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。     

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。     

曼地亚红豆杉植株中GGPP合成酶的克隆与分析

从 5年生曼地亚红豆杉 (Taxusmedia)的当年生新鲜枝叶中提取分离出mRNA ,然后根据已知植物的牛儿基牛儿基焦磷酸合成酶基因 (GGPPS基因 )DNA序列保守区设计特异简并引物。RT PCR获得了一条大小约 60 0bp的扩增谱带 ,回收该特异谱带并进行TA克隆 ,蓝白斑筛选 ,得到若干阳性克隆。经过质粒大小比较和PCR验证后 ,进行序列测定和同源性比较。发现该序列属于GGPP合成酶的片断 ,与Taxuscanadensis (AAD 1 60 1 8 1 )和Abiesgrandis (AAL1 761 4 2 )的GGPP合成酶相应区段的氨基酸序列一致性为 98%和 86%。蛋白质序列分析发现该序列含有一个特征的异戊二烯合成酶保守的结构域。进化树分析表明 ,曼地亚红豆杉GGPPS在进化上位于植物类 ,靠近古细菌类。曼地亚红豆杉GGPPS基因的克隆为研究红豆杉生产紫杉醇的分子机理和转基因植株的构建奠定了良好的基础。     

发根农杆菌介导丹参牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶1基因RNA干扰载体的转化

目的：利用发根农杆菌ACCC10060介导丹参牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶1基因（SmGGPS1）RNA干扰（RNAi）载体转化丹参叶片,生成SmGGPS1的RNAi转基因毛状根。方法：根据已克隆到的SmGGPS1特异区域设计并合成2段RNAi序列,分别插入RNAi双元载体pK7GWIWG2D（Ⅱ）中,构建2个含卡那霉素（Kan）和绿色荧光蛋白（GFP）双筛选标记的植物表达载体pK7GWIWG2D（Ⅱ）-SmGGPS1-RNAi2和pK7GWIWG2D（Ⅱ）-SmGGPS1-RNAi3;利用带有上述2个RNAi载体的发根农杆菌ACCC10060侵染丹参叶片,诱导生成转基因毛状根;通过Kan抗性筛选和GFP绿色荧光观察统计转化率。结果：分别得到SmGGPS1-RNAi2和SmGGPS1-RNAi3转基因毛状根301根和399根,平均转化率为60.34%。结论：首次建立了发根农杆菌介导的外源基因转化丹参的体系。     

牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶和紫杉二烯合酶基因在灰盖鬼伞中的组合表达

紫杉二烯是紫杉醇合成途径中的前体物质。紫杉醇是红豆杉的一种重要的次级代谢产物,是一种重要的新型抗癌药物。然而,紫杉醇在植物中含量低且难提取,限制了高效应用。利用基因工程手段,借助担子菌类真菌灰盖鬼伞具有的内源类异戊二烯合成途径,构建含有牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(Geranylgeranyl diphosphate,GGPP)合酶和紫杉二烯合酶的融合基因表达载体p Bg GGTS和独立表达盒表达载体p Bg GGg TS,并分别转入灰盖鬼伞LT2菌株中,经过选择性筛选、PCR鉴定、Southern blotting杂交验证,分别获得了5株融合表达的灰盖鬼伞工程菌和5株独立表达盒的灰盖鬼伞工程菌株。各随机挑选了1株工程菌株,分别提取菌丝体和发酵液分析。GC-MS分析表明,两种工程菌株与原出发菌株的菌丝提取物无明显差异峰,而与出发菌株的发酵液提取物相比,两种转基因灰盖鬼伞的发酵液中均出现了明显的差异峰,采用GC-MS特征质量离子分析方法判定为紫杉二烯,分别为44 ng/L(转化p Bg GGg TS)和30 ng/L(转化p Bg GGTS)。结果表明,通过在灰盖鬼伞融合基因或各自独立表达的形式共表达ggpps和ts基因,可以生物合成紫杉二烯。     

西瓜牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因的克隆及表达分析

目的:了解牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因(GGPS)在4种不同瓤色西瓜果实发育过程中的表达变化,将为西瓜类胡萝卜素基因操作提供工具。方法:通过RT-PCR和RACE技术从西瓜果实中克隆GGPS的cDNA全长,用生物信息学方法分析其序列及推测氨基酸序列,并用实时定量PCR技术检测GGPS在不同瓤色果实发育过程的表达水平。结果:GGPS基因cDNA全长1 445 bp(GenBank登录号为KF914758),其开放阅读框为1 092 bp,编码363个氨基酸。预测其氨基酸序列N末端存在转运肽信号序列。西瓜GGPS与甜瓜和黄瓜GGPS的序列同源性高达90%以上。GGPS在红瓤西瓜中的表达量最高,白瓤西瓜中最低。结论:克隆获得的GGPS可能对西瓜果实中类胡萝卜素的积累具有重要影响。     

ggpps 5'-侧翼序列的克隆及其启动子功能验证

目的:研究牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶(geranylgeranyl diphosphate synthase,GGPPs)基因启动子的活性;方法:从曼地亚红豆杉细胞中克隆ggpps基因5'-侧翼序列,并将该侧翼序列代替pBI121质粒上的CaMV35S启动子,以Gus基因作为报告基因构建植物表达载体,并进一步导入农杆菌LBA4404中获得阳性转化子,然后用叶盘转化法验证该侧翼序列的启动子活性;结果:本研究从曼地亚红豆杉细胞中成功克隆了ggpps基因的5'-侧翼序列,并且验证了该侧翼序列具有启动子活性;结论:ggpps基因的5'-侧翼序列的测序结果表明本实验成功克隆了该侧翼序列,启动子功能验证结果表明ggpps 5'-侧翼序列具有启动子活性,这些结果为进一步的通过缺失法进行ggpps基因启动子功能研究奠定了基础.     

茶树CsGGDPS7基因的克隆和表达分析

从茶树基因组鉴定得到牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因CsGGDPS7,以铁观音茶树为材料克隆获得全长cDNA(GenBank登录号MH891780)。CsGGDPS7序列全长1 185bp,包含1 098bp开放阅读框(ORF),编码365个氨基酸。预测结果显示在N端包含叶绿体转运肽,亚细胞定位于叶绿体中。氨基酸序列分析结果显示,具有类异戊二烯合成酶家族的5个保守域和2个特征功能域(DDXXXXD和DDXXD)。进化树结果表明与油橄榄(Olea europaea)OeGGDPS7亲缘关系最近。荧光定量检测显示,CsGGDPS7在叶片中的表达量显著高于其他组织,但花发育阶段CsGGDPS7表达量差异不显著。在乌龙茶做青过程中,CsGGDPS7在晒青阶段就快速上调表达并在三摇达到峰值。CsGGDPS1和CsGGDPS2表达也受做青调控,但CsGGDPS4不受做青调控。研究推测,CsGGDPS7可能与乌龙茶萜类香气物质合成密切相关。     

榛子产紫杉醇内生真菌Penicillium aurantiogriseum中GGPP合酶基因的克隆与表达

牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶是产紫杉醇内生真菌紫杉醇合成下游途径中的关键步骤之一,在榛子产紫杉醇内生真菌中进行紫杉醇生物合成研究时首先要确认GGPP合酶的存在。该研究通过RT-PCR方法克隆得到了榛子产紫杉醇内生真菌Penicillium aurantiogriseum中GGPP合酶基因Pa GGPPS(Gen Bank登录号为KM881430)的c DNA开放阅读框(Open reading frame,ORF)。利用生物信息学方法,我们分析了该基因的序列,并对其编码的氨基酸序列进行了预测。结果发现该基因ORF长度为1 113 bp,预计蛋白分子量为40.98k D,等电点为6.168,表明该蛋白呈酸性。对其进行亲疏水性分析发现肽链整体呈现为亲水性。Pa GGPPS的主要二级结构元件为α-螺旋,并且包含一个异戊二烯类化合物合酶功能域。对榛子产紫杉醇内生真菌与其他物种的GGPPS进行氨基酸同源性分析,发现其与娄地青霉、曲霉菌和费氏新萨托菌的一致性较高,分别为94%、76%和76%。进化树分析表明来自动物、真菌和酵母的GGPPS聚为一类,来自植物的GGPPS聚为一类,其中榛子产紫杉醇内生真菌的GGPPS和青霉菌的进化关系最近,与植物的GGPPS的进化关系最远。对其进行基础生物信息学分析后,我们构建了原核表达载体,成功诱导其表达并得到可溶性蛋白。该研究结果为下一步深入研究GGPPS基因在内生真菌Penicillium aurantiogriseum紫杉醇合成途径中的作用及和构建高产紫杉醇基因工程菌株奠定了一定的基础。     

转基因水稻中过表达OsHGGT基因提高种子三烯生育酚含量的研究

旨在提高稻米中三烯生育酚的含量,将来源于日本晴尿黑酸牻牛儿基牛儿基牻转移酶(homogentisic acid gerany-lgeranyl transferase,HGGT)基因导入粳稻品种武育粳3号过量表达。经PCR和RT-PCR分析证明外源基因已导入水稻中并能够在水稻胚乳中表达。HPLC测定结果表明,过表达HGGT后,转基因水稻种子糠层及胚乳中γ-三烯生育酚和总三烯生育酚的含量分别是未转化对照的1.52和1.67倍,且三烯生育酚的积累并未导致总生育酚含量的降低,最终糠层及胚乳中总三烯生育酚与总生育酚的比值分别提高到0.82和1.82,极显著高于(P<0.01)未转化对照(分别为0.54和1.27)。     

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。     

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。     

丹参SmGGPPS3基因的克隆及表达分析

香叶基香叶基焦磷酸合酶(Geranylgeranyl pyrophosphate synthase,GGPPS)是植物细胞二萜类物质合成的重要调节靶点。本研究从药用植物丹参中克隆了一条新的GGPPS基因(SmGGPPS3),基因全长2908 bp,包含一个931 bp的内含子和一个960 bp的编码序列。推测的氨基酸序列与蓖麻、橡胶、拟南芥等植物GGPPS一致性达到67%以上。实时定量PCR结果显示,SmGGPPS3基因在丹参不同发育时期不同器官中表达差异显著,同时受茉莉酸甲酯和病原菌的诱导。遗传互补实验也表明,SmGGPPS3编码蛋白具有GGPP合酶的活性。     

基于叶绿体基因组探讨桃金娘目及其近缘类群的系统发育关系

该研究基于叶绿体基因组数据,对桃金娘目(6科44属97种)及其近缘类群(牻牛儿苗目2科5属25种)的系统发育关系进行了分析.结果表明:(1)桃金娘目基因组大小为152～171 kb,包括的蛋白质编码基因数目为74～90个;牻牛儿苗目基因组大小为116～242 kb,包括的蛋白质编码基因数目为75～132个.(2)对比叶...     

ggpps 5′-侧翼序列的克隆及其启动子功能验证

目的：研究栊牛儿基栊牛儿基焦磷酸合成酶（geranylgeranyl diphosphate synthase,GGPPs）基因启动子的活性;方法：从曼地亚红豆杉细胞中克隆ggpps基因5′-侧翼序列,并将该侧翼序列代替pBI121质粒上的CaMV35S启动子,以Gus基因作为报告基因构建植物表达载体,并进一步导入农杆菌LBA4404中获得阳性转化子,然后用叶盘转化法验证该侧翼序列的启动子活性;结果：本研究从曼地亚红豆杉细胞中成功克隆了ggpps基因的5′-侧翼序列,并且验证了该侧翼序列具有启动子活性;结论：ggpps基因的5′-侧翼序列的测序结果表明本实验成功克隆了该侧翼序列,启动子功能验证结果表明ggpps 5′-侧翼序列具有启动子活性,这些结果为进一步的通过缺失法进行ggpps基因启动子功能研究奠定了基础。     

青钱柳法呢基焦磷酸合成酶基因的克隆及功能研究

青钱柳是集药用、材用和观赏等多种价值于一身的珍贵树种。法呢基焦磷酸合成酶(FPS)催化=牛儿基焦磷酸(GPP)与异戊烯基焦磷酸(IPP)缩合成法呢基焦磷酸(FPP),FPP是植物次生代谢产物倍半萜,三萜,甾醇等的前体。本研究通过RACE方法首次从青钱柳中扩增了法呢基焦磷酸合成酶的全长cDNA序列,序列命名为CpF-PS(Genbank登录号为GU121224),序列长度为1 420 bp,包含1 029 bp的开放阅读框,编码342个氨基酸残基,预测蛋白分子量为39.60 kDa。通过BlASTP分析,推断的青钱柳FPS蛋白序列与木本棉(Gossypium arboreum)(CAA72793.1)、橡胶树(Hevea brasiliensis)(BAF98301)等的FPS蛋白相似度较高。蛋白质保守区、特征区以及进化树分析初步证实扩增到的全长cDNA序列为青钱柳的FPS基因。将该基因连入酵母表达载体并转入麦角甾醇缺陷型酵母菌株CC25(MATa/MATalpha,deltaERG20/+),发现该基因可弥补营养缺陷使得CC25菌株在高温中正常生长,证明所得到的青钱柳CpFPS基因编码的蛋白是有功能的蛋白。     

紫杉醇合成相关候选基因A02725的克隆及转基因菌株的构建

真菌紫杉醇合成相关基因的功能研究是揭示真菌紫杉醇合成机制的关键。为了揭示产紫杉醇内生真菌枝状枝孢霉MD2的候选基因A02725对宿主紫杉烷类合成的作用,本研究克隆了候选基因A02725的DNA全长序列(1 524 bp);生物信息学预测结果表明该基因编码蛋白为亲水蛋白,含508个氨基酸,无信号肽和跨膜结构,与牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶(geranylgeranyl pyrophosphate synthase,GGPPS)具有79%的一致性;进一步构建该基因的超表达载体并转化枝状枝孢霉MD2,通过抗性筛选以及Southern blot检测,共获得27株转基因菌株,其中5株转基因菌株的外源基因是以单拷贝方式整合。该结果为深入分析超表达候选基因A02725对宿主紫杉烷类合成的影响奠定了基础。     

地黄GGPPS1基因克隆及表达分析

以地黄为材料,通过分析地黄转录组数据,设计特异性引物,克隆了地黄牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶（geranylgeranyl pyrophosphate synthase,GGPPS）基因的cDNA序列,命名为RgGGPPS1,GenBank登录号为KU258808。同时在生物信息学分析的基础上,进行原核表达、纯化以及组织特异性表达分析。结果显示：（1）RgGGPPS1基因开放阅读框为987 bp,编码328个氨基酸。（2）生物信息学分析结果显示,RgGGPPS1蛋白含有2个富含天冬氨酸的基序(DDXXXXDD和DDXXD),与芝麻等双子叶植物中的GGPPS蛋白相似性较高。（3）利用构建的原核表达载体pET 32a RgGGPPS1在大肠杆菌BL21(DE3)菌株中成功表达RgGGPPS1重组蛋白,采用Ni²⁺亲和层析得到了纯化的RgGGPPS1重组蛋白。（4）荧光定量PCR结果显示,RgGGPPS1基因在根中表达量最高,叶、茎中表达量较低。研究结果为进一步研究RgGGPPS1基因在地黄环烯醚萜苷生物合成途径中的功能奠定了基础。     

四川牻牛儿苗科(Geraniaceae)植物地理分布的研究

四川牛儿苗科植物共3属、53种、2变种, 其中老鹳草属Geranium49种, 2变种, 牛儿苗属Erodium2种, 熏倒牛属Biebersteinia2种。属的分布区类型分别为世界分布, 地中海区至温带、热带亚洲、大洋洲至南美洲间断分布和地中海区、西亚至中亚分布。研究了本科植物在四川的水平分布和垂直分布情况。水平分布方面, 在东部四川盆地及盆周山地分布着老鹳属1属、23种、2变种, 占四川本科种数的43%。在西部, 川西南河谷山原地区分布着老鹳草属植物32种, 占四川儿苗科植物总数的60%, 是四川老鹳草属植物分布最集中的地区。在川西北随着地理纬度的升高, 属的数目逐渐增加, 到最北面, 3属均产, 但老鹳草属植物的种类则逐渐减少。垂直分布方面, I、川东盆地及川西南山 地常绿阔叶林地带有老鹳草属1属、44种、2变种, 占四川供牛儿苗科植物总数 83%, 主要分布在川西南河谷山原植被地区。П、川西高山峡谷山原针叶林地带, 分布着老鹳草属和优牛儿苗属植物25种, 占四川本科植物的47%, 主要分布在川西 高山峡谷区。III、四川北高山灌丛、草甸地带, 分布着老鹳草属、狀牛儿苗属和熏 倒牛属植物12种。熏倒牛属在四川仅分布在这一地带内。     

菘蓝牦牛儿基牦牛儿基焦磷酸合成酶基因(IiGGPPS1)的克隆及其表达特性分析

本研究通过分析菘蓝转录组数据库得到一条牦牛儿基牦牛儿基焦磷酸合成酶(GGPPS)的编码序列,利用RT-PCR扩增得到其全长,命名为Ii GGPPS1,利用生物信息学方法对该基因及其编码的蛋白进行分析,并对该基因的功能、表达特性进行了研究。研究结果表明:Ii GGPPS1的c DNA序列全长为1 086 bp,开放阅读框长1 080 bp,编码359个氨基酸。Ii GGPPS1蛋白与其它植物GGPPSs高度保守,蛋白N端含有叶绿体信号肽,二级结构主要由螺旋和无规则卷曲组成,同源建模结果显示Ii GGPPS1蛋白是个同源二聚体。组织特异表达分析表明该基因在叶片中的表达量最高,根中次之,茎中最低,且受虫害颜色浅的叶片中该基因表达量显著低于正常叶片中的表达量,推测该基因可能与二萜化合物叶绿素的合成相关。该结果将为进一步研究菘蓝牦牛儿基牦牛儿基焦磷酸合成酶基因(Ii GGPPS1)的功能及其表达调控奠定理论基础,也可为菘蓝的生长、发育调节与品质改良积累研究资料。