毛白杨碱性/中性转化酶基因PtoNIN1的克隆与功能研究

【目的】蔗糖转化酶作为植物蔗糖代谢过程中的关键酶,在植物生长发育过程中发挥着重要作用。本研究对毛白杨碱性/中性转化酶基因PtoNIN1进行同源基因克隆、生物信息学分析、基因表达分析和遗传转化研究,以期为进一步揭示毛白杨蔗糖代谢调控过程奠定基础。【方法】基于毛果杨同源基因PtrNIN1对毛白杨碱性/中性转化酶成员PtoNIN1进行同源克隆和生物信息学分析,采用实时荧光定量PCR的方法对不同组织部位(根、茎、叶和成熟叶)和不同发育时期下雌雄花芽中PtoNIN1的基因表达量进行分析,同时构建过表达载体,并对模式植物拟南芥开展遗传转化研究。【结果】PtoNIN1的编码区长度为2073 bp,共编码690个氨基酸,蛋白分子量为77.80 kDa,含有糖苷酶超家族100(glycosyl-hydrolase-100 superfamily)的特征结构域,类属于线粒体型的转化酶成员,在根、茎、叶以及成熟叶和雌雄花芽中均具有明显表达,且随着雌雄花芽的发育呈现先下降后保持稳定的表达趋势。拟南芥遗传转化研究表明:PtoNIN1的过表达显著增加了转基因植株莲座叶、茎及角果的鲜质量,提高了茎及角果中蔗糖的含量,同时也提高了蔗糖代谢通路其他关键基因的表达。【结论】毛白杨PtoNIN1属于线粒体型转化酶家族成员,在毛白杨各个组织部位均具有明显表达,且在雌雄花芽的发育前期具有特异地高表达,在拟南芥中过表达PtoNIN1可显著增加生物量。该研究为杨树转化酶成员功能验证提供了借鉴,为揭示杨树蔗糖代谢过程奠定了基础。

木薯碱性/中性转化酶MeNINV1基因启动子的克隆及激素应答表达分析

为了解木薯碱性/中性转化酶基因MeNINV1对激素的应答模式及调控机制本研究采用PCR技术,从木薯基因组中分离出MeNINV1基因启动子序列。分析结果显示该启动子长度1 714 bp,含有TATA box和CAAT box保守元件,以及四个激素响应元件:ERE(乙烯应答)、ABRE(ABA应答)、TAC-element(SA应答)和P-box(GA应答)。根据启动子上存在的参与激素应答相关的顺式作用元件信息,选用30μmol/L GA3、30μmol/L ABA、100μmol/L SA和1%乙烯利四种外源激素胁迫处理木薯SC8组培苗,利用实时荧光定量PCR技术,研究MeNINV1基因在不同激素处理下的表达模式。结果表明,MeNINV1基因的表达受激素的调控,因此推断碱性/中性转化酶基因MeNINV1启动子上的激素应答元件响应激素诱导,调控基因的表达。研究结果为进一步研究激素信号如何调控木薯块根蔗糖的分解代谢提供理论基础。

菠萝AcNINV家族全基因组分离及表达分析

【目的】鉴定出菠萝NINV家族全基因组成员,初步阐明NINV基因与蔗糖代谢的关系。【方法】采用生物信息学方法鉴定并分析菠萝NINV家族全基因组成员,通过实时荧光定量PCR分析其表达特性,利用HPLC对蔗糖含量进行测定。【结果】在菠萝中共鉴定出6个NINV基因,分布于5条不同染色体上,其二级结构主要由α-螺旋和无规则卷曲组成,该基因家族启动子区域光反应元件数量最多。AcNINV外显子数量介于4~6个之间,其中AcNINV3、6外显子的数量为6个,亚细胞定位预测发现这2个基因都分布于叶绿体,属于α亚族;AcNINV1、2、4、5外显子的数量为4个,亚细胞定位预测发现这4个基因都分布于质膜,属于β亚族。在果柄、果皮、果心中表达量最高的是AcNINV2基因,在果肉中表达量最高的是AcNINV6基因。蔗糖含量随着菠萝果实成熟呈先升高后降低的变化趋势,而AcNINV4基因在菠萝果实成熟过程中呈下调表达。【结论】AcNINV4可能是催化果实蔗糖降解的水解酶基因。

木薯碱性／中性转化酶MeNINV4酵母功能互补

木薯(Manihot esculenta Crantz)为大戟科植物,其块根富含淀粉,主要用于食用、饲用,同时木薯淀粉还可广泛应用于工业生产中。木薯块根淀粉的合成需要蔗糖提供碳水化合物和能量,碱性/中性转化酶在木薯块根蔗糖分解利用时起关键作用。前期已从木薯基因组中克隆获得了11个碱性/中性转化酶基因,其中Me NINV4主要在茎中表达。本研究主要利用转化酶酵母突变菌株SEY2102进行酵母功能互补实验,鉴定Me NINV4是否具有催化蔗糖分解的功能。结果发现,转了p DR196-Me NINV4的SEY2102酵母可以在以蔗糖为唯一碳源的培养基中生长,表明Me NINV4能催化分解蔗糖。提取含有p DR196-Me NINV4质粒的SEY2102酵母粗酶液,进行碱性/中性转化酶活性检测,发现其能催化蔗糖分解成还原糖。这些结果为进一步研究Me NINV4的酶学特性及生理功能提供参考。

蔗糖转化酶家族基因进化、表达及对草莓果实糖分积累的影响

在草莓蔗糖碱性/中性转化酶家族基因(Fa.A/N-Inv)成员序列分析的基础上,以‘申阳’和‘红颜’草莓为材料,利用实时定量PCR技术分析了Fa.A/N-Inv家族基因在不同条件下的表达模式,利用分光光度法测定了果实发育过程中A/N-Inv酶活性,利用高效液相色谱法分析了果实发育阶段糖分积累规律。结果表明:(1)Fa.A/N-Inv是由8个成员组成的多基因家族;(2)4个Fa.A/N-Invs不仅具有组织特异性,还具有果实发育阶段特异性和品种特异性表达特点;(3)4个Fa.A/N-Invs的表达受细胞分裂素(BA)、赤霉素(GA)和生长素(IAA)诱导;(4)蔗糖和葡萄糖作为A/N-Inv酶促反应的底物和产物,分别对4个Fa.A/N-Invs转录表达起正、负反馈调节作用,此外蔗糖还可作为一种信号分子诱导Fa.A/N-Invs表达;(5)‘申阳’草莓A/N-Inv酶活性在绿果阶段低于‘红颜’,其余阶段均高于‘红颜’;(6)成熟果实中蔗糖含量‘红颜’(50.7 mg·g^(-1) FW)约为‘申阳’(23.2 mg·g^(-1) FW)的2倍。

MeNINVs在不同品种木薯的表达模式及酶活性分析

碱性/中性转化酶(NINV)催化蔗糖分解成葡萄糖和果糖,是木薯块根的蔗糖分解代谢的关键酶之一。本研究以淀粉含量不同的木薯品种(SC8-高淀粉,SC124-中淀粉,9Ⅰ-低淀粉)为材料,研究木薯块根膨大期,Me NINV基因家族在源库器官的表达模式以及酶活性特点。结果表明,不同品种木薯Me NINVs的表达模式相似,Me NINV1、Me NINV16、Me NINV110及n INV1在叶片中表达量均高于其他成员;同时,Me NINV1和NINV1在块根中的表达量也高于其他成员。不同品种木薯叶片中的Me NINVs表达及酶活性差别不大,但是高淀粉品种SC8块根中的Me NINVs表达量比9Ⅰ低,而NINV酶活性却远高于9Ⅰ,推测木薯NINV酶活性存在转录后调控机制。本研究为进一步研究碱性/中性转化酶在木薯淀粉积累过程中的作用奠定了基础。