芥菜型油菜脂肪酸含量的变异、相关性分析及芥酸调控基因FAE1特异引物设计

芥菜型油菜是我国芸苔属的三大油料作物之一,具有耐旱、抗病虫等优良特性;而我国是芥菜型油菜的重要起源中心,具有丰富的种质资源。该研究从全国各地搜集了34份芥菜型油菜,在贵阳环境条件下种植,其脂肪酸含量(芥酸、油酸、硬脂酸、亚麻酸和亚油酸)表现出丰富的变异,并呈正态分布。结果表明:这些芥菜型油菜种质资源的不同脂肪酸含量间的相关性发现,芥酸和油酸间呈极显著负相关,亚麻酸和硬脂酸呈极显著的正相关,亚麻酸和亚油酸呈现负相关。利用这些材料的脂肪酸含量进行主成分分析,发现绝大部分材料(30份,占88.2%)集中在二维图的特定区域,只有少数其它材料散落在图中其它区域,他们分别是SL63、棱角油菜、T6342和长阳黄芥,这些变异较大的材料在芥菜型油菜的育种中可以发挥特殊作用。此外,运用来自甘蓝型油菜和甘蓝的芥酸调控基因FAE1的已知序列,并设计了FAE1特异引物,而引物在全部34份芥菜型油菜种质资源中均表现出了较好的扩增效果。因此证实芥菜型油菜中至少含有一个FAE1拷贝。该研究结果对于芥菜型油菜育种在我国的开展及其未来的分子育种具有重要的指导意义。

油菜脂肪酸延长酶基因fae1片段的克隆与SNP分析

脂肪酸延长酶基因fae1是调控油菜芥酸合成的关键基因。本研究利用GenBank中的fae1基因序列AF490462为模板设计引物,通过多聚酶链式反应(PCR)从白菜、甘蓝和甘蓝型油菜(包括2个人工合成种)的12个不同品种中扩增出长1007bp的fae1基因片段。PCR产物经与克隆载体pGEM-Tvector连接和序列测定,获得12个品种的fae1基因片段的DNA序列。对来自12个不同品种的fae1基因序列进行比较分析表明:fae1基因具有高度序列保守性,扩增长度均为1007bp,核苷酸序列相似度达98%以上,氨基酸序列的保守性更高。在1007bp的区间内共发现23个SNP(singlenucleotidepolymorphism)位点,其中有11个单核苷酸变异导致了编码氨基酸的改变。人工甘蓝型油菜和天然甘蓝型油菜的fae1基因片段未发现明显差异。发现了高芥酸品种与低芥酸品种的fae1基因、以及A基因组与C基因组的fae1基因特有SNP位点。

野芥芥酸合成酶基因fae1的克隆与序列分析

根据GenBank中脂肪酸延长酶基因fae1序列（AY 888037）设计了PCR扩增引物,以野芥总DNA为模板进行扩增得到了特异扩增条带。测序结果表明,该片段长1651 bp,序列分析表明其氨基酸编码区为55-1575 bp,不含内含子序列,共编码506个氨基酸。该基因序列已提交GenBank,登录号为FJ870905。BLASTn分析结果表明,野芥中fae1基因与其他芸薹属品系的fae1基因核苷酸同源性为76%～98%;BLASTp分析结果表明,野芥中的FAE1与油菜中FAE1存在32个位点差异,其中部分差异可能导致了芥酸含量的不同。

湘油15号芥酸合成酶基因fae1的克隆与序列分析

根据GenBank中脂肪酸延长酶基因fae1序列(AY888037)设计了PCR扩增引物,以甘蓝型油菜品种湘油15号总DNA为模板进行扩增,得到了扩增产物。测序结果表明,该片段长度为1 642 bp,经序列分析表明,其氨基酸编码序列为1 425 bp,共编码475个氨基酸。BLAST分析结果表明,湘油15号中的fae1基因与其他芸薹属品系的fae1基因核苷酸同源性在66%～99%之间。氨基酸序列比对结果表明,高芥酸油菜品种fae1在第206位缺失了1个Thr,且甘蓝型油菜比白菜型油菜在羧基末端要多出7～16个氨基酸,这些核苷酸序列差异以及某些关键氨基酸的改变有可能是导致不同油菜品种中芥酸含量变异的原因。

十字花科植物FAE1基因的克隆与功能验证

对十字花科(Brassicaceae)植物非洲芥菜(Brassica tournefortii Gouan)、埃塞俄比亚芥(B.carinata A.Braun)、短喙芥(B.elongata Ehrhart)、芝麻菜〔Eruca vesicaria subsp.sativa(Miller)Thellung〕、野萝卜(Raphanusraphanistrum Linn.)、Crambe filiformis Jacq.、菥蓂(Thlaspi arvense Linn.)、臭荠〔Coronopus didymus(Linn.)Smith〕、荠〔Capsella bursa-pastoris(Linn.)Medikus〕和小花碎米荠(Cardamine parviflora Linn.)的FAE1基因进行了克隆、序列比对及功能验证。结果显示:上述前6种1亚种的FAE1基因长度均为1 521 bp,臭荠的FAE1基因长度为1 517 bp,荠和小花碎米荠的FAE1基因长度为1 518 bp,GenBank登录号为JX898749—JX898758;它们的序列相似性较高,相似度达89%;对位排列矩阵长度1 521 bp,其中包含保守位点1 051个(69.1%)、变异位点470个(30.9%)和简约信息位点232个(15.3%);臭荠、荠和小花碎米荠的FAE1序列在第132位分别缺失3个碱基,臭荠的FAE1基因在第515位缺失1个碱基。虽然荠和小花碎米荠的FAE1基因编码505个氨基酸、臭荠的FAE1基因仅编码186个氨基酸、其他种类的FAE1基因均编码506个氨基酸,但它们的氨基酸序列相似度高达88.9%;各种类的氨基酸序列存在151个变异位点,其中有6个变异位点与种子芥酸含量相关。Western blot及气相色谱分析结果表明:各种类的FAE1基因在酵母中均能表达出预期的蛋白产物;在臭荠和小花碎米荠FAE1基因的转化酵母细胞中无芥酸积累,而在其他种类FAE1基因的转化酵母细胞中均有芥酸积累;此外,除荠外的其他8种1亚种植物的种子芥酸含量与转化酵母细胞中的芥酸含量正相关。

十字花科植物芥酸合成基因FAE1-closest的克隆及功能分析

对十字花科(Brassicaceae)中具代表性的高、低芥酸植物的FAE1-closest基因进行扩增,并对其编码的氨基酸序列进行序列比对;基于FAE1-closest氨基酸序列构建遗传关系树;将具有代表性的FAE1-closest基因在酵母中进行转化,比较不同植物来源的该基因调控芥酸合成能力的差异。结果显示:十字花科高、低芥酸植物FAE1-closest基因编码的氨基酸序列主要有A和B 2种类型,其对应的编码区全长分别约为1461和1389 bp,且B类型的氨基酸序列仅出现在高芥酸植物中;比较氨基酸序列的变异位点发现,高、低芥酸植物中共存在150个变异位点,高芥酸植物中第320位的氨基酸为赖氨酸(K),低芥酸植物中该位点为苏氨酸(T)。遗传关系树显示:12种芥酸植物可聚为Ⅰ和Ⅱ2个分支,大部分高芥酸植物的FAE1-closest氨基酸序列聚在分支Ⅰ;高芥酸植物银扇草(Lunaria annua Linn.)以及低芥酸植物涩荠〔Malcolmia africana(Linn.)R.Br.〕、鸟头荠〔Euclidium syriacum(Linn.)R.Br.〕和四齿芥〔Tetracme quadricornis(Stephan)Bunge〕的FAE1-closest氨基酸序列聚在分支Ⅱ。酵母转化实验结果显示:蔓菁(Brassica rapa Linn.)和洋基芥(Brassica tournefortii Gouan)的FAE1-closest基因转酵母产物中检测到了芥酸,涩荠、鸟头荠、四齿芥和银扇草的FAE1-closest基因转酵母产物中均未检测到芥酸,说明只有部分十字花科植物的FAE1-closest基因与芥酸合成相关。综上所述,低芥酸植物来源的FAE1-closest基因均不能合成芥酸,部分高芥酸植物来源的FAE1-closest基因能合成芥酸,不同十字花科植物中的FAE1-closest基因在芥酸合成过程中发挥作用的程度不同;FAE1-closest基因是否为芥酸合成过程中的主效基因,有待进一步验证。

栽培种花生FAE1基因的克隆和序列分析

脂肪酸链延长酶1(FAE1)是控制脂肪酸延长的关键酶,对芥酸的生物合成有至关重要的作用。本研究从栽培种花生的两个染色体组中分别克隆得到2个FAE1基因,命名为FAE1-A和FAE1-B。FAE1只有一个开放阅读框,无内含子,完整编码区长1 536 bp,编码511个氨基酸。利用相关软件或在线工具对FAE1进行生物信息学分析,结果表明其编码蛋白二级结构以α螺旋为主;无信号肽,表明FAE1蛋白不是分泌蛋白,而是在细胞中发挥作用,且主要存在于内质网上;FAE1蛋白不稳定系数小于40,总平均亲水系数为负数,属于不稳定的亲水性蛋白。本研究可为花生低芥酸育种提供依据。

甘蓝型油菜皖油12种子中含芥酸甘油三酯的空间分布

油菜是重要工业原料芥酸(C22:1)的来源作物,从空间分布的角度解析油菜种子中芥酸积累的机制,为高芥酸油菜育种提供新方法。利用基质辅助激光解吸电离-质谱成像技术,以芥酸含量为26%的甘蓝型油菜皖油12为材料,分析甘油三酯(triacylglycerol, TAG)在种子的外子叶、内子叶及胚轴中的空间分布。结果表明C58、C60和C62类型的TAG主要富集在种子的子叶(包括外子叶和内子叶),而C原子数小于58的TAG则主要富集在胚轴中(除TAG-54:2、TAG-54:3和TAG-56:2~TAG-56:5无分布差异)。分析开花后38 d种子外子叶、内子叶及胚轴中基因FAE1(fatty acid elongase 1)的表达量,发现FAE1在外子叶和内子叶中的表达量分别是胚轴中的约10倍和20倍。结果表明,种子不同部位FAE1表达量的差异是影响含芥酸TAG在种子中分布的主要因素。

基于FAE1和FAD2基因的油菜种子脂肪酸生物合成遗传调控

脂肪酸延伸酶1基因FAE1和Δ12-脂肪酸脱饱和酶基因FAD2是植物脂肪酸生物合成途径中的两个关键酶基因,在同一甘蓝型油菜品种CY2中对这两个关键酶基因进行单表达和双表达遗传调控获得五种不同类型的具有相同遗传背景的转基因株系。本研究分析比较了种植于相同环境条件下的五类转基因株系及野生型对照的种子脂肪酸组成和含油量,结果表明,两基因单独和双重调控可显著改变油酸、亚油酸、亚麻酸、花生烯酸和芥酸等多种脂肪酸含量,其中两个内源目标基因同时沉默种子中的油酸含量从20.5%提高到了82.8%,拟南芥FAE1基因籽粒特异表达种子中的芥酸含量由43.9%增加到了60.2%。与野生型对照相比,五类转基因种子中的十八碳不饱和脂肪酸相对比率和油酸脱饱和比例均发生了显著变化。此外,增强FAE1基因表达后种子含油量有所提高,而沉默两个目标基因的表达则使种子含油量降低,表明两个关键酶基因调控对油脂合成与积累也产生一定影响。

文冠果种子FAE1基因序列分析及芥酸突变位点预测

文冠果是中国北方特有的优良木本油料能源树种。利用生物信息学方法,将全长为1 491 bp的文冠果Xs FAE1基因与其他物种FAE1基因的核酸和氨基酸序列进行了比对分析。结果表明:(1)文冠果的第48位碱基产生了突变C→T,使得第16位氨基酸Asn→Tyr,第72位碱基C→T,使得第24位氨基酸Val→Leu,第845位T→C,使得第282位氨基酸Ser→Pro,第968位T→G,使得第323位氨基酸Ser→Ala;另外,文冠果Xs FAE1基因存在两个3 bp碱基缺失,分别为第165~167位和第1 169~1 171位,一个位于第1 517~1 518位的2 bp碱基缺失。(2)文冠果FAE1基因存在11个高芥酸植物特征的氨基酸保守位点,分别为6个半胱氨酸位点:Cys95、Cys224、Cys270、Cys312、Cys389和Cys460,4个组氨酸位点:His298、His387、His391和His420,以及283位的Ser。(3)文冠果属中芥酸植物源于两个高芥酸位点丝氨酸(Ser)的突变及一个第165~167位的3碱基(ATA)缺失。这可为研究文冠果芥酸的形成和积累提供参考,也可为开展文冠果低芥酸的分子育种提供基础。

工业用高油高芥酸转基因油菜株系的获得

芥酸在工业上具有诸多用途,目前主要从菜籽油中制取,提高芥酸含量和含油量是工业专用高芥酸油菜育种的两个重要目标。本研究在甘蓝型油菜高油品种CY2中籽粒特异正向表达拟南芥At FAE1基因,增强脂肪酸延伸酶的活性,获得了两个高油高芥酸转基因株系,其芥酸含量由CY2的43%提高到了60%左右,含油量超过了50%,稍高于CY2。这一研究表明,极长链脂肪酸生物合成关键酶基因FAE1表达的上调不仅能显著促进芥酸合成,而且对提高含油量也有一定作用。田间观察和考种结果显示,两个株系的主要农艺性状与CY2相仿,未发生显著变化。该转基因油菜的产业化开发将有助于降低企业的原材料和芥酸产品的生产成本。