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。     

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。     

马尾松GGPPS基因与产脂力相关性分析

牻牛儿牻牛儿基焦磷酸合酶(GGPPS)是萜烯类物质合成的关键酶之一,推测与树脂合成能力相关。本研究根据马尾松GGPPS基因设计荧光定量引物,检测不同单株中基因表达水平,并与其产脂力进行相关性分析,结果显示两者相关系数为0.733,在0.01水平上显著相关。同时,将马尾松GGPPS基因的正义、反义片段分别转化拟南芥,检测发现转化正义片段的拟南芥植株中可检测到外源GGPPS基因表达,并且叶片中两种主要的二萜组分含量较野生型显著提高。转化反义片段的植株中,内源GGPPS基因表达则受到显著抑制,多种二萜组分含量显著降低。拟南芥转化结果说明GGPPS是二萜组分合成过程中的重要基因,并且马尾松GGPPS正义片段的转化能显著地促进二萜组分的合成。本研究结果为高产脂马尾松选育的分子辅助育种提供了有益的技术参考。     

高等植物类胡萝卜素的生物降解途径研究进展

本文总结了高等植物类胡萝卜素降解的主要途径。文章指出,类胡萝卜素的降解主要有酶降解和非酶降解两种方式,前者主要有羟化酶降解、双加氧酶裂解和脂氧合酶降解,后者主要有直接化学氧化降解、光氧化降解和热氧化降解。其中,热氧化降解包括温和条件(0~100 ℃) 下的和剧烈条件(300~800 ℃) 下的。目前,类胡萝卜素降解的调控机制尚不完全清楚。本文可为植物类产品生产和加工中类胡萝卜素降解的人工控制提供理论依据。     

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。     

种子拾趣

<正>"钻头"种子——牻牛儿苗牻牛儿苗(Erodium stephanianum Willd.)为牻牛儿苗科(Geraniaceae)植物,其具有一种能将自己埋藏起来的"钻头"形种子。牻牛儿苗的果实为蒴果,顶端具有长约4厘米的长喙,每果具5室,每室有1粒长2².5毫米褐色的种子。62.5毫米褐色的种子。6⁸月果实成熟时,蒴果就沿室间开裂,五果瓣(果爿)与中轴相分离,并由基部向顶端卷曲,在顶端与心皮柱相连。此时分果喙部成螺旋状卷曲,这就是牻牛儿     

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。     

海南粗榧GGPPs基因克隆与诱导表达分析

濒危植物海南粗榧富含多种抗癌活性次生代谢产物。为研究这些产物的生物代谢途径和表达调控,通过同源克隆和RACE技术获得了海南粗榧紫杉醇生物合成途径中通用前体牻牛儿基牻牛儿焦磷酸合成酶(GGPPs)基因全长并进行了生物信息学分析。该基因命名为CmGGPPs(GenBank登录号:JX971119),并进一步利用不同激发子诱导研究了该基因对不同逆境信号的响应情况。结果表明:海南粗榧GGPPs基因cDNA全长1694bp,包含一个1182bp的ORF框,编码393个氨基酸;预测该基因编码蛋白质分子量为42.91kD,其等电位为7.12。通过BLAST比对结果分析,海南粗榧GGPPs基因全长核苷酸序列与红豆杉科植物的同源性最高可达91%,氨基酸序列有89%的相似性。同时,GGPPs基因氨基酸序列同其他植物也有较高的同源性。用不同类型激发子处理发现,GGPPs在诱导后表达量均上升,但不同激发子诱导的基因表达强度和速率存在明显区别。     

水稻灌浆期叶鞘蛋白质差异表达分析

为研究叶鞘在籽粒灌浆期间代谢的分子机理, 应用差异蛋白质组学方法分析了大穗型水稻“金恢809”在籽粒灌浆不同时期, 叶鞘的蛋白质组变化趋势, 共检测到23个差异蛋白质点, 其中11个得到鉴定, 并按其表达丰度的变化分为6类。第1类, 随着灌浆进程表达量逐渐降低, 如α-亚基草酰乙酸脱羧酶; 第2类, 表达量先升后降, 如二磷酸核酮糖羧化酶小链和ADP-核糖基化因子１; 第3类, 表达量先降后升再降低, 如生长素响应因子、锌指-C3HC4型家族蛋白、液泡H+-ATP酶和二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶活化酶; 第4类, 表达量先升后降再升又降, 如核酮糖α亚基结合蛋白; 第5类, 表达量先降后升, 如金属硫蛋白II相似蛋白-1A和牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶; 第6类, 表达量逐渐升高, 如蛋白激酶家族蛋白。这6类蛋白分别参与叶鞘光合作用、激素调节、物质转运、植株衰老的抗性反应以及细胞信号转导, 共同调控叶鞘的源、库、流转化。     

丹参酮ⅡA不同生育时期动态积累规律研究

为了解丹参酮ⅡA的积累规律,初步探索其合成机理。本研究选用7份丹参材料,测定了其不同生育时期丹参酮ⅡA含量及相对应的叶片中的叶绿素含量及过氧化物酶活性。结果表明：按照丹参酮ⅡA含量0.2%为标准,不同材料丹参酮ⅡA的积累规律略有不同;根中丹参酮ⅡA含量与相对应的叶片中的叶绿素a含量显著相关（rca＝0.458）,与类胡萝卜素含量极显著相关（rxc=0.623）,而与叶绿素b含量不相关（rcb＝0.069）;根中丹参酮ⅡA含量与相对应的叶片中POD酶活性的相关系数为0.577,呈现极显著相关性。花期丹参酮ⅡA含量有无下降现象与丹参酮ⅡA的合成效率有关;推测丹参酮ⅡA的合成途径的起始步骤可能与类胡萝卜素的合成更为类似,部分基因也与叶绿素a的合成相关基因相类似,与叶绿素b的起始步骤相差较远;丹参酮ⅡA可能与植物体内的生长素氧化有关,而POD可能也间接或直接参与了丹参酮ⅡA的合成调控。     

高等植物花色苷生物合成调控的研究进展

高等植物花色苷的合成是一个复杂的过程,受多种因素的影响。本研究系统地从物理因子、化学因子、生物因子等外部因素,及生长发育阶段、植物生长物质等内部因素两方面综述了调控高等植物花色苷生物合成的因素及其机理的研究进展,并分析了各种外、内部作用因子的综合性包括作用的协调性与机理的一致性。最后,提出了高等植物花色苷生物合成调控研究中存在的一些问题,并探讨了利用各种因子人工调控花色苷合成以提高果实营养价值、花卉观赏价值及植物抗逆性。     

杜仲愈伤组织中类胡萝卜素合成相关基因的表达分析

通过对杜仲愈伤组织转录组高通量测序结果进行KEGG通路深入分析发现,强光(光强为12 000 Lx,16 h光照,8 h黑暗)培养杜仲愈伤组织18 d,黑暗培养作为对照,与类胡萝卜素合成相关的七种酶(九个基因)上调表达,七种酶分别为9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶(EC 1.13.11.51,9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase),脱落酸8-羟化酶(EC 1.14.13.93,(+)-abscisic acid 8'-hydroxylase),紫黄质脱环氧化酶(EC 1.10.99.3,violaxanthin de-epoxidase),15-顺式-八氢番茄红素合成酶(EC 2.5.1.32,15-cis-phytoene synthase),番茄红素环化酶(Cru A),β-胡萝卜素羟化酶(Crt R-b),八氢番茄红素脱饱和酶(Crtl-e)。qRT-PCR分析表明,杜仲愈伤组织中与类胡萝卜素合成相关的九个基因的表达与其转录组高通量测序结果一致,均上调表达。由此推断,强光促进杜仲愈伤组织中类胡萝卜素的积累。本研究可以为获取高产类胡萝卜素资源和杜仲遗传分析提供有价值的资料。     

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。     

植物肉桂酰辅酶A还原酶(CCR)基因的研究进展

植物体内通过公共苯丙烷途径而进入木质素特异途径来合成木质素,这条代谢途径涉及到许多酶的参与,其中肉桂酰辅酶A还原酶(cinnamoyl-CoAreductase,CCR)是木质素特异途径的第一个关键酶,可催化3种羟基肉桂酸的CoA酯的还原反应,生成相应的肉桂醛。因此人们认为此酶可能对木质素合成途径的碳流具有潜在的调控作用,对木质素单体的生物合成起着重要作用。本文主要综述了CCR在木质素生物合成途径中的地位、CCR的分布、酶的提取和基本特性、CCR基因的克隆进展、CCR基因的转录特点、CCR启动子研究情况、转基因植物中表达抑制CCR基因的生物学效应等,并展望了CCR基因研究对于植物木质素研究、植物抗病和抗逆性研究、作物品质改良以及植被保护研究的意义。     

高等植物果聚糖合成途径、相关基因和功能的研究进展

果聚糖是由蔗糖与一个或多个果糖基相连接的聚合物,是一类重要的碳水化合物和渗透调节物质,可提高植物的抗逆性;果聚糖还是一类重要的功能性食品,对人体健康有多种促进作用。植物是果聚糖的主要来源,其合成过程涉及到多种果糖基转移酶,不同的果糖基转移酶组合形成不同类型的果聚糖。较为系统地综述了高等植物果聚糖合成的代谢路径、相关基因、果聚糖的功能及应用前景等方面的研究进展。     

高等植物果聚糖合成途径、相关基因和功能的研究进展

果聚糖是由蔗糖与一个或多个果糖基相连接的聚合物,是一类重要的碳水化合物和渗透调节物质,可提高植物的抗逆性;果聚糖还是一类重要的功能性食品,对人体健康有多种促进作用。植物是果聚糖的主要来源,其合成过程涉及到多种果糖基转移酶,不同的果糖基转移酶组合形成不同类型的果聚糖。较为系统地综述了高等植物果聚糖合成的代谢路径、相关基因、果聚糖的功能及应用前景等方面的研究进展     

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。     

枸杞抗坏血酸合成酶基因的表达特征与含量的相关分析

本研究采用紫外分光光度法和实时定量PCR法,分别测定了枸杞各组织中(叶,茎,花,青果,红果)主要抗坏血酸(ascorbic acid,As A)含量以及抗坏血酸合成过程中3个相关酶基因的表达情况,分析了As A含量与各基因表达量之间的相关性。结果表明,枸杞As A在叶和茎中含量最低,青果和红果次之且表达水平较为一致,花中含量最高。As A合成过程中3个关键酶基因协同表达且各酶基因相对表达量变化规律相似。此外,发育过程合成相关酶基因表达量与As A含量相关性分析表明,GLDH、AAO、APX 3个基因共同调控了枸杞各个组织部位中As A的合成与积累,其表达量和As A含量呈现正相关,且有协同增减的表达趋势,导致不同生长时期植物组织中As A含量存在差异。进一步说明,在生态因子调控下,枸杞As A合成关键酶基因的表达影响枸杞As A的合成与积累。     

玉米籽粒中类胡萝卜素含量的基因剂量效应

玉米籽粒含有几种类胡萝卜素(维生素A原)，它们在哺乳动物中可形成脂溶性维生素A。将黄色和橘色传递给玉米胚乳的两类类胡萝卜素是胡萝卜素和叶黄素。维生素A原的活性主要由β-胡萝卜素活性决定的，它与α-胡萝卜素、β-玉米黄素和γ-胡萝卜素的关系     

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。