糖代谢生物合成途径的作用机理及其对蔗糖合成的影响相关基因进化机制的研究提供帮助。