甜叶悬钩子(Rubus suavissimus S.Lee)中UDP-糖基转移酶基因的克隆、表达及序列分析

糖基化是植物次生代谢产物生物合成中重要的修饰反应。目前已报道的以二萜为底物的UDP-糖基转移酶(UGT)数量稀少。本研究基于甜叶悬钩子叶片的转录组数据,利用生物信息学分析手段,选定可能具有二萜类催化活性的UDP-糖基转移酶基因进行克隆。最终克隆得到18条UGT基因序列,在大肠杆菌中进行了异源表达,并对克隆的基因进行了初步的序列分析。本研究为进一步挖掘和验证甜叶悬钩子中UGT的功能奠定了基础。     

微生物合成黄酮糖苷类天然产物研究进展

黄酮糖苷类天然产物是植物中黄酮类化合物的主要存在形式,通过糖基化修饰,可以改变其水溶性、稳定性等,赋予其新的生物活性和功能。黄酮类化合物的糖基化修饰通常由植物源或微生物源的糖基转移酶催化,根据糖基的位置、类型和数量的不同,可形成多种类型的黄酮糖苷类产物。随着合成生物学和代谢工程的快速发展,在微生物中合成植物源黄酮糖苷类天然产物取得了重要进展。综述了糖基转移酶的聚类分析及糖基供体的途径改造,并对代谢工程优化黄酮糖苷类天然产物的微生物合成进行了分析讨论,并对其发展前景进行了展望。     

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。     

植物中甾醇糖基转移酶的研究进展

甾醇(sterol)是植物细胞膜结构和天然植物激素的重要组成成分。甾醇糖基转移酶(sterol glycosyltransferases,SGTs)作为糖基转移酶一号家族(GT family 1)较为保守的一支,是一类参与甾醇下游修饰的酶,具有调控植物初期生长发育、信号转导、次生代谢产物合成以及响应生物、非生物胁迫等生物学功能。本文主要综述了SGTs在植物生长调控、生物合成、早期发育研究的进展,最后讨论了甾醇糖基转移酶在工业生产药用活性分子方面的前景和主要限制,旨在为更深入开展甾醇糖基转移酶的研究和应用提供参考。     

链霉菌胞外多糖139A生物合成中引导糖基转移酶基因的克隆和鉴定

链霉菌139能够产生一种新的胞外多糖139A,该多糖具有抗类风湿性关节炎的活性。为研究多糖139A的生物合成基因簇,首要策略是克隆到在多糖139A的生物合成中起关键作用的引导糖基转移酶基因。根据其他几个种属的糖基转移酶氨基酸序列的两个保守区域设计简并引物,通过PCR方法扩增出相应的DNA片段作为探针,从链霉菌139基因组文库中分离到引导糖基转移酶基因ste5,并定位于约32kb的基因簇上。序列分析发现其蛋白序列与引导糖基转移酶具有较高的同源性,其C-端含有A,B和C3个保守区,N-端具有5个跨膜区。引导糖基转移酶基因阻断突变株不能够产生多糖139A表明其参与多糖139A的生物合成。     

植物糖基转移酶基因的分离方法及其生物学功能研究进展

植物糖基转移酶是植物体内广泛存在的一种进行糖基化反应的转移酶,可以对糖、蛋白质等受体化合物进行糖基化修饰,从而改变其理化性质,对植物的次生代谢和维持体内激素稳态等的生长发育以及对生物及非生物胁迫的响应具有重要的意义。综述了近几年来植物糖基转移酶研究方法及生物学功能的进展情况,并对以后的研究热点进行了展望,旨为更多植物糖基转移酶的鉴定及分离方法提供一定的借鉴,同时希望对该家族基因进一步的功能分析有所帮助。     

药用植物中UGT家族研究进展

尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶(UDP-glucuronosyltransferase,UGT)家族是植物体内最大的糖基转移酶家族。编码合成UGT的基因属于UGT基因家族。UGT催化的糖基化反应广泛地存在于药用植物次生代谢物质的合成过程中。作为代谢通路中的下游修饰,供体分子在UGT的催化下,将糖基连接到受体分子上。这一过程往往会改变终产物的理化及生物学性质,最终影响其实际的利用价值及利用方式。本文综述分析了药用植物UGT家族基因挖掘分析、功能验证和生产应用等方面近年来的研究进展。     

益母草糖基转移酶基因的克隆及原核表达分析(英文稿)

通过cDNA末端快速扩增技术(rapid amplification of cDNA ends,RACE)从益母草(Leonurus heterophyllus Sweet)叶片中克隆获得了一个编码糖基转移酶的基因(LhsUGT)。该基因cDNA全长为1562bp,开放阅读框(openreading frame,ORF)为1368bp,编码455个氨基酸残基,其分子量和等电点分别为50.47kD和5.52。生物信息学分析结果显示:LhsUGT编码的酶蛋白含有3种二级结构,其中α螺旋占43.1%,β折叠片占17.5%,无规卷曲占39.4%,其C端还发现了一段高度保守的PSPG结构域,说明LhsUGT编码的酶蛋白属于植物糖基转移酶超家族;对LhsUGT的氨基酸序列进行BLAST同源比对,发现益母草与其它植物的糖基转移酶序列相似性为26.4%~68.0%;系统进化树分析表明,LhsUGT蛋白属于拟南芥糖基转移酶超家族的L组,故推测它可能具有催化简单酚类发生糖基化的功能;SDS-PAGE电泳显示,原核表达系统成功表达出分子量约为69kD的LhsUGT重组蛋白,其N端含有一段17.9kD的His标签,且在IPTG诱导5h后达到最高表达量。本研究结果为进一步开展体外酶促反应、阐明益母草糖基转移酶的生物学功能奠定了基础。     

植物挥发物代谢工程在改良香气品质和植物防御中的应用

挥发物次生代谢在植物繁殖、植物防御和改良食物品质方面发挥着重要作用。近年来,随着参与挥发物生物合成的基因和酶类的鉴定以及代谢途径和调控机理等研究的不断发展和深入,挥发物代谢工程已经具备较高的可行性。应用代谢工程改良花、果实的香气品质以及提高植物防御能力的研究成效显著。主要介绍了这些方面的最新进展,同时也讨论了植物挥发物代谢工程应用存在的问题和挑战以及研究思路。     

益母草糖基转移酶基因的克隆及原核表达分析(英文)

通过cDNA末端快速扩增技术(rapid amplification of cDNA ends,RACE)从益母草(Leonurus heterophyllus Sweet)叶片中克隆获得了一个编码糖基转移酶的基因(LhsUGT)。该基因cDNA全长为1562 bp,开放阅读框(open reading frame,ORF)为1368 bp,编码455个氨基酸残基,其分子量和等电点分别为50.47 k D和5.52。生物信息学分析结果显示:LhsUGT编码的酶蛋白含有3种二级结构,其中α螺旋占43.1%,β折叠片占17.5%,无规卷曲占39.4%,其C端还发现了一段高度保守的PSPG结构域,说明LhsUGT编码的酶蛋白属于植物糖基转移酶超家族;对LhsUGT的氨基酸序列进行BLAST同源比对,发现益母草与其它植物的糖基转移酶序列相似性为26.4%~68.0%;系统进化树分析表明,LhsUGT蛋白属于拟南芥糖基转移酶超家族的L组,故推测它可能具有催化简单酚类发生糖基化的功能;SDS-PAGE电泳显示,原核表达系统成功表达出分子量约为69 k D的LhsUGT重组蛋白,其N端含有一段17.9 k D的His标签,且在IPTG诱导5 h后达到最高表达量。本研究结果为进一步开展体外酶促反应、阐明益母草糖基转移酶的生物学功能奠定了基础。     

Plant volatile terpenoid metabolism: Biosynthetic genes, transcriptional regulation and subcellular compartmentation

Volatile terpenoids released from different plant parts play crucial roles in pollinator attraction, plant defense, and interaction with the surrounding environment. Two distinct pathways localized in different subcellular compartments are responsible for the biosynthesis of these compounds. Recent advances in the characterization of genes and enzymes responsible for substrate and end product biosynthesis as well as efforts in metabolic engineering have revealed new aspects of volatile terpenoid biosynthesis. This review summarizes recent progress in the characterization of volatile terpenoid biosynthetic genes, their spatio-temporal expression patterns and subcellular localization of corresponding proteins. In addition, recent information obtained from metabolic engineering is discussed.     

植物萜类代谢工程

植物萜类化合物不仅在植物生命活动中起重要作用,而且具有重要商业价值。随着近年来萜类代谢途径和调控机理研究的深入,代谢工程已成为提高萜类产量最有潜力的途径之一。对萜类代谢工程领域具代表性的研究结果进行了全面回顾,然后讨论了萜类代谢工程的研究方法和策略,其中重点探讨了功能基因组学方法在萜类代谢途径及调控机理研究方面的应用。     

植物代谢工程在活性天然产物制备中的应用

本文分析了目前应用植物代谢工程在提高活性天然产物产量方面的研究成果,讨论了植物代谢工程的应用前景。     

代谢转基因植物的研究现状与展望

代谢转基因是通过基因工程技术对细胞内的代谢途径进行遗传修饰,进而完成细胞特性改造。代谢修饰转基因植物是一个极具商业前景的领域,在医药、环境、农业等方面已有许多成功应用的实例。综合调控代谢的基因工程策略,讨论了代谢转基因植物的研究现状,我国农业生产中存在的主要问题和代谢转基因技术对我国农业发展的意义和前景。     

Plant Metabolic Modeling: Achieving New Insight into Metabolism and Metabolic Engineering

Models are used to represent aspects of the real world for specific purposes, and mathematical models have opened up new approaches in studying the behavior and complexity of biological systems. However, modeling is often time-consuming and requires significant computational resources for data development, data analysis, and simulation. Computational modeling has been successfully applied as an aid for metabolic engineering in microorganisms. But such model-based approaches have only recently been extended to plant metabolic engineering, mainly due to greater pathway complexity in plants and their highly compartmentalized cellular structure. Recent progress in plant systems biology and bioinformatics has begun to disentangle this complexity and facilitate the creation of efficient plant metabolic models. This review highlights several aspects of plant metabolic modeling in the context of understanding, predicting and modifying complex plant metabolism. We discuss opportunities for engineering photosynthetic carbon metabolism, sucrose synthesis, and the tricarboxylic acid cycle in leaves and oil synthesis in seeds and the application of metabolic modeling to the study of plant acclimation to the environment. The aim of the review is to offer a current perspective for plant biologists without requiring specialized knowledge of bioinformatics or systems biology.     

植物内源茉莉酸类物质的生物合成途径及其生物学意义

茉莉酸类物质（JAs）是新确认的一类广泛存在于植物体内的内源激素,在植物的生长发育、应激反应和次生代谢过程中起着重要的调控作用。该文主要概述了植物中茉莉酸类物质的生物合成途径、各关键酶的生理作用及其在植物次生代谢工程等方面的研究进展,并探讨了茉莉酸类物质的潜在应用价值。     

Production and engineering of terpenoids in plant cell culture

Terpenoids are a diverse class of natural products that have many functions in the plant kingdom and in human health and nutrition. Their chemical diversity has led to the discovery of over 40,000 different structures, with several classes serving as important pharmaceutical agents, including the anticancer agents paclitaxel (Taxol) and terpenoid-derived indole alkaloids. Many terpenoid compounds are found in low yield from natural sources, so plant cell cultures have been investigated as an alternate production strategy. Metabolic engineering of whole plants and plant cell cultures is an effective tool to both increase terpenoid yield and alter terpenoid distribution for desired properties such as enhanced flavor, fragrance or color. Recent advances in defining terpenoid metabolic pathways, particularly in secondary metabolism, enhanced knowledge concerning regulation of terpenoid accumulation, and application of emerging plant systems biology approaches, have enabled metabolic engineering of terpenoid production. This paper reviews the current state of knowledge of terpenoid metabolism, with a special focus on production of important pharmaceutically active secondary metabolic terpenoids in plant cell cultures. Strategies for defining pathways and uncovering rate-influencing steps in global metabolism, and applying this information for successful terpenoid metabolic engineering, are emphasized.     

植物内源茉莉酸类物质的生物合成途径及其生物学意义

茉莉酸类物质(JAs)是新确认的一类广泛存在于植物体内的内源激素, 在植物的生长发育、应激反应和次生代谢过程中起着重要的调控作用。该文主要概述了植物中茉莉酸类物质的生物合成途径、各关键酶的生理作用及其在植物次生代谢工程等方面的研究进展, 并探讨了茉莉酸类物质的潜在应用价值。     

Metabolic cartography: experimental quantification of metabolic fluxes from isotopic labelling studies

For the past decade, flux maps have provided researchers with an in-depth perspective on plant metabolism. As a rapidly developing field, significant headway has been made recently in computation, experimentation, and overall understanding of metabolic flux analysis. These advances are particularly applicable to the study of plant metabolism. New dynamic computational methods such as non-stationary metabolic flux analysis are finding their place in the toolbox of metabolic engineering, allowing more organisms to be studied and decreasing the time necessary for experimentation, thereby opening new avenues by which to explore the vast diversity of plant metabolism. Also, improved methods of metabolite detection and measurement have been developed, enabling increasingly greater resolution of flux measurements and the analysis of a greater number of the multitude of plant metabolic pathways. Methods to deconvolute organelle-specific metabolism are employed with increasing effectiveness, elucidating the compartmental specificity inherent in plant metabolism. Advances in metabolite measurements have also enabled new types of experiments, such as the calculation of metabolic fluxes based on (13)CO(2) dynamic labelling data, and will continue to direct plant metabolic engineering. Newly calculated metabolic flux maps reveal surprising and useful information about plant metabolism, guiding future genetic engineering of crops to higher yields. Due to the significant level of complexity in plants, these methods in combination with other systems biology measurements are necessary to guide plant metabolic engineering in the future.     

藤仓赤霉菌赤霉素生物合成及代谢调控研究进展

赤霉素是最重要的植物生长调节剂之一,在农业生产中得到越来越广泛的应用,具有广阔的市场前景,但其工业化的高生产成本严重制约着它的广泛应用。近年来,利用生物技术提升赤霉素产量日益成为研究热点。赤霉素生物合成是多种酶协同作用的过程,阐明赤霉素的生物合成机制,利用代谢工程策略调控代谢流量,对提高赤霉素产量至关重要。文中综述了当前藤仓赤霉菌赤霉素生物合成途径、关键酶、环境因素、代谢流调控等方面的研究进展,在代谢调控方面进行了展望,以期为实现赤霉素稳产高产提供思路。