花青素生物合成关键酶的研究进展

花青素是植物花呈现不同色彩的物质基础,其生物合成途径主要受到查尔酮合成酶(CHS)、查尔酮异构酶(CHI)、黄烷酮3-羟化酶(F3H)、类黄酮3'-羟化酶(F3'H)、类黄酮3’,5’-羟化酶(F3'5'H)、二羟基黄酮醇还原酶(DFR)、花色素苷合成酶(ANS)以及类黄酮3-O-糖基转移酶(UFGT)等关键酶的控制.主要介绍花青苷生物合成途径、关键酶晶体结构及利用基因工程改造花色的研究进展,讨论目前花色改造存在的问题,并对今后的研究前景进行展望.     

彩色马铃薯品种‘转心乌’类黄酮-3'5'-羟化酶(F3'5'H)基因的生物信息学和表达分析

类黄酮-3'5'-羟化酶(F3'5'H)基因是合成蓝色飞燕草色素类花色苷的关键酶基因。本研究采用RT-PCR法从彩色马铃薯品种‘转心乌’中克隆到了F3'5'H基因的c DNA,并进行了生物信息学和组织表达模式分析,希望能探明F3'5'H基因在彩色马铃薯花色苷合成中的作用及表达方式。克隆到的F3'5'H c DNA序列全长1 720 bp,编码509个氨基酸残基,同源比对表明F3'5'H与茄科植物聚在一起,其次是其它双子叶植物。F3'5'H具有信号肽和明显的跨膜结构域,属于分泌蛋白且为稳定的亲水蛋白,定位于细胞质。说明F3'5'H在细胞质中的粗糙型内质网上合成前体后,跨膜运输到其它部位或细胞器中发挥作用。α螺旋和无规则卷曲是F3'5'H的主要二级结构元件。F3'5'H具有细胞色素P450的"PPGP"、"AGTDT"、"FGAGRRICAG"三段基序,且只有一个功能结构域,与细胞色素P450的功能结构域相匹配,属于细胞色素P450家族的一员。组织特异性表达结果表明:F3'5'H相对表达量和花色苷含量均是块茎高于叶片和地上茎,它们的变化趋势基本一致,花色苷含量较高的器官,其F3'5'H的相对表达量也高,说明花色苷的积累与F3'5'H的表达正相关。     

低温促进毛竹叶片类黄酮合成及相关基因的表达模式分析

类黄酮在植物耐低温胁迫方面发挥着重要作用,为揭示低温对毛竹(Phyllostachys edulis)叶片中类黄酮合成的影响,采用分光光度法测定了不同生长时期和低温胁迫下毛竹幼苗叶片中的类黄酮含量,通过生物信息学方法对毛竹类黄酮早期生物合成关键酶基因进行了鉴定,并用q PCR方法分析了其表达模式。结果表明,随着叶片的生长,类黄酮含量呈现先升高后降低的趋势,而低温下,功能叶片中类黄酮含量则呈现上调趋势,且在8 h时达极显著水平。在毛竹基因组中鉴定了类黄酮早期生物合成3个酶基因家族共29个成员,包括20个查尔酮合酶基因(Pe CHSs)、8个查尔酮异构酶基因(Pe CHIs)和1个黄酮-3-烃化酶基因(Pe F3H1),这些基因的启动子中均含有响应低温及其他非生物胁迫的调控元件。Pe CHSs倾向在根和叶中表达,而PeCHIs为组成型表达。在不同生长时期的叶片中,仅PeCHS1表达与类黄酮的含量变化趋势一致;而低温胁迫下,3个PeCHSs、2个PeCHIs和PeF3H1在功能叶片中呈上调表达,与类黄酮含量变化趋势一致。因此,毛竹可能通过提高类黄酮早期生物合成酶基因的表达量促进类黄酮的合成来...     

海南龙血树无色花色素还原酶基因DcLAR1的克隆和表达分析

无色花色素还原酶(leucoanthocyantin reducase,LAR)是植物类黄酮生物合成途径中的一个关键酶。本研究根据海南龙血树(Dracaena cambodiana)转录组数据,利用RT-PCR技术克隆1个编码无色花色素还原酶基因DcLAR1,结果表明:该基因全长1 355 bp,包含一个1 011bp的开放阅读框,编码336个氨基酸。DcLAR1蛋白具有典型的植物无色花色素还原酶结构特征,包含3个保守的结构域RFLP、ICCN和THD。表达分析结果表明,DcLAR1在根、茎、花、叶和果中具有不同程度的表达;DcLAR1表达受到血竭诱导剂的诱导,与血竭积累正相关,推测该基因可能在海南龙血树类黄酮生物合成过程中具有重要功能。     

植物花青素苷生物合成及调控的研究进展

花青素苷( anthocyanin)是植物新陈代谢过程中产生的类黄酮物质,决定被子植物花、果实、种皮、茎、叶和根等的颜色,具有重要的营养价值和药理作用.近年来关于花青素生物合成途径的研究已取得突破,综述了植物花青素苷基因研究现状和发展趋势,包括植物花青素生物合成途径、参与生物合成途径中相关的结构基因和调控基因及功能研究以及影响花青素苷生物合成的环境因素等的研究进展.     

水芹类黄酮3'-羟化酶基因的克隆与表达特性分析

类黄酮3'-羟化酶(flavonoid 3′-hydroxylase,F3'H)属于细胞色素P450家族(cytochromeP450,CYP450),在植物主要成色物质花青素的合成中发挥重要作用。本实验以‘八卦洲水芹’以及紫色叶柄突变型水芹为实验材料,利用RT-PCR方法,从紫色叶柄突变型水芹的cDNA中克隆得到编码类黄酮3'-羟化酶的基因,命名为OjF3'H1。序列分析显示,OjF3'H1基因全长1575bp,共编码524个氨基酸。OjF3'H1蛋白相对分子质量为58292.59,理论等电点为6.77。系统进化分析显示,OjF3'H1蛋白具有高度保守性,与同属伞形科的胡萝卜F3'H1进化关系最近。OjF3'H1编码的蛋白属于疏水蛋白,无序化比例为5.53%,空间结构主要由α-螺旋和β-折叠组成。实时定量PCR分析显示,OjF3'H1在不同品种水芹茎中相对表达量有明显差异,紫色叶柄突变型水芹中OjF3'H1的表达量明显比‘八卦洲水芹’中高。     

甘薯IbGL3的克隆和表达分析

紫色甘薯富含花青素,具有较高的食用和药用价值。花青素的生物合成受到结构基因和调节基因的控制。bHLH(basic helix-loop-helix protein)转录因子能够调节多个花青素结构基因的表达,在花青素生物合成途径中具有重要的调控作用,但目前在甘薯中还没有关于bHLH调控花青素生物合成的相关报道。为进一步了解IbGL3基因在甘薯花青素生物合成的功能和作用机理,该研究根据甘薯转录组数据,利用RT-PCR技术在甘薯中克隆了一个2 120 bp的bHLH基因IbGL3,该基因包含一个1 878 bp的开放阅读框,编码625个氨基酸,蛋白质分子量69.08 kD,理论等电点(pI)5.20。IbGL3蛋白和其他植物中类黄酮合成相关的bHLH蛋白具有较高的同源性,都包含保守的MIR区、bHLH结构域和ACT类似结构域。系统发育进化树分析结果显示,IbGL3与其他植物类黄酮相关bHLH蛋白聚为一类,属于Ⅲf 亚类成员。表达结果显示,IbGL3基因在紫色甘薯中的表达量最高,在浅紫色甘薯中的表达量次之,在白色甘薯中表达量最低, 与花青素积累正相关,因此推测其在甘薯花青素生物合成途径中具有重要的调控作用。     

蒺藜苜蓿糖基转移酶基因SMALL AND EMERALD1的克隆和功能研究

类黄酮代谢对于植物生长发育和植物-环境互作至关重要,其中糖基转移酶介导的糖基化修饰在类黄酮代谢中发挥着重要作用。为了研究蒺藜苜蓿中糖基转移酶的生物学功能,通过定向筛选蒺藜苜蓿Tnt1逆转座子插入突变体库,获得了一类植株矮小、叶片深绿的突变体small and emerald1 (se1)。通过基因表型连锁性分析成功克隆了SE1基因,该基因编码1个糖基转移酶,与拟南芥中调控类黄酮生物合成的AtUGT84A1氨基酸同源性为52.8%。对野生型和se1突变体叶片的类黄酮含量进行测定发现类黄酮总量在se1突变体中显著降低(P<0.01)。进一步研究发现在se1突变体中类黄酮合成途径关键基因CHS、F3H和F3’H表达水平下降。亚细胞定位显示SE1可能在细胞质和细胞核中发挥生物学功能。研究表明糖基转移酶基因SE1可能参与蒺藜苜蓿类黄酮合成代谢调控,进而影响其生长发育。此外,研究还发现SE1基因对于叶绿素合成可能具有负向调控作用。     

蓝亚麻花瓣中类黄酮化合物及代谢途径分析

花色是观赏植物重要的观赏性状之一,而类黄酮是其主要的呈色物质。该研究以蓝亚麻花瓣为研究对象,将蓝亚麻开花过程分为5个阶段,并用高效液相色谱—光电二极管阵列检测技术(HPLC-PAD)和高效液相色谱—电喷雾离子化—质谱连用技术(HPLC-ESI-MS)分析不同开花阶段花瓣中类黄酮化合物的成分和含量。结果表明:蓝亚麻花瓣中积累飞燕草素苷、矢车菊素苷和锦葵素苷,未检测到天竺葵素苷,其中以酰基化的飞燕草素苷为主要呈色物质;而总花青素苷含量在第2阶段达到最高。根据花青素苷终产物和类黄酮中间代谢产物推定了蓝亚麻花瓣中类黄酮代谢途径,其中以F3'5'H所引导的分支途径占优势,其主要原因可能是F3'5'H酶活高于F3'H。     

棕色棉F3'H-羟化酶基因的克隆与生物信息学分析

根据葡萄的类黄酮3′-羟化酶(F3'H)基因全长cDNA序列Blast所得棉花的EST序列设计引物,以开花后16 d(DPA16)的新彩棉5号(xC-5)纤维为材料,利用RACE和RT-PCR技术分离得到了2个类黄酮3′-羟化酶基因cDNA序列,此2个序列编码区完全相同,仅在3'UTR区存在片段长短的差异,推测可能是基因转录后加工方式不同所造成.克隆所获得的棉花F3'H基因编码区全长1 533 bp,编码510个氨基酸,氨基酸序列分析预测表明,该基因所编码蛋白含有一个跨膜结构域,是一种分泌蛋白,定位于内质网上,并含有一段与细胞色素P450功能区相匹配的保守功能域;序列比对结果表明,棉花F3'H基因与其他多个物种的F3'H基因在氨基酸序列上有较高的同源性;聚类分析结果表明,棉花F3'H蛋白与双子叶植物大豆的F3'H亲缘关系较为接近,而与单子叶植物高梁等作物则较远.     

紫色马铃薯类黄酮3，′5′-羟化酶基因（StF3′5′H）的克隆及分析

类黄酮3′,5′羟-化酶（ flavonoid 3′,5′-hydroxylase, F3′5′H）是植物花青素生物合成途径中的一个关键酶,紫色土豆（ Solanum tueb or sum） F3′5′H基因的克隆将为花青素合成调控和花青素代谢工程研究提供优质基因资源。研究采用RACE技术克隆了紫色土豆F3′5′H基因的cDNA全长序列,用生物信息学方法对其核苷酸和蛋白质序列进行了分析,并用半定量PCR 技术分析了F3′5′H基因在不同组织中的表达情况,同时研究了赤霉素和蔗糖处理后F3′5′H基因表达与花青素积累之间的相关性。研究结果表明,克隆的紫色土豆F3′5′H的cDNA全长为1854 bp,包含一个1530 bp的完整ORF,共编码509个氨基酸。生物信息学分析表明,StF3′5′H基因推测编码的氨基酸序列与其它植物的F3′5′H蛋白的相似性很高。 StF3′5′H基因的表达具有组织特异性,在紫色土豆根、茎和叶柄中都有表达,其中在叶柄中表达最强,而在块茎、叶轴和叶片中几乎检测不到StF3′5′H基因的表达。赤霉素和蔗糖能促进紫色土豆StF3′5′H基因的表达,进而促进花青素的积累。     

柠条锦鸡儿F3H基因克隆及功能分析

柠条锦鸡儿为豆科灌木,对各种环境胁迫具有较强的适应能力,类黄酮是天然的抗氧化剂,花青素属类黄酮化合物,逆境胁迫会影响植物体内花青素的合成,而黄烷酮3-羟化酶(F3H)是花青素生物合成所必需的一种关键酶。该研究成功分离克隆了柠条锦鸡儿的F3H基因,命名为CkF3H。CkF3H基因的开放阅读框(ORF)为1095 bp,编码364个氨基酸,推测的蛋白质分子量为41.3 kDa,理论等电点为5.9。生物信息学分析发现,CkF3H基因序列与其它植物F3H有较高的一致性,推测CkF3H蛋白与其它植物F3H蛋白具有相似的功能。利用染色体步移法克隆得到CkF3H起始密码子ATG上游468 bp的启动子序列,PlantCARE软件分析表明,该序列具有启动子的基本元件CAAT-box和TATA-box以及多种与逆境胁迫相关的顺式调控元件。实时荧光定量PCR分析表明,CkF3H在柠条的根、茎和叶中均有表达,没有组织特异性;CkF3H的表达受低温、高盐、干旱和高温胁迫的诱导,并且在低温胁迫下,CkF3H的表达还受到光周期的影响。综上所述,研究结果表明CkF3H基因在柠条锦鸡儿适应低温、高盐、干旱和高温胁迫的过程中发挥作用。     

烟草黄酮类化合物的代谢及其调控机制

黄酮类化合物是一类次生代谢产物,分子量较低,广泛存在于植物界,与花色的形成、UV防护、抵抗病原体及调节植物生长等密切相关,也是衡量烟草和卷烟质量的一项重要指标。黄酮类化合物的积累是编码类黄酮生物合成途径的结构基因协同表达的结果,而结构基因通常由MYB、b HLH、WDR等调节基因控制。目前已经鉴定出参与黄酮类化合物生物合成和调控的大多数基因。本综述系统地总结和阐述了类黄酮的生物合成途径及其重要基因的调控机制,展望了未来烟草黄酮类物质研究中值得关注的方向,对从分子水平上更好的探索类黄酮的生物合成及其调节具有重要的意义。     

矮牵牛编码F3′5′H的蓝色基因表达载体构建及转化

类黄酮3',5'羟基化酶(Flavonoid-3',5'hydroxylase,F3'5'H)是花色苷代谢途径中的一个关键酶,能使花色素合成趋向于形成蓝色的飞燕草色素,从而使花色向蓝紫色偏移.本研究从蓝紫色矮牵牛(Petunia hybrida)花瓣中克隆了编码F3'5,H的蓝色基因Hf1,并通过PCR技术获得百合花特异表达启动子(PchsA),将百合PchsA与Hf1基因融合,构建了百合花特异表达启动子调控的Hf1基因植物表达载体,通过农杆菌介导的叶盘法转化粉红色矮牵牛.抗性筛选和PCR检测鉴定转基因植株,结果表明,成功地获得了转基因阳性植株.     

矮牵牛编码 F3'5'H的蓝色基因表达载体构建及转化

类黄酮3',5'羟基化酶(Flavonoid-3',5'hydroxylase,F3'5'H)是花色苷代谢途径中的一个关键酶,能使花色素合成趋向于形成蓝色的飞燕草色素,从而使花色向蓝紫色偏移.本研究从蓝紫色矮牵牛(Petunia hybrida)花瓣中克隆了编码F3'5,H的蓝色基因Hf1,并通过PCR技术获得百合花特异表达启动子(PchsA),将百合PchsA与Hf1基因融合,构建了百合花特异表达启动子调控的Hf1基因植物表达载体,通过农杆菌介导的叶盘法转化粉红色矮牵牛.抗性筛选和PCR检测鉴定转基因植株,结果表明,成功地获得了转基因阳性植株.     

植物芪类合成途径相关酶、基因和调控机制研究进展

植物芪类化合物,是一类具有抗菌植保作用的次生代谢产物,因具有抑菌、抗氧化、抗肿瘤等多种生物活性而越来越受到重视。本文对植物芪类生物合成途径中涉及到的相关酶、基因和代谢调控机制的研究现状和应用系统生物学研究芪类生物合成途径的相关酶、基因的方法进行综述,并讨论了芪类生物合成相关酶、基因研究的重要意义和应用,以期为调节芪类产量、满足药用保健需求及植物防御、作物品质改良提供帮助。     

毛竹赤霉素合成相关酶基因的全基因组鉴定和表达分析

赤霉素(GA)参与调节植物多种生长发育过程,其生物合成在体内受到严格的控制。研究毛竹(Phyllostachys edulis)赤霉素合成通路相关的酶基因,对于揭示其在毛竹生长发育中的作用具有重要价值。对毛竹全基因组进行分析发现,涉及赤霉素生物合成的酶基因有7类共50个,包括4个CPS、3个KS、5个KAO、1个KO、10个GA20ox、20个GA2ox、和7个GA3ox。不同酶基因的各个成员虽是比较保守的,但其基因结构、基本理化性质均存在着一定的差异。亚细胞定位预测表明,PeCPSs和PeKSs定位在叶绿体上,PeKAOs位于内质网上,PeGA20oxs、PeGA2oxs和PeGA3oxs定位于细胞质基质中。进化分析显示,毛竹GA生物合成通路相关酶与来自水稻的相应酶均具有较高的一致性,亲缘关系较近。利用转录组数据分析基因表达的组织特异性,结果表明不同类酶基因以及同一类酶基因的不同成员的表达均存在一定的差异。例如:PeCPS-1、PeCPS-4和PeKO为组成型表达,PeKAO-5主要在笋幼芽中表达,PeGA20ox-10仅在幼芽和根中表达;PeGA2oxs中有9个为组成型表达,7个为特异性表达,而PeGA3oxs中分别有5个和2个。本研究为深入了解毛竹内源GA生物合成奠定了基础,为利用GA生物合成酶基因人为调控植物生长发育提供了参考。     

植物类型III聚酮合酶超家族基因结构、功能及代谢产物

植物聚酮类化合物主要包括酚类、芪类及类黄酮化合物等,在植物花色、防止紫外线伤害、预防病原菌、昆虫危害以及作为植物与环境互作信号分子方面行使着重要的生物学功能。该类化合物具有显著多样的生物学活性,对人体保健及疾病治疗有显著意义。植物类型III 聚酮化合物合酶 (PKS) 在该类化合物生物合成起始反应中行使着关键作用,决定该类化合物基本分子骨架建成和代谢途径碳硫走向,为合成途径关键酶和限速酶。以查尔酮合酶为原型酶的植物类型III PKS超家族是研究系统进化和蛋白结构与功能关系的模式分子家族,目前已经分离得到14种植物类型III PKS基因,这些同祖同源基因及其表达产物既有共性,也表现出许多独特个性,这些个性赋予此类次生代谢产物结构上的多样性。以下综述了植物类型III PKS超家族基因结构、功能及代谢产物研究进展。     

植物类型Ⅲ聚酮合酶超家族基因结构、功能及代谢产物

植物聚酮类化合物主要包括酚类、芪类及类黄酮化合物等,在植物花色、防止紫外线伤害、预防病原菌、昆虫危害以及作为植物与环境互作信号分子方面行使着重要的生物学功能。该类化合物具有显著多样的生物学活性,对人体保健及疾病治疗有显著意义。植物类型Ⅲ聚酮化合物合酶(PKS)在该类化合物生物合成起始反应中行使着关键作用,决定该类化合物基本分子骨架建成和代谢途径碳硫走向,为合成途径关键酶和限速酶。以查尔酮合酶为原型酶的植物类型Ⅲ PKS超家族是研究系统进化和蛋白结构与功能关系的模式分子家族,目前已经分离得到14种植物类型Ⅲ PKS基因,这些同祖同源基因及其表达产物既有共性,也表现出许多独特个性,这些个性赋予此类次生代谢产物结构上的多样性。以下综述了植物类型Ⅲ PKS超家族基因结构、功能及代谢产物研究进展。     

油橄榄HMGR基因家族的克隆表达及功能验证

3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶(HMGR),催化3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A(HMG-Co A)生成甲羟戊酸(MVA),是MVA途径中第一个关键酶。油橄榄是一种重要的经济油料作物,其含有的萜类物质具有重要营养价值,但关于调控萜类物质代谢途径的关键基因研究较少。为研究萜类合成途径关键酶基因HMGR,本研究采用RT-PCR法克隆油橄榄HMGR基因,进行生物信息学分析及构建原核表达载体,对表达蛋白生物活性进行功能验证,并采用荧光定量PCR分析HMGR在油橄榄不同生长阶段的表达量。结果表明:克隆出油橄榄HMGR基因家族的三个基因,分别命名为Oe HMGR1、Oe HMGR2、Oe HMGR3,m RNA ORF的长度分别为1 713 bp、1 773 bp、1 737 bp,编码570、590、578个氨基酸;基因编码蛋白均有2个跨膜区及HMGR催化活性的结构域,不含信号肽;构建了原核表达载体p ET30b(+)-Oe HMGR,转入到大肠杆菌BL21中成功表达,3个重组酶蛋白分子量大小均在66.2~68.0 k D之间,分离纯化重组蛋白进行功能验证,GC-MS检测表明该蛋白具有HMGR催化活性功能;荧光定量PCR分析表明该家族基因在果实和叶片中表达量较高,而在根、茎、花中表达量较低,在开花后45 d、90 d、120 d表达量较低,但在花后165 d表达量上升至较高水平。该研究为进一步鉴定Oe HMGR的功能及油橄榄萜类物质的合成生物学研究奠定基础。