转植酸酶基因玉米的研究与安全评价

植酸酶是应用最广泛的饲料添加剂之一,它在自然界中广泛存在,能提高饲料中磷的利用率,对减轻动物高磷粪便导致的环境水域污染有着重要意义.玉米是动物饲料的主要原料,在玉米饲料中添加植酸酶易造成饲料成本升高和生产效率降低等问题.近年来随着基因工程技术的发展,已克隆出多个真菌植酸酶基因,并成功在微生物、植物系统中表达.本文主要介绍了植酸酶基因的微生物来源与相关研究成果,阐述了转基因技术的常用方法和转植酸酶基因玉米的研究进展,并详细评价了转植酸酶基因玉米的安全性.通过对转植酸酶基因玉米的深入探讨,对改善玉米的品质,降低成本及推广植酸酶在饲料工业中的应用具有重要意义.     

转枯草芽孢杆菌植酸酶基因烟草对不同介质中植酸磷的吸收利用

利用转入枯草芽孢杆菌植酸酶基因的不同烟草株系,分别在无菌培养基、砂培和土培试验中研究了转植酸酶基因烟草对植酸磷的吸收和利用.结果表明,在无菌培养基试验中,所有转植酸酶基因烟草对植酸磷的吸收利用能力均显著高于野生型,其生物量比野生型提高了3.6～10.7倍,总磷吸收量提高了2.2～4.6倍;在沙培和土培中,转植酸酶基因烟草对植酸磷的吸收利用与野生型相比,生物量和总磷吸收量差异不显著.这说明转植酸酶基因在无菌条件下可以提高植物吸收利用植酸磷的能力,但是在自然条件下,由于微生物分解或矿物固定等原因,其作用不稳定,需要进一步研究克服土壤中的限制因素,才能使转基因植物充分发挥作用.     

植酸酶的研究进展

从三个方面综述了植酸酶的研究进展：（1）植酸酶的种类及来源;（2）植酸酶的性质;（3）植酸酶基因及基因工程。     

来源于Escherichia coli的高比活植酸酶基因的高效表达

高效表达高比活植酸酶是进一步提高植酸酶发酵效价、降低植酸酶生产成本的一个有效途径。对源于Escherichiacoli的高比活植酸酶基因appA ,按照毕赤酵母 (Pichiapastoris)密码子的偏爱进行了密码子优化改造。该改造后的基因appA m按正确的阅读框架融合到毕赤酵母表达载体pPIC9上的α 因子信号肽编码序列 3′端 ,通过电击转化得到重组转化子。对重组毕赤酵母的Southernblotting分析证实植酸酶基因已整合到酵母基因组中 ,并确定了整合基因的拷贝数。Northernblotting分析证实植酸酶基因得到了正常转录。SDS PAGE分析和表达产物的研究表明 ,植酸酶得到了高效分泌表达 ,在 5L发酵罐中植酸酶蛋白表达量达到 2 5mg mL发酵液 ,酶活性 (发酵效价 )达到 7 5× 10 6 IU mL发酵液以上 ,大大高于目前报道的各种植酸酶基因工程菌株的发酵效价。     

高寒草地燕麦根际解植酸磷促生菌鉴定及其优势菌假单胞菌属菌株功能特性

旨为从高寒草地燕麦根际定向筛选解植酸磷微生物资源，筛选促生潜力菌株，分析植酸酶编码基因。采用国际植物研究所磷酸盐生长培养基（NBRIP）分离及筛选菌株，16S rRNA基因鉴定其分类地位，并测定菌株植酸酶活性及促生特性，结合简并PCR和高效热不对称交错PCR(hiTAIL-PCR)扩增植酸酶基因完整序列，并进行生物信息学分析及异源表达。共获得107株菌株，其中51株能在NBRIP培养基上形成清晰溶磷圈，鉴定为2门10科11属，以假单胞菌（Pseudomonas）为优势菌。14株不同种假单胞菌均检测出植酸酶活性，具有溶解有机/无机磷、分泌IAA(3-indoleacetic acid)、固氮及拮抗植物病原菌的促生活性。获得了3株菌株的植酸酶（PHY65、PHY101和PHY131）序列，预测为β-螺旋植酸酶（β-propeller phytases,BPPhy）家族蛋白，其中重组PHY65的比活性为28.2 U/mg。研究结果可为解磷生物菌剂的研发与利用提供优良菌株资源，为植酸酶的生产应用提供理论基础。     

植酸酶及其植物基因工程*

综述了植酸酶的来源、其酶学性质及植酸酶的植物基因工程,并对其存在的问题、应用前景作了展望。     

来源于Escherichia coli的高比活植酸酶基因的高效表达

高效表达高比活植酸酶是进一步提高植酸酶发酵效价、降低植酸酶生产成本的一个有效途径。对源于Escherichia coli的高比活植酸酶基因appA,按照毕赤酵母（Pichia pastoris）密码子的偏爱进行了密码子优化改造。该改造后的基因appA-m按正确的阅读框架融合到毕赤酵母表达载体pPIC9上的α-因子信号肽编码序列3′端,通过电击转化得到重组转化子。对重组毕赤酵母的Southern blotting分析证实植酸酶基因已整合到酵母基因组中,并确定了整合基因的拷贝数。Northern blotting分析证实植酸酶基因得到了正常转录。SDS-PAGE分析和表达产物的研究表明,植酸酶得到了高效分泌表达,在5L发酵罐中植酸酶蛋白表达量达到2.5mg/mL发酵液, 酶活性(发酵效价)达到7.5×10⁶IU/mL发酵液以上, 大大高于目前报道的各种植酸酶基因工程菌株的发酵效价。     

增加植酸酶基因appA-m的拷贝提高其在巴斯德毕赤酵母的表达量

为了进一步提高植酸酶的发酵效价,降低植酸酶生产成本,对毕赤酵母表达载体pGAPZα-A进行了改造。将表达载体pPIC9的AOX1启动子序列引入pGAPZα-A,使之成为甲醇可诱导型表达载体pAOXZα,插入植酸酶基因appA-m后得到重组载体pAOXZα-appA-m。以染色体上带有一个拷贝的appA-m基因、发酵效价可达到7.5×106IU/mL发酵液的重组酵母菌株74#为受体菌进行转化,在该重组菌株的染色体上的另一位点整合含有植酸酶基因的表达盒,经筛选到高表达植酸酶的重组子。通过PCR进行验证,植酸酶基因被整合到重组酵母的染色体上,且受体菌中原有的植酸酶基因结构未改变。重组菌在5L发酵罐经甲醇诱导120h植酸酶蛋白表达量达到4mg/mL发酵液,酶活性(发酵效价)达到1.2×107IU/mL发酵液以上,较含单拷贝植酸酶基因的受体菌株表达量有较大程度提高。PCR检测及表达量分析证明改良的菌株具有很好的遗传稳定性和表达稳定性。     

植酸酶及其植物基因工程

综述了植酸酶的来源、其酶学性质及植酸酶的植物摹因工程,并对其存在的问题、应用前景作了展望。     

植酸酶及其基因工程研究进展

植酸酶可添加于食品与饲料中,能消除因不能降解的植酸所引起的抗营养作用,提高机体对蛋白质及多种微量元素的利用率,降低粪便中磷的含量,从而减少环境中磷的积累污染,有利于保护生态环境。弄清植酸酶的性质、基因结构和功能,了解其基因工程的研究进展,不仅具有重要的理论意义,而且在开发研究植酸酶制剂用于饲料、食品和医药等方面具有重要的实践价值。本文谨对植酸酶的性质、基因结构和功能及其基因工程的研究进展做一综述,并探讨了植酸酶的应用前景。     

黑曲霉WY-6植酸酶的表达、纯化及性质研究

目的:表达黑曲霉WY-6植酸酶基因及研究重组酶的性质。方法:通过PCR方法从黑曲霉WY-6基因组中扩增出植酸酶基因,并将该基因表达在毕赤酵母中,再利用蛋白质分离纯化技术对重组酶进行纯化,并测定其性质。结果:黑曲霉WY-6植酸酶基因成功表达在毕赤酵母中,重组植酸酶经饱和硫酸铵分级沉淀、超滤和阴离子交换层析步骤后得以纯化,纯化后的植酸酶比活力为147U/mg,分子量为67kDa,两个最适pH分别为3.0和5.5,最适温度为55℃,与胃蛋白酶以0.01的比率(胃蛋白酶/植酸酶,wt/wt)混合作用2h后仍保留70.9%残余活力。结论:获得了具有商业应用潜能的基因工程植酸酶。     

黑曲霉N25植酸酶phyA基因的克隆及序列分析

通过对黑曲霉N2 5植酸酶phyA基因PCR扩增 ,获得了一条长约 1 6kb的特异性PCR产物 ,并进行了酶切鉴定。然后在pUC1 8质粒中构建了含有目的基因片段的克隆质粒pFNP 1。DNA序列测定表明 ,目的基因片段含有植酸酶phyA基因的完整序列 ,phyA基因全长1 50 6bp,其中包含一段长 1 0 2bp的内含子 ,编码 467个氨基酸 ,5’端有一段编码 1 9个氨基酸的信号肽序列。黑曲霉N2 5与产植酸酶酶活最高的天然黑曲霉标准菌株NRRL31 35的植酸酶phyA基因 (GenBankAccession :M94550 )相比较 ,其同源性为 96 746% ,编码的氨基酸序列同源性为 97 64%。将黑曲霉N2 5植酸酶phyA基因序列及其相应的氨基酸序列在国际基因库中注册 (注册号分别为 :AF2 1 881 3,AAF2 5481 1 ) ,此基因是目前中国在国际基因库中注册的第一个植酸酶phyA基因。     

微生物植酸酶研究进展

植酸酶作为一种新型酶制剂,引起了国内外专家的广泛关注,对植酸酶进行了大量的研究工作。综述了近年来微生物胞内和胞外植酸酶分类、酶性质、酶活测定方法、酶作用机理、基因工程、酶的应用等方面的研究进展。     

增加植酸酶基因appA-m的拷贝提高其在巴斯德毕赤酵母的表达量

为了进一步提高植酸酶的发酵效价,降低植酸酶生产成本,对毕赤酵母表达载体pGAPZα-A进行了改造。将表达载体pPIC9的AOX1启动子序列引入pGAPZα-A,使之成为甲醇可诱导型表达载体pAOXZα, 插入植酸酶基因appA-m后得到重组载体pAOXZα-appA-m 。以染色体上带有一个拷贝的appA-m基因、发酵效价可达到7.5×10⁶IU/mL发酵液的重组酵母菌株74#为受体菌进行转化,在该重组菌株的染色体上的另一位点整合含有植酸酶基因的表达盒,经筛选到高表达植酸酶的重组子。通过PCR进行验证,植酸酶基因被整合到重组酵母的染色体上,且受体菌中原有的植酸酶基因结构未改变。重组菌在5L发酵罐经甲醇诱导120h植酸酶蛋白表达量达到4mg/mL发酵液, 酶活性(发酵效价)达到1.2×10⁷IU/mL发酵液以上, 较含单拷贝植酸酶基因的受体菌株表达量有较大程度提高。PCR检测及表达量分析证明改良的菌株具有很好的遗传稳定性和表达稳定性。     

黑曲霉Z6植酸酶基因phyA的克隆及表达

目的:克隆植酸酶基因phyA,构建毕赤酵母表达载体,转化毕赤酵母,并对重组工程菌的表达产物进行初步酶学性质研究.方法:以植酸酶高产菌株-黑曲霉Z6染色体DNA为模板,PCR扩增得到植酸酶基因phyA,序列鉴定后连接到毕赤酵母穿梭载体pPIC9K上,构建重组质粒pPIC9K-phyA,电击转化毕赤酵母KM71,筛选得到重组转化子.对重组工程菌表达产物进行SDS-PAGE分析和酶活性研究.结果:phyA序列分析表明该基因具有典型的植酸酶活性位点保守序列ArgHisGlyAlaArgTyrPro,与NC-BI已发表的植酸酶基因同源性较高,达到94%以上.该序列已提交GenBank,序列号为DQ318022.重组工程菌KM71-phyA7的PCR扩增证实了植酸酶基因已整合到酵母基因组中,植酸酶能有效分泌和表达,粗酶液酶活可达875U/mL.结论:植酸酶基因phyA在毕赤酵母中成功表达,为今后的定向改组奠定了基础.     

应用毕氏酵母高效表达耐高温植酸酶

自然界很难获得大量的耐高温植酸酶。采取连续延伸PCR方法 ,按照毕氏酵母的偏爱密码 ,合成 1.3kb烟熏曲霉耐高温植酸酶基因 fphy。合成基因与野生型基因核苷酸序列同源性为 74 % ,但编码的氨基酸序列一致。将耐高温植酸酶基因fphy插入毕氏酵母高效表达载体 pPIC9中 ,与分泌信号肽序列融合 ,通过同源重组将耐高温植酸酶基因整合到酵母染色体中 ,通过SDS PAGE检测和表达产物的酶活性筛选 ,得到重组转化子 ,证明植酸酶获得有效分泌和高效表达。经过 5L小罐高密度发酵 ,蛋白质表达量为 5 .6 g/L ;每毫升发酵液中植酸酶的活力单位达 130 0 0 0u ;表达产物耐高温性很强 ,90℃处理 80min后仍有 4 0 %的活性。     

卡氏德巴利酵母植酸酶在毕赤酵母中的异源表达及优化

【背景】植酸是一种能螯合金属离子和蛋白质的有机磷类化合物,广泛存在于植物组织中,影响动物对营养元素的吸收。在饲料中加入植酸酶可有效降解植酸。【目的】构建毕赤酵母异源表达卡氏德巴利酵母(Debaryomyces castellii,D. castellii)植酸酶的菌株,促进卡氏德巴利酵母植酸酶的研究及工业应用。【方法】将卡氏德巴利酵母植酸酶基因进行密码子优化后转入毕赤酵母GS115中,通过筛选多拷贝、敲除蛋白酶、过表达分子伴侣及转运蛋白的方法获取优势菌株。【结果】所得重组菌株GS115/DCphy(ΔPep4)(BFR2)的产酶酶活是低拷贝菌株的7倍。【结论】研究结果为卡氏德巴利酵母植酸酶的异源表达及潜在工业应用提供了一定的指导。     

产植酸酶菌株的筛选及其植酸酶基因的克隆

从土壤中筛选到产植酸酶活性较高的烟曲霉菌株WY-2,其植酸酶最适pH为5.5,最适温度为55℃。通过对烟曲霉WY-2植酸酶基因进行PCR扩增,获得了一个1.5kb大小的特异性产物,将其克隆到载体pMD18-T中。测序结果分析表明,该基因片段含有植酸酶基因完整的阅读框架(ORF),基因全长1459bp,其中包含一个61bp的内含子,编码465个氨基酸,有7个潜在的糖基化位点,5′端有一编码26个氨基酸的信号肽序列。该基因与已报道的烟曲霉ATCC34625植酸酶基因有91%同源性,编码的氨基酸序列同源性为91%。     

侧耳木霉T2-1植酸酶基因的序列分析及蛋白结构预测

利用GenBank发表的植酸酶A编码序列设计的引物,通过PCR的方法对侧耳木霉(Trichoderma pleuroticola)T2-1基因组DNA进行扩增,获得了一条长约1.7 kb的特异性DNA片段.序列测定结果表明,该DNA片段含有植酸酶编码基因的完整序列和3段内舍子序列,其中植酸酶基因全长1 443 bp,编码480个氨基酸,5'端有一段编码23个氨基酸的信号肤序列,其余的457个氨基酸残基为成熟植酸酶的氨基酸序列.对该基因编码的氨基酸序列进行三级结构预测,发现它为磷酸单酯酶.已将侧耳木霉T2-1植酸酶基因序列在GenBank中注册(登录号:GQ325590).这是目前中国在GenBank注册的第一个完整的木霉植酸酶编码基因.     

烟曲霉菌热稳定性植酸酶在黑曲霉菌中的分泌性表达

在先前克隆获得烟曲霉菌植酸酶phyA基因并构建了重组质粒的基础上,将该质粒转化黑曲霉菌pyrG基因缺陷株M54;同时制备植酸酶多克隆抗体用于植酸酶的免疫学检测。SDS-PAGE和western-blot结果表明,phyA在黑曲霉菌中获得分泌性表达。表达产物活性测定结果显示,重组植酸酶的表达量为597.6 IU/mL。在90℃加热10 min和100℃加热20 min后,重组植酸酶残余酶活分别为74%和70%,具有较好的热稳定性。实现了烟曲霉菌植酸酶在黑曲霉菌中的分泌性表达,表达产物具较高的生物活性和耐热性。