长春花生物碱生物合成途径和相关酶及其基因调控的研究进展

从长春质碱、文多灵、蛇根碱和阿吗碱及长春碱、长春新碱等的生物合成途径和催化酶及其基因的表达调控等方面概述了长春花生物碱的生物合成途径和代谢调控的研究进展,并对已经被分离和纯化或克隆的催化酶及其基因作了简要介绍。     

浙江富阳和海南文昌人工种植长春花生物碱积累组织特异性对比

药用植物长春花的人工栽培分布区主要在我国海南省,目前已引种扩大到浙江、四川等地。为了研究不同栽培区长春花生物碱积累的区域性差异和组织特异性分布特点,本文以浙江富阳和海南文昌两地所产的同苗龄长春花为原料,对其不同部位的长春碱、文朵灵和长春质碱的含量进行对比,分析3种生物碱在不同部位中积累的相关性。研究结果表明,海南文昌所产长春花植株的叶片中3种生物碱含量均高于浙江富阳。但分枝中长春碱含量特点是浙江富阳要显著高于海南文昌;不同部位生物碱之间相关性分析表明,叶片和主茎中文朵灵和长春质碱含量呈显著正相关,而分枝中长春碱与其前体长春质碱成极显著负相关。本文为长春花人工栽培区分布评估提供了理论指导。     

外源乙烯对长春花生理水平和生物碱积累的影响

药用植物长春花中含有100多种萜类吲哚生物碱（TIAs）,其中具有抗肿瘤功效的长春碱和长春新碱受到关注。为了研究外源乙烯处理对长春花生长情况、生理状态和萜类吲哚生物碱合成的整体影响,本文以长春花幼苗为实验材料,使用外源乙烯处理后对比了不同生长条件下长春花的生物量积累、根茎伸长、光合参数以及生物碱含量等指标,分析了生物碱合成与其他指标之间的相关性。结果表明,外源乙烯处理使长春花乙稀释放量上升,乙烯信号响应因子erf基因表达量提高。乙烯利抑制长春花幼苗生物量积累、根纵向生长,促进茎秆横向加粗生长,由非气孔因素导致净光合速率（P_n）和气孔导度（G_s）下降。外源乙烯促进异胡豆苷（STR）、长春质碱（CAT）、文多灵（VIN）和长春碱（VINB）积累,并且促进长春碱合成途径中关键酶基因str和CrPRX上调表达。相关性分析结果表明,次生代谢产物的积累、生长指标、光合参数之间存在明显的相关性;长春质碱、文多灵、长春碱与茎秆直径（SD）显著正相关（P < 0.05）,与生物量（B）、株高（H）、根长（RL）、净光合速率（P_n）呈显著负相关（P < 0.05）。本文为研究外源乙烯调控长春花生物碱积累的机制提供理论基础。     

弱光胁迫对大田长春花生物量分配及次生代谢的影响

以长春花（Catharanthus roseus(L.) Don.）为材料,研究了田间栽培长春花在全光和20%透光率下,经过一个生长季后生物量配置、抗氧化次生代谢产物和文朵灵、长春质碱、长春碱等目的活性物质含量的变化。研究结果表明,弱光条件显著抑制了长春花植株总生物量增长,特别是抑制了有性生殖的投入;弱光组叶片总酚和总黄酮含量显著降低,干重含量分别为对照组的62.50%和50.00%,原花青素含量则略有升高,但与全光组的差异不显著;弱光组叶片文朵灵和长春质碱含量显著高于对照组,长春碱含量略有上升但差异不显著,受生物量降低影响,3种生物碱的产量均显著下降。上述结果表明,长春花能够调控生理代谢以适应低光强环境,特别是文朵灵和长春质碱含量提升显著,林下低光强环境种植长春花可以满足土地资源充分利用和文朵灵、长春质碱优质原料的需求。     

川西獐牙菜SmDL7H基因原核表达及组织表达

该研究根据川西獐牙菜转录组信息获得7-脱氧马钱子酸羟化酶(SmDL7H)基因的全长cDNA序列,对该基因进行同源克隆、生物信息学分析,并构建原核表达载体、转化大肠杆菌、进行原核表达和组织特异性表达分析,以探讨川西獐牙菜裂环烯醚萜合成途径中关键酶7-脱氧马钱子酸羟化酶(SmDL7H)基因的功能,为研究裂环烯醚萜类化合物合成途径奠定基础。结果表明:(1)成功克隆了川西獐牙菜SmDL7 H基因(GenBank登录号为MH243070);SmDL7 H基因开放阅读框为1 554bp,编码517个氨基酸,相对分子质量为59.5kD,等电点9.02;生物信息学预测SmDL7 H基因编码蛋白无信号肽。(2)多序列比对及进化树分析显示,SmDL7 H编码的蛋白与滇龙胆、长春花、金银花等植物的DL7 H基因编码的蛋白具有较高相似性。(3)将SmDL7 H基因连接到pET-28a原核表达载体,转化大肠杆菌Rosetta(DE3),用0.1mol/L IPTG于25℃诱导12h,原核表达分析发现在59.5kD处有目的蛋白出现,表明与之前预测的蛋白大小一致。(4)荧光定量PCR分析显示,SmDL7 H基因在川西獐牙菜叶、茎、花、根、愈伤组织中均有表达,其中在叶片中表达量最高,在根中表达量最低。     

长春花吲哚生物碱合成途径的基因工程研究进展

对长春花吲哚生物碱合成途径的基因工程研究进行了综述。研究人员为探索利用长春花大量生产抗肿瘤药物长春碱和长春新碱等,对长春花吲哚生物碱的合成途径展开了深入的研究,克隆和鉴定了多个编码合成途径关键酶的基因,并研究了相关转录因子对该合成途径基因表达的调控作用;另外,一些关键基因和转录因子已被用于长春花吲哚生物碱代谢途径的遗传改造,相关研究显示利用基因工程手段提高长春花药用成分含量的可行性。     

长春花萜类吲哚生物碱生物合成途径中重要酶(DXR、SLS、G10H、STR)基因的克隆与表达

以分离提取的2周龄长春花植物幼苗总RNA为模板,经两步Gateway-PCR反应扩增得到长春花萜类吲哚生物碱合成途径中编码重要酶：5—磷酸脱氧木酮糖还原酶（DXR）、次番木鳖苷合成酶 （SLS）、牻牛儿醇-10羟化酶（G10H）和异胡豆苷合成酶（STR）的cDNA 基因片段。利用BP重组酶将扩增片段克隆到Gateway化的入门载体pDONR201中,并进行测序验证。测序后的基因通过 LR重组酶的作用转移到带有HIS标签的目标载体pETG10A中,构成重组表达质粒,转化大肠杆菌BL21（DE3）,经IPTG诱导得到了高效表达,通过Ni-TED树脂纯化方法得到了高纯度的蛋白。     

PEG6000胁迫下长春花叶片生物碱含量及相关基因表达的分析

以长春花(Catharanthus roseus(L.)G.Don)幼苗（45 d）为材料,采用温室水培法,设定不同浓度的聚乙二醇6000(Polyethyleneglycol,PEG6000)胁迫处理,通过分析叶片脯氨酸含量和相对含水量的变化,选定35%（V/V）浓度的PEG6000模拟干旱胁迫。结果显示,干旱处理12~24 h,叶片中碱性POD活性明显增强。高效液相色谱技术分析表明,干旱处理下,叶片中文多灵和长春质碱含量逐渐升高且高于对照,然后下降;处理12~24 h,长春碱含量逐渐升高,24 h达到峰值(0.17 mg·g^-1 FW±0.003 6)。半定量RT-PCR分析表明,在胁迫处理3 h,生物碱合成途径中3个基因(Tdc、Str、Dat)表达均相对升高,相关性分析表明,PEG6000干旱胁迫下,长春花叶片中Tdc基因表达与长春质碱含量变化正相关,POD的活性与长春碱含量变化正相关(P<0.05)。     

高梁肉桂酸羟化酶基因SbC4H1降低拟南芥的木质素合成

肉桂酸羟化酶（C4H）是苯丙烷代谢通路的关键酶,其活性和含量直接影响木质素合成的效率。本文研究通过高粱bmr突变体的抑制差减杂交筛选、克隆到了一个C4H基因sbC4H。半定量RT-PCR发现,SbC4H1在多个bmr突变体中上调表达。将SbC4H1-GFP融合基因转化拟南芥原生质体进行瞬时表达,发现SbC4H1表达产物蛋白定位于细胞质。SbC4H1在拟南芥中的异源表达明显降低其茎的木质素含量,并且下调了拟南芥4CL1、FSH和HCT质素合成基因的表达。这些结果表明,高粱SbC4H1抑制了拟南芥木质素的合成。     

长春花萜类吲哚生物碱含量测定及相关基因的表达分析

采用反相高效液相色谱法(RP-HPLC)对23个长春花品种中的重要萜类吲哚生物碱文多灵、长春质碱和长春碱含量进行了测定,发现这3种生物碱的含量在不同品种中存在较大差异。相关性分析表明,文多灵、长春质碱和长春碱这3种生物碱中,文多灵含量和长春碱含量有极显著的相关性(P0.01)。利用RT-PCR分析了香叶醇10-脱羧酶基因(g10h)和异胡豆苷合成酶基因(str)在萜类吲哚生物碱含量有显著差异的品种之间的表达水平差异,并结合生物碱含量数据结果,发现g10h和str的表达水平和文多灵和长春质碱的总含量有显著的正相关性(P0.05),说明g10h和str基因可以作为长春花中文多灵和长春质碱含量的参考基因标记。该研究对为选育高萜类吲哚生物碱含量长春花品种及长春花萜类吲哚生物碱代谢工程具有重要意义。     

滇龙胆甲羟戊酸激酶基因的克隆与表达分析

甲羟戊酸激酶是甲羟戊酸途径的关键酶。根据滇龙胆转录组甲羟戊酸激酶基因Gr MK序列,设计一对基因特异性引物克隆该基因,并进行序列分析;构建原核表达载体p GEX-4T-1-Gr MK,转入大肠杆菌Rosetta(DE3),重组蛋白在37℃、1.0 mmol/L IPTG诱导下成功表达。生物信息学分析结果表明,Gr MK蛋白为甲羟戊酸激酶家族成员,具有MK蛋白保守结构域:乳糖激酶/高丝氨酸激酶/甲羟戊酸激酶/磷酸甲羟戊酸激酶(GHMP kinase)N端结构域、C端结构域和ATP结合结构域;Gr MK与长春花Cr MK亲缘关系最近.原核表达结果表明,融合蛋白相对分子质量与推断大小一致。组织特异性表达分析结果表明Gr MK基因主要在根中表达.这些结果为Gr MK蛋白结构和功能的研究奠定基础。     

EV71抗原双元植物表达载体构建及生菜瞬时表达

[目的]构建EV71 P1和3CD基因的双元植物表达载体,通过农杆菌注射渗透法实现在生菜叶片中的瞬时共表达。[方法]根据Gen Bank序列,设计合成EV71 C4亚型P1和3CD基因,分步克隆入植物表达载体p CAMBIA2301,并转化农杆菌LBA4404。农杆菌注射渗透法对意大利生菜叶片进行遗传转化,固相酶联斑点实验和免疫印迹实验检测感染叶片总蛋白提取物,分析外源基因表达效果。[结果]限制酶切验证获得共表达植物表达载体p CAMBIA2301-P1-3CD。感染叶片的外源基因表达产物中具有抗VP1抗体结合活性的蛋白,其分子量约39 k Da。[结论]成功构建EV71 3CD和P1基因双元植物表达载体,其在意大利生菜叶片中的表达产物具有免疫反应性。为利用植物生物反应器生产抗EV71口服疫苗提供了理论和实验依据。     

哺乳动物Bax基因在长春花细胞中的诱导表达及其对长春花生物碱合成的促进作用

Bax是哺乳动物细胞凋亡基因Bcl-2家族中的一员. 以往的研究报道表明, Bax基因可以诱发拟南芥等模式植物的超敏反应 (hypersensitive reactions, HR). 为了考查Bax基因对药用植物细胞次生代谢产物合成的影响, 我们构建了长春花雌二醇诱导型Bax基因工程细胞系. 实验结果表明, 转基因长春花细胞中Bax基因的表达水平对β-雌二醇浓度呈现明显的依赖性, 说明雌二醇诱导型启动子可以有效控制转基因长春花细胞中Bax基因的表达. 在30 μmol/L β-雌二醇处理下, 转基因长春花细胞中的长春花碱和总生物碱含量分别比野生型细胞高5. 0和5. 5倍, 表明哺乳动物Bax基因对长春花细胞中生物碱的合成具有促进作用. Northern blotting和Western blotting检测结果表明, Bax基因可以提高转基因长春花细胞中萜类吲哚碱生物合成途径关键酶基因Tdc和Str的转录水平, 并且促进细胞中防御相关蛋白PR1的积累, 说明Bax基因可以诱发长春花细胞的防御反应, 激活细胞中萜类吲哚碱生物合成途径, 从而提高长春花生物碱的合成代谢流量. 研究结果表明, 哺乳动物Bax基因可以从细胞水平上促进植物次生产物的合成, 为植物细胞次生代谢产物合成的分子调控提供了一种新的策略.     

长春花茉莉酸-异亮氨酸合成酶CrJAR1生物信息学分析与原核表达

长春花(Catharanthus roseus)可以产生多种萜类吲哚生物碱,其中包括多种天然的抗癌药物,但合成含量很低,茉莉酸信号通路可以调控这些萜类吲哚生物碱的生物合成,茉莉酸-异亮氨酸合成酶为茉莉酸信号通路中的关键元件。为了研究其功能,该文以长春花叶片为材料,分析了CrJAR1基因所编码的氨基酸序列,并进行原核表达。结果表明:CrJAR1基因编码了585个氨基酸,该蛋白不存在跨膜区域,定位于细胞质中,且该蛋白不含有信号肽;进一步系统进化树分析表明,长春花CrJAR1与笋瓜和番木瓜的JAR1同源性最高;对二级、三级结构进行预测,发现CrJAR1蛋白主要由α-螺旋构成;同时,成功构建了pET-30b-CrJAR1重组表达质粒,并经IPTG诱导后在大肠杆菌BL21中异源表达,经16、37℃分别诱导至16 h后,均显示出最高的表达量。综上结果,对长春花中CrJAR1蛋白进行生物信息学分析,并成功在大肠杆菌中进行异源表达,这对体外该蛋白功能的研究具有深远影响,为调节茉莉酸信号通路甚至调控长春花中次级代谢产物的生物合成提供了指导。     

金龙胆草鲨烯环氧酶基因的克隆及原核表达

本研究根据金龙胆草转录组数据库筛选获得了皂苷合成途径的一个关键酶基因——鲨烯环氧酶(SQE)。以筛选获得的基因序列,设计带有限制性内切酶Bam HⅠ和XhoⅠ位点的特异引物,通过RT-PCR方法对SQE基因进行克隆,并利用限制性内切酶和T4连接酶的共同作用,构建p ET30b(+)-SQE原核表达载体,导入大肠杆菌BL21(DE3)宿主细胞中,当OD600达到0.6时加入终浓度为1 mmol/L的异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)进行诱导表达,最终以SDS-PAGE(十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳)检测蛋白的表达情况。结果表明本研究成功克隆了金龙胆草鲨烯环氧酶基因(Cb SQE),该基因开放阅读框为1 575 bp,编码525个氨基酸。系统发育树分析显示Cb SQE与毛曼陀罗及绞股蓝SQE基因亲缘关系比较近;酶切及测序结果表明,成功构建了Cb SQE基因原核表达载体;SDS-PAGE显示成功诱导表达了Cb SQE融合蛋白,蛋白分子量为57 k D,与理论预测结果相符合。本研究结果为解析金龙胆草的皂苷合成途径提供了一定的理论依据。     

外源糖对水稻Ugp1基因表达调控研究

植物尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPase）是蔗糖合成与降解途径的关键酶。本研究采用水稻叶片离体培养方法,结合Northern杂交技术,研究了外源糖对水稻Ugp1基因表达的影响。研究结果表明,蔗糖、葡萄糖、果糖、光照均能上调水稻Ugp1基因的表达,同时这种上调表达依赖于己糖激酶;果糖能上调水稻成熟叶片中Ugp1基因的表达,但并不影响苗期叶片中Ugp1基因的表达,具组织特异性;葡萄糖和果糖协同作用对Ugp1基因的诱导表达强于蔗糖,这种诱导除依赖于己糖激酶外,还存在其它未知的调控途径。水稻中存在UGPase的多种异构体,蔗糖及光照可诱导水稻Ugp1基因的上调表达,但对水稻UGPase的多种异构体形式并无影响。研究结果将有助于深入了解水稻Ugp1基因与糖信号途径互作调控网络。     

人Leptin的基因克隆及其在大肠杆菌中的表达

用 RT- PCR自脂肪细胞 RNA扩增人瘦素 (leptin)基因的 c DNA片段 (约 50 0 bp)并克隆至克隆载体 p SK(+) ,获得重组质粒 p SK- OB,DNA序列分析显示获得的 Leptin基因和文献报道一致 .用限制酶 Eco R 和 Bam H 从 p SK- OB切下并插入原核表达载体 p BV2 2 0的相应限制酶位点 ,转化大肠杆菌 DH5α.转化菌株经 42℃诱导 ,SDS- PAGE检测和 Western印迹鉴定 ,获得高水平重组人瘦素的表达菌株 ,其表达量达菌体总蛋白的 30 %以上 .     

植物生长调节物质对长春花细胞中吲哚生物碱积累的影响

适当浓度的脱落酸(ABA)、乙烯利和乙酰水杨酸(ASA)均对长春花悬浮细胞中吲哚生物碱的积累有较明显的促进作用.2mg·L-1ABA对吲哚生物碱的诱导效果最好,乙烯利的最适剂量为1 g·L-1,1 mg·L-1ASA有利于阿玛碱积累,而2 mg·L-1ASA则有利于长春质碱积累.     

人工种植长春花生物学性状和生物碱含量的季节动态

以人工种植的长春花（Catharanthus roseus（L.）G. Don）为材料,研究了一个生长季节内长春花的生物学性状和生物碱含量的季节动态。研究发现,长春花的株高、生物量和叶片数呈现相似的生长趋势,即前期（5~7月）缓慢增长、中期（7~9月）快速增长和后期（9~10月）增长缓慢3个明显的季节生长特征,而花总数在前期和中期也呈现相似的规律,但在后期（9~10月）快速下降。长春花叶片中3 种生物碱含量的季节变化规律明显,变化趋势相一致。3 种生物碱的含量在一个生长季节内均是先增加后降低再增加的趋势,且3 种生物碱含量均在7月下旬和10月下旬出现2个明显的高峰值。长春花叶片中长春碱含量与长春质碱和文多灵含量之间均有较强的正相关,且与文多灵含量呈显著的正相关（p<0.05）,长春花叶片中长春质碱含量与文多灵含量之间呈显著的正相关（p<0.05）。因此,生产实践中人工种植长春花的最佳采收期是10月末,并可通过改变环境因子进一步诱导长春花叶片中长春碱类物质的积累。     

土壤不同水分条件对长春花(Catharanthus roseus)生活史型的影响

为了研究土壤中不同水分条件对长春花生活史型形成及生理代谢的影响,设置对照、轻度干旱、中度干旱和重度干旱等土壤水分梯度,对长春花(Catharanthus roseus(L.)G.Don)幼苗进行处理。对长春花形态指标进行聚类分析发现选择的20个聚类实体被分为2组,第1组为对照(CK)和轻度干旱(LD)处理的植株,第2组为中度干旱(MD)和重度干旱(HD)处理的植株。运用主成分分析(Principal component analysis,PCA)方法对不同土壤水分条件下长春花营养生长(Vegetative growth,V)、有性生殖(Sexual reproduction,S)和无性繁殖(Clone reproduction,C)等3类15种性状进行统计。结果显示,长春花在对照条件下生活史型为V0.39S0.54C0.07,轻度干旱为V0.36S0.50C0.14,中度干旱为V0.53S0.27C0.20,重度干旱为V0.45S0.09C0.46,干旱程度加强显著提高了无性繁殖的比重,降低了有性生殖的比例。同时,对长春花中文朵灵、长春质碱和脱水长春碱等生物碱的含量进行了动态测定,发现重度干旱下的文朵灵、长春质碱和脱水长春碱的含量在16d时分别是对照水平的1.5倍、2.3倍和3.1倍,表明干旱胁迫诱导生物碱积累,为长春花高效栽培提供了理论依据。