高等植物牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因的研究进展

牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶(GGPPS)在植物体内催化牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(GGPP)的合成,GGPP是萜类物质、类胡萝卜素、叶绿素及几个重要植物激素合成的前体物,是联系植物体内多条重要次生代谢通路的节点物质。本文综述了植物GGPPS基因近年来的生物学功能研究进展和该基因家族的遗传分类情况,以及GGPPS小亚基基因的重要调控作用,拟为深入研究植物GGPPS基因的生物学功能和萜类含量调控的遗传工程提供新认识和新思路。     

异戊二烯类植物激素赤霉素和脱落酸的代谢调控

赤霉素和脱落酸在植物生理过程中具有重要的调控作用,其生物合成途径迄今已基本阐明。赤霉素与类胡萝卜素的生物合成途径具有共同前体牻牛儿基牻牛儿基二磷酸,而脱落酸则直接来自于类胡萝卜素。参与这两种植物激素和类胡萝卜素代谢过程的大多数酶基因已经从不同植物中获得克隆;各种调控方式也随着分子生物学的研究工作而得到鉴定。本文就近年来对赤霉素和脱落酸等代谢调控机制及其与植物类胡萝卜素代谢之间关系的研究工作做简要回顾。     

真菌二萜环化酶的研究进展

二萜类化合物广泛存在于植物和真菌中,是一类具有重要商业价值的天然产物。二萜环化酶作为催化牻牛儿牻牛儿焦磷酸(geranylgeranyl diphosphate,GGPP)形成二萜的关键生物合成酶,在不同生物中的特异性决定了二萜化合物的结构多样性和生物活性多样性。对不同物种中二萜环化酶基因的分离、克隆和表达特征的分析有利于二萜类化合物的生物合成及调控研究。相比植物,真菌二萜化合物和二萜环化酶的研究刚刚起步。本文综述了近几年真菌二萜环化酶的研究进展,重点叙述了真菌二萜化合物的生物合成途径、二萜环化酶的特征及其克隆策略,并对二萜环化酶的代谢工程作了简要概述。     

竹叶花椒ZaGGPPS基因克隆与表达分析

为了揭示竹叶花椒萜类代谢的分子机理及嫁接对其风味的影响,该文依据转录组数据设计特异性引物,采用RT-PCR方法从竹叶花椒(Zanthoxylum armatum)中克隆得到一个全新的牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶(GGPPS)基因的全长cDNA序列,命名为ZaGGPPS,并利用NCBI、ProParam、SignalP 4.1 server、DNAMAN和MEGA 7.0软件对ZaGGPPS基因进行生物信息学分析,并比较其在嫁接树和实生树中的表达量。结果表明:ZaGGPPS包含完整的cDNA开放阅读框(OFR),由1 086 bp组成,编码361个氨基酸。其蛋白的相对分子量为39 079.14 Da,理论等电点pI为6.38。Blast比对结果显示该蛋白质属于GGPPS家族蛋白,含有2个GGPPS蛋白特有的天冬氨酸富集基序,分别是"DDXXXXD"和"DDXXD",以及5个特征性功能结构域。系统进化树结果显示竹叶花椒与芸香科植物甜橙(Citrus sinensis)、克里曼丁桔(C. clementina)、柚子(C. maxima)等亲缘关系较近。荧光定量PCR检测显示,ZaGGPPS基因在竹叶花椒中的表达量从高到低分别为实生树的叶、嫁接树的叶、实生树的茎、嫁接树的茎。牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶是竹叶花椒萜类化合物生物合成途径中的关键酶,通过嫁接可影响ZaGGPPS基因在叶和茎中的表达量。该文对竹叶花椒ZaGGPPS基因进行了克隆与分析,为后续深入研究竹叶花椒香气形成的分子机理及利用分子生物学手段选育优良品种提供理论依据。     

香樟GGPPS基因的克隆及生物信息学分析

本研究目的是克隆香樟牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶(geranyl-geranyl pyrophosphate synthetase,GGPPS)的c DNA序列,并进行生物信息学分析,为香樟萜类物质的生物合成及调控机制研究提供基础。根据香樟叶的转录组测序数据,设计特异性PCR引物,应用反转录RT-PCR方法,克隆获得香樟GGPPS基因,通过生物信息学对该基因蛋白的特征进行分析。结果显示,GGPPS基因包含全长1 152 bp的开放读码框(ORF),编码383个氨基酸,蛋白分子量为41.41 k D,等电点p I为5.84,是一个定位于叶绿体,不含跨膜结构域,不含信号肽的不稳定疏水蛋白。GGPPS氨基酸序列的主要二级结构为α-螺旋并含有一个类异戊二烯类化合物合酶的特征结构域。通过氨基酸序列的同源性分析发现,香樟的GGPPS氨基酸序列与苹果、陆地棉和紫苜蓿等植物的GGPPS氨基酸序列有较高的同源性。分子进化树分析结果表明,香樟树GGPPS蛋白与无油樟GGPPS蛋白的亲缘关系相对较近。本研究成功克隆、分析并表达了香樟GGPPS,为进一步研究香樟GGPPS基因的功能,萜类合成调控机制等奠定了分子基础。     

基于组学的丹参酮生物合成途径新基因CYP71D375克隆和功能研究

丹参酮能有效治疗心脑血管疾病,其生物合成途径解析是国内外研究热点,其中CYP450氧化酶超家族的关键修饰作用最受关注.基于药用模式植物丹参的基因组及转录组数据分析,本研究克隆到一个新的CYP450氧化酶编码基因,命名为SmCYP71D375,全长1515 bp,编码504个氨基酸,差异表达分析显示,该基因在丹参的根及根周皮部位显著高表达,与丹参酮合成和积累的部位一致,推测其催化丹参酮的生物合成.进一步构建RNAi转基因毛状根体系,通过化学检测及代谢组学分析发现抑制SmCYP71D375的基因表达导致羟基丹参新酮、丹参新酮、隐丹参酮、丹参酮ⅡA等含量显著降低,证实SmCYP71D375在丹参体内催化丹参酮的生物合成.本研究为解析丹参酮的生源途径提供新思路,对植物高氧化次生代谢产物合成途径研究具有重要示范意义.     

丹参酮生物合成途径及其相关酶的研究进展

丹参酮是丹参中具有多种药理活性的二萜醌类化合物，对预防和治疗心脑血管系统疾病有显著效果。因其具有重要的经济和药用价值，丹参酮的生物合成研究受到人们的广泛关注。随着丹参基因组和转录组数据的不断积累和完善，以及丹参遗传转化体系的建立和基因编辑技术的应用，丹参酮的生物合成途径解析及相关酶基因研究取得了新进展。现系统阐述丹参酮的生物合成途径与研究进展，同时对合成途径相关酶基因的研究现状进行概述，并展望未来的研究方向。     

不同花期‘西伯利亚’百合花瓣单萜合成途径转录组分析（英文）

以‘西伯利亚’百合(Lilium‘Siberia’)花蕾期、半开期、盛开期、衰败期的花瓣为材料,利用RNA-seq技术对其转录组进行高通量测序,分析单萜合成途径中差异表达的基因并阐明其分子机制。结果显示,‘西伯利亚’百合通过转录组测序分析共得到56.28 Gb clean base,223.40 Mb clean reads和124 233个unigene,其中35 749个基因得到注释。萜骨架合成途径中的基因表达水平在不同花期表现出显著差异。其中,甲基赤藓糖醇磷酸(MEP)中的1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶(DXS)、1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶(DXR)、4-羟基-3-甲丁-2-烯基二磷酸合成酶(HDS)、4-羟基-3-甲丁-2烯基二磷酸还原酶(HDR)、牻牛儿基二磷酸合成酶(GPS)基因的表达水平随花期变化呈先升高后降低的趋势。罗勒烯合成酶(OCS)基因表现出相似变化规律,在盛开期表达量最高。甲羟戊酸(MVA)途径中的3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶(HMGR)的基因表达同样出现先升高后降低的趋势。单萜合成下游的分支途径中,茄尼基二磷酸合成酶(SDS)、牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合成酶(GGDR)基因的表达则出现相反的趋势,在盛开期的表达量最低。研究结果表明MEP途径中的关键基因可随花期变化规律性的表达,以调控单萜的生物合成,在盛开期有较高释放量,且盛开期MVA途径的活化以及泛醌和萜醌代谢支路基因的低表达也促进了单萜的生物合成。     

丹参转录因子基因SmMYCamiRNA表达载体的构建及其对丹参的转化

丹参（Salvia miltiorrhiza Bunge）为我国传统中药,其活性成分的药理作用广泛,尤其在防治心血管病药物中具有重要作用。丹参水溶性酚酸类物质合成途径由苯丙烷代谢和酪氨酸代谢共同参与而成。转录因子对植物次生代谢起着十分重要的调节作用。我们前期测序结果显示,SmMyc是一个丹参bHLH类转录因子,可能参与丹参酚酸类化合物生物合成的调控。本研究利用拟南芥miRNA319前体为模板骨架,通过over-lappingPCR技术构建旨在能对SmMYC进行特异性沉默的at-tificalmiRNA（amiRNA）植物表达载体,命名为pCambial302-amiR-SmMYC,并通过农杆菌介导的遗传转化方法将其导入丹参。Real．timePCR结果显示,所得转化阳性株系SmMYC的mRNA水平均呈现不同程度的下降,同时酚酸类代谢途径中相关酶基因的表达也表现为相应程度的下调;福林酚法检测结果显示,转化株系中总酚酸含量均低于同期的野生型丹参。以上实验结果初步显示丹参SmMYC可能作为一个重要的转录因子参与酚酸类活性物质的代谢调控,同时为进一步研究SmMYC4丹参酚酸类化合物生物合成中的调控功能奠定了基础。     

茅苍术GPS基因(AlGPS)的克隆与序列分析

为获得茅苍术(Atractylodes lancea) GPS基因全长及序列特征,本研究根据转录组测序结果,用特异性引物进行PCR扩增,得到茅苍术GPS(AlGPS)开放阅读框全长共1266 bp (GenBank登录号:MH522714.1),编码421个氨基酸.生物信息学分析结果表明,AlGPS氨基酸序列与青蒿的亲缘关系最近,属异戊二烯超家族成员和牻牛儿基焦磷酸合酶超家族成员;AlGPS蛋白为非分泌蛋白,跨膜结构预测为膜内在蛋白;亚细胞定位显示该蛋白很可能存在于叶绿体.本研究获得的AlGPS基因序列及序列特征分析可为茅苍术萜类化合物生物合成及调控奠定基础,并为进一步阐明AlGPS的生物学功能和分子育种提供科学依据.     

植物来源药用天然产物的合成生物学研究进展

大多数药用天然产物在植物中含量低微,提取分离困难;而且这些化合物一般结构复杂,化学合成难度大,还容易造成环境污染。基于合成生物学技术获得药用天然产物具有绿色环保和可持续发展等优点。文中以药用萜类化合物人参皂苷、紫杉醇、青蒿素、丹参酮,生物碱类化合物长春新碱、吗啡以及黄酮类化合物灯盏花素为例,总结了植物来源药用萜类、生物碱类和黄酮类化合物的生物合成途径及合成生物学研究进展,介绍了药用天然产物合成生物学研究的关键技术与方法,并展望了合成生物学技术在药用天然产物研究与开发方面的应用前景。     

盐胁迫条件下玉米萜类合成相关基因的表达分析

萜类是植物生长发育中具有重要作用的次级代谢产物,某些萜类可被生物和非生物胁迫诱导产生。用200 mmol/L NaCl溶液处理商用玉米品种天塔五号（F1）及其父母本三叶期幼苗,qRT-PCR结果发现萜类合成途径中的萜烯合酶基因2（terpene synthase 2, TPS2）、萜烯合酶基因3（terpene synthase 3, TPS3）、牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因4（geranylgeranyl diphosphate synthase 4, GGPS4）在三组材料中表达量随胁迫时间延长均先上调再下调,且F1表达量显著高于亲本。F1自交F2代耐盐性及基因表达情况分析表明,F2代中三个基因表达仍与耐盐性呈正相关。对盐胁迫条件下总类胡萝卜素及各成分含量、生物量、光合指标、叶绿素和脯氨酸含量进行测定,发现F1耐盐能力明显优于亲本,表明 TPS2、TPS3、GGPS4 基因高水平表达与F1发挥耐盐优势、抵御逆境胁迫有一定相关性。     

病毒诱导基因沉默鉴定穿心莲内酯生物合成关键酶ApCPS功能

该研究采用病毒诱导基因沉默技术(VIGS),以生长到第8片真叶期的穿心莲植株为实验材料,沉默参与穿心莲内酯生物合成的ent-柯巴基焦磷酸合酶基因(ApCPS),用半定量和荧光定量PCR检测病毒诱导沉默后ApCPS及其上游基因的表达,用HPLC法检测ApCPS沉默后穿心莲内酯的积累变化,同时检测茉莉酸甲酯(MeJA)处理后ApCPS及上游基因的表达,以全面分析穿心莲内酯代谢以及ApCPS在穿心莲内酯生物合成中的作用机制,验证其在植物体内的功能。结果显示:(1)ApCPS基因被成功沉默,基因表达显著下调,进而引起上游牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因(GGPS)的表达下调,而3-羟-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶基因(HMGR)和1-脱氧木酮糖-5-磷酸合成酶基因(DXS)的表达未受影响。(2)ApCPS基因沉默15d后穿心莲内酯积累量显著下降,表明ApCPS是穿心莲内酯生物合成关键酶基因,且能够负反馈影响上游基因表达。(3)茉莉酸甲酯(MeJA)显著诱导ApCPS及上游基因HMGR、DXS和GGPS的表达,表明穿心莲内酯生物合成基因受到MeJA的广泛调控。该研究首次使用VIGS证明ApCPS参与到穿心莲内酯生物合成,为利用该技术鉴定穿心莲内酯生物合成途径中其他基因功能奠定了基础。     

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。     

人牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶的cDNA克隆、基因定位及组织表达谱分析

牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(GGPP)在真核生物中主要参与对包括Rho/Rac,Rap和Rab家族在内的多种蛋白质的翻译后修饰及细胞凋亡的调控.牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶(GGPPS)是合成GGPP的关键酶,它催化法呢基焦磷酸与异戊烯焦磷酸的缩合反应而产生GGPP.报道了从人睾丸cDNA文库中克隆到一个与果蝇GGPPS cDNA高度同源的基因转录本,它的序列长1466 bp,其中nt 239～1138是一个完整的可读框,编码一个由300个氨基酸组成的35 ku蛋白质.该推导蛋白质的氨基酸序列与果蝇GGPPS的一致性和相似性分别达到了57.5%和75%,并且含有异戊二烯转移酶中保守的5个特征性结构域.Northern杂交结果显示人GGPPS基因在心脏中表达最高,在脾、睾丸、脑、胎盘、肺、肝、骨胳肌、肾、胰腺组织中为中度表达,而在其他组织中未见有明显的杂交带.采用辐射杂种细胞系定位技术,发现GGPPS位于人染色体lq43区.由于此前有遗传连锁资料证实该区域存在一个前列腺癌的易感位点,并且另有研究发现GGPP的结构类似物可抑制PC-3前列腺癌细胞系中p21rap蛋白的牻牛儿基牻牛儿基化,从而提示GGPPS有可能是与该病相关的候选基因之一.     

代谢工程改造酿酒酵母生产β-胡萝卜素

β-胡萝卜素在食品、药品和化妆品领域有广泛用途。为获得生产β-胡萝卜素的微生物细胞工厂,本研究首先在酿酒酵母BY4742中过表达甲羟戊酸(MVA)途径的限速酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)基因及二萜化合物合成的关键酶牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶(GGPS)基因,来提高牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(GGPP)的供给。在酿酒酵母底盘菌BY4742-T2的基础上整合来源于成团泛菌和红法夫酵母的β-胡萝卜素合成基因,比较酿酒酵母工程菌生产β-胡萝卜素的差别。结果表明提高酿酒酵母中HMGR和GGPS酶基因的表达能将工程菌中β-胡萝卜素的产量提高26.0倍。另外,来源于真核生物红法夫酵母的合成基因相比成团泛菌,更有利于酿酒酵母生产β-胡萝卜素。最终获得的酿酒酵母工程菌BW02能生产1.56 mg/g细胞干重的β-胡萝卜素,为进一步获得高产β-胡萝卜素细胞工厂提供基础。     

两种短命植物春萌秋萌个体生态生物学特征比较

短命植物是新疆北部荒漠生态系统中重要组成部分,对稳定该区沙漠生态系统、丰富物种多样性具有重要的意义。以往对短命植物的研究多集中在春季萌发的短命植物,秋季萌发的短命植物研究很少,对秋季萌发短命植物和春季萌发短命植物的生态生物学特征的异同以及它们对稳定荒漠生态系统的意义缺乏了解。选择小车前(Plantago minuta)和尖喙牻牛儿苗(Erodium oxyrrhynchum)为研究对象,采用野外定点标记观测和室内分析结合的方法,研究了两种短命植物春季萌发和秋季萌发两种表现型在冠幅、生物量、物候期、菌根侵染率等生态生物学特征方面的差异性。结果表明:秋季萌发的小车前和尖喙牻牛儿苗能够在覆雪下越冬,其单株的冠幅、叶片数量、干重等均远远大于同一时期生长的春季萌发的小车前和尖喙牻牛儿苗,尤其是单株结种数量更是比春季萌发小车前和尖喙牻牛儿苗的高13.0和4.4倍;秋季萌发的小车前和尖喙牻牛儿苗的花期分别比春季萌发小车前和尖喙牻牛儿苗早14和7 d,植株黄枯期和成熟期分别提早3和4 d;此外,秋季萌发小车前和尖喙牻牛儿苗各时期的菌根侵染率也显著高于同期春季萌发小车前和尖喙牻牛儿苗。本研究得到以下结论:秋季萌发的小车前和尖喙牻牛儿苗在稳定和扩大其后代种群繁衍能力、提高防风固沙能力、稳定荒漠生态系统等方面具有重要意义。     

不同花期‘西伯利亚’百合花瓣单萜合成途径转录组分析

以‘西伯利亚’百合（Lilium ‘Siberia’）花蕾期、半开期、盛开期、衰败期的花瓣为材料,利用RNA-seq技术对其转录组进行高通量测序,分析单萜合成途径中差异表达的基因并阐明其分子机制。结果显示,‘西伯利亚’百合通过转录组测序分析共得到56.28 Gb clean base,223.40 Mb clean reads和124 233个unigene,其中35 749个基因得到注释。萜骨架合成途径中的基因表达水平在不同花期表现出显著差异。其中,甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）中的1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶（DXS）、1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶（DXR）、4-羟基-3-甲丁-2-烯基二磷酸合成酶（HDS）、4-羟基-3-甲丁-2烯基二磷酸还原酶（HDR）、牻牛儿基二磷酸合成酶（GPS）基因的表达水平随花期变化呈先升高后降低的趋势。罗勒烯合成酶（OCS）基因表现出相似变化规律,在盛开期表达量最高。甲羟戊酸（MVA）途径中的3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶（HMGR）的基因表达同样出现先升高后降低的趋势。单萜合成下游的分支途径中,茄尼基二磷酸合成酶（SDS）、牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合成酶（GGDR）基因的表达则出现相反的趋势,在盛开期的表达量最低。研究结果表明MEP途径中的关键基因可随花期变化规律性的表达,以调控单萜的生物合成,在盛开期有较高释放量,且盛开期MVA途径的活化以及泛醌和萜醌代谢支路基因的低表达也促进了单萜的生物合成。     

高通量测序解析大青叶有效成分的生物合成途径

中药大青叶是菘蓝的干燥叶片,主要活性物质为吲哚类化合物,包括靛蓝、靛玉红、色胺酮等,以上吲哚类化合物的生物合成起始于色氨酸途径,目前在植物中的合成机制还未完全阐明.本研究以成熟菘蓝叶片为研究对象,对茉莉酸甲酯诱导的叶片进行了转录组分析,对已知途径进行了转录组注释,并对未解析途径进行了预测分析.分别获得了色氨酸代谢途径中色氨酸、吲哚乙酸、吲哚苷和萜类吲哚生物碱合成几个代谢支路中16个催化步骤的38个编码基因.通过共表达网络分析,预测转录因子bHLH125可能对吲哚途径具有核心调控作用;CYP2A6-1和CYP735A2等蛋白可能催化生成靛蓝、靛玉红、色胺酮前体的羟基化反应,对这两个蛋白与底物分子的结合进行分子对接建模,均显示对吲哚分子具有较好的结合力.本研究为后续开展菘蓝代谢调控和育种,以及开展吲哚类物质合成生物学研究提供候选基因.     

SmGGPPS2对丹参酮合成的影响

香叶基香叶基焦磷酸合酶(GGPPS)是植物二萜类次生代谢物合成过程中的重要调控位点。在药用模式植物丹参(Salvia miltiorrhiza)中, GGPPS基因家族成员SmGGPPS2的生物学功能及其在丹参酮有效成分合成过程中的作用尚不明确。分别在丹参植株中过表达和RNA干涉SmGGPPS2基因, 并对转基因丹参中丹参酮含量和丹参酮合成相关基因表达量 以及转基因植物生理指标进行检测, 结果表明, 过表达SmGGPPS2株系中的丹参酮IIA和铁锈醇等脂溶性成分含量高于野生型; RNA干涉SmGGPPS2株系中的丹参酮IIA和铁锈醇等脂溶性成分含量均低于野生型。调节表达SmGGPPS2后, 丹参株系中SmHMGR1和SmCPS1等多个关键酶基因的表达都呈现明显的变化。此外, 调节表达SmGGPPS2还影响丹参植株抗性。以上结果表明, SmGGPPS2在丹参酮等萜类物质的合成中起重要的调控作用。