植物肌醇半乳糖苷合酶的生理功能和调控机制

植物肌醇半乳糖苷合酶(galactinol synthase,GolS)是高等植物棉子糖类寡糖合成途径中的关键酶,为棉子糖系列寡糖提供活化的半乳糖基,调控植物体内棉子糖(raffinose,RFO)系列寡糖的生物合成与积累。编码该酶的基因属于糖基转移酶(glycosyltransferases,GTs)GT8基因家族的亚家族。GolS参与合成的最终产物棉子糖家族低聚糖(raffinose family oligosaccharides,RFOs)是植物中重要的碳水化合物存在形式,在细胞内可溶性强,可作为脱水保护剂;还能发挥稳定膜结构的作用。同时,GolS催化合成的直接产物肌醇半乳糖苷(galactinol)和RFOs都能作为羟基自由基捕获分子参与活性氧的清除。因此,GolS参与的代谢途径在植物碳同化物的贮存与运输、生物和非生物逆境响应、种子的脱水效应等生命过程中均发挥了重要作用。GolS基因结构差异与表达模式不同,导致不同GolS基因参与的生物学功能具有很大的差异。研究植物中不同GolS基因的结构特征,组织特异性表达特性及它们响应不同生长发育阶段、环境变化的表达特性,对了解GolS参与的生物学功能具有重要意义。同时,在分子生物学水平上,深入了解调控植物GolS基因的分子调控机制,为通过遗传工程或分子辅助育种等手段,利用GolS改良农林作物的经济性状提供理论支持。本文针对近年来植物中GolS基因的生理功能和调控机制的研究进行了综述。

苹果肌醇半乳糖苷合酶基因家族鉴定与表达分析

肌醇半乳糖苷合酶(galactinol synthase, GolS)是棉子糖家族寡糖(raffinose family oligosaccharides, RFOs)生物合成中的关键酶,在植物响应非生物胁迫的过程中发挥重要作用。本研究通过生物信息学的方法,基于本团队组装的耐寒优质苹果(Malus pumila)品种‘寒富’的基因组,对苹果Gol S基因家族成员进行鉴定、比较与表达分析。结果表明,‘寒富’基因组中共有42个MdGolS成员,它们分布于16条染色体上。系统发育分析表明, MdGolS基因家族成员分为三个亚家族,相同亚家族成员的保守基序的分布和种类较为一致。共线性分析表明,大片段复制现象是MdGolS基因家族扩增的主要动力。分析发现GolS基因启动子序列含有多种与植物生长发育、胁迫反应等相关的应激反应元件和激素响应元件。此外,结合冷冻处理的转录组数据发现,与不耐寒性品种‘长富2号’相比, MdGolS15、MdGolS22、MdGolS27、MdGolS35和MdGolS42仅在耐寒性品种‘寒富’中受到低温胁迫的强烈诱导,推测可能在响应低温中发挥重要作用。GolS基因家族的鉴定与分析为研究低温诱导RFOs合成代谢增强苹果耐寒性的机制提供研究基础。