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甜橙八氢番茄红素合成酶基因及其启动子的克隆与功能分析

作　者: 曾文芳
导　师: 邓秀新
学　校: 华中农业大学
专　业: 果树学
关键词: 柑橘 类胡萝卜素 八氢番茄红素合成酶 启动子 等位基因变异 微卫星 β-葡萄糖苷酸酶基因酶活性
分类号: S666.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


柑橘果实因富含类胡萝卜素而具有丰富的色泽,并广受消费者的喜爱,因此,具有很重要的经济价值。同时由于不同柑橘品种间类胡萝卜素组成与含量的多样性而具有很高的科学研究价值。前人已针对柑橘类胡萝卜素做了大量的研究,然而类胡萝卜素代谢是许多基因参与并协调互作的过程,只研究主要的类胡萝卜素生物合成基因对研究类胡萝卜素代谢的分子机理是远远不够的。通过对编码类胡萝卜素生物合成限速酶(PSY)的基因启动子的研究可以探究它的作用机理,找到其调控模式,得到上游调控基因的信息。本研究主要包括两个部分内容：分离‘暗柳’甜橙类胡萝卜素关键合成酶CsPsy1a和CsPsy1b基因,并通过工程菌进行体外功能分析比较两个基因编码蛋白的酶活性,为柑橘色泽突变提供更多理论方面的依据；分离‘暗柳’甜橙类胡萝卜素代谢关键基因CsPsy1a和CsPsy1b的启动子序列,连接报告基因并转入模式植物拟南芥,通过检测报告基因的强弱来鉴定控制CsPsy1a和CsPsy1b的启动子的活性。主要研究结果如下：1甜橙八氢番茄红素合成酶基因的克隆与功能分析(1)利用RT-PCR从‘暗柳’甜橙中克隆到两条CsPsy1基因序列,分别命名为CsPsy1a和CsPsy1b,这两个基因的最大开放读码框分别为1311bp和1317bp,分别编码436和438个氨基酸。序列比对表明两个基因的核酸序列及其推导的氨基酸序列的相似性均在98%左右,序列之间存在16个碱基的差异,将推导的氨基酸序列进行比对后发现,共有9个氨基酸位点发生了改变,其中7个位点是单核苷酸多态性引起的,另2个氨基酸差异则来源于一个简单序列重复多态性(SSR)位点。(2)利用Rea1time RT-PCR对CsPsy1a和CsPsy1b在‘暗柳’甜橙果实不同发育时期的表达分析表明,CsPsyIb在果皮与果肉中的表达趋势一致,均在果实发育前期表达量逐渐增强,170DAFB时达到其表达高峰,而后趋于稳定,CsPsy1a在果皮和果肉中的表达量则随着果实的成熟持续上升。果皮中两个等位基因的表达差异较小,果肉中CsPsy1a的表达量显著高于CsPsy1b.(3)利用RT-PCR的方法从‘高班’柚克隆Psy1基因,经测序分析,从‘高班’柚中仅克隆到一条Psyl序列,且其编码区的核苷酸序列与‘暗柳’甜橙CsPsy1b完全相同。利用HPLC对‘高班’柚和‘暗柳’甜橙类胡萝卜含量的分析表明,两个品种果肉的颜色不同是由于类胡萝卜素含量有较大的差异。利用实时定量PCR的方法分析类胡萝卜素主要生物合成基因在‘高班’柚和‘暗柳’甜橙成熟时期果肉的表达,结果表明两个品种中类胡萝卜素的差异可能与类胡萝卜素主要合成基因的表达没有直接的联系。(4)利用RT-PCR的方法从‘马叙’葡萄柚中克隆Psyl基因,经测序分析,‘马叙’葡萄柚存在两条Psy1基因序列,且其中一个基因CpPsy1a序列与甜橙中的CsPsy1a序列一致,另一个基因CpPsy1b基因编码区核苷酸序列长度为1314bp,与CsPsy1a和CsPsy1b基因均相差3个碱基,分别编码437、436和438个氨基酸,且差异位点恰好出现在微卫星位点。这三个基因编码的氨基酸共有10个差异,其中8个是由单核苷酸多态性引起的差异,而另外2个由简单序列重复数目引起。(5)构建了CsPsy1a、CsPsy1b和CpPsy1b基因的原核表达载体pET-CsPSY1a, pET-CsPSY1b和pET-CpPSY1b,并转化含有pACCRT-E质粒的BL21菌株。工程菌功能分析表明,CsPsy1a、CsPsy1b和CpPsy1b基因均可编码功能蛋白,催化两分子GGPP缩合形成八氢番茄红素,然而表达CsPSY1a、CsPSY1b和CpPSY1b蛋白的工程菌株表现出不同程度的八氢番茄红素积累量,表明三个蛋白具有不同的催化效率。而这三个酶的催化效率恰好随着重复单元数目的增多活性逐步下降。(6)利用点突变实验定点突变原核表达载体pET-CsPSY1a,构建了四个在微卫星位点含不同数目重复单元突变体(pET-CsPSY1a-1、pET-CsPSY1a-2, pET-CsPSY1a-3(?)pET-CsPSY1a-4),并转化含有pACCRT-E质粒的BL21菌株。工程菌功能分析证实了微卫星重复单元的数目与PSY的酶活有着重要的联系。2甜橙八氢番茄红素合成酶基因启动子的克隆与功能分析(1)利用染色体步移法从‘暗柳’甜橙基因组中分离得到CsPsy1a启动子序列1476bp,在线分析软件表明其含有多种光调控元件,激素诱导响应元件和非生物逆境相关感应元件。通过5’-RACE技术定位CsPsy1a基因转录起始位点,结果发现CsPsy1a基因在‘暗柳’甜橙果肉中存在两个转录起始位点,一个是胞嘧啶(C),位于翻译起始位点上游186bp处,另一个是腺嘌呤(A),位于翻译起始位点上游518bp处。将后一个转录起始位点(A)设为‘+1’,经PLACE和PlantCARE预测,发现CsPsy1a基因启动子是一个典型的TATA盒型的启动子,TATA box和CAAT box分别位于-33bp和-83bp处。(2)将-479nt-+447nt的启动子片段连接GUS报告基因后,通过农杆菌介导的花序侵染法转化拟南芥植株,全发育时期的组织化学染色结果表明,不论是茎生叶还是莲座叶,叶脉的GUS活性最强。充分展开的花朵中,在雄蕊、雌蕊、花托、萼片、花柄以及花萼等组织中均有表达,且集中在叶脉组织,而在花药和花瓣中未检测到GUS的表达。在花和果荚中,GUS活性的表达随着器官的成熟逐渐增强。这些结果表明CsPsyla启动子在光能合成和非光能合成器官中均有活性,并受到发育的调控。(3)构建5个CsPsy1ap5’端缺失启动子体,命名为V1-V5。转化拟南芥植株后,组织化学染色表明：除V1外,其他缺失启动子都能有效地驱动GUS表达,表明控制该启动子活性关键位点位于-46nt～+21nt;另外,在-479nt--306nt和-306nt--93nt区域分别存在增强子元件和沉默子元件。转基因拟南芥植株在去黄化过程中经不同光质处理后,携带V5的转基因植株经红光和白光处理后GUS活性相对黑暗处理显著性增强,而经远红光和蓝光处理后GUS活性减弱。缺失分析表明,在-479nt到-306nt区域存在着光调控元件。转基因拟南芥植株经激素和非生物逆境处理后,结果表明：在不同激素和非生物逆境的处理下,仅蔗糖处理后的GUS活性有显著性增强,表明CsPsy1a基因启动子受到高浓度蔗糖的诱导。缺失分析表明,在-479nt到-306nt区域同样存在着蔗糖响应元件。(4)利用染色体步移法从‘暗柳’甜橙基因组中分离得到CsPsy1b启动子序列1754bp,在线软件分析元件,并与CsPsy1a启动子鉴定出的顺式元件相比较,发现两个启动子中均含有大量光调控元件,激素诱导响应元件和非生物逆境相关感应元件。尽管两个启动子序列中都存在多种光调控的元件,但类型完全不同，如在CsPsy1b启动子序列中发现多个与光能合成相关的普遍存在的G-Box元件,而CsPsy1a启动子序列中却无该类型光调控元件。这些结果表明,CsPsy1b与CsPsy1a一样,主要受光信号调控,同时受到诸多非生物逆境的诱导。(5)将CsPsy1b启动子连接GUS报告基因后,通过农杆菌介导的花序侵染法转化拟南芥植株,全发育时期的组织化学染色结果表明,和CsPsy1a启动子一样,CsPsy1b启动子在光能合成和非光能合成器官中均有活性,并受到发育的调控。(6)将携带CsPsy1ap::GUS和CsPsy1bp::GUS的转基因植株经不同光照条件处理,结果表明：在去黄化过程中不同光质的照射下,携带CsPsy1ap::GUS的转基因植株GUS活性相对黑暗处理均显著性上升。在红光处理时GUS活性最强,其次是远红光和蓝光,最后是白光；而携带CsPsy1bp::GUS的转基因植株在远红光处理下GUS活性最强,其次是红光,白光,最后是蓝光。表明两个启动子在去黄化过程中均受到不同光质的调控,但由于启动子序列中光调控元件的数目及类型不一致,因此,两个基因启动子在不同的光质处理下表现不尽相同；在不同强度光照的照射下,携带CsPsy1ap::GUS的转基因植株响应不同强度光照的调控,表现在弱光下启动子活性更强,而携带CsPsy1bp::GUS的转基因植株可能不响应；在不同光周期的处理下,长日照下CsPsy1a启动子活性较强,而CsPsy1b启动子不响应。

全文目录


目录  4-8
摘要  8-12
Abstract  12-16
縮略词表  16-20
第一章 文献综述  20-46
  1. 课题的提出  20-21
  2. 植物类胡萝卜素研究进展  21-37
    2.1 类胡萝卜素功能  21
    2.2 植物类胡萝卜素组成  21
    2.3 植物类胡萝卜素生物合成与降解  21-26
      2.3.1 类胡萝卜素生物合成前体  23-24
      2.3.2 类胡萝卜素生物合成  24-26
    2.4 植物类胡萝卜素调控  26-34
      2.4.1 类胡萝卜素生物合成基因的转录调控  26-30
      2.4.2 类胡萝卜素生物合成基因的转录后调控  30-33
      2.4.3 类胡萝卜素降解  33-34
    2.5 植物八氢番茄红素合成酶研究进展  34-35
    2.6 柑橘果实类胡萝卜素研究进展  35-37
      2.6.1 柑橘果实类胡萝卜素组成与含量  35-36
      2.6.2 柑橘果实类胡萝卜素代谢相关酶及基因  36
      2.6.3 柑橘红色突变体的研究  36-37
  3. 植物启动子结构与功能研究  37-45
    3.1 启动子概述  37-39
      3.1.1 结构与特征简介  37-38
      3.1.2 植物启动子的结构与功能  38-39
    3.2 启动子类型  39-41
      3.2.1 组成型启动子  39-40
      3.2.2 组织特异性启动子  40-41
      3.2.3 诱导型启动子  41
    3.3 研究启动子功能的技术方法  41-44
      3.3.1 启动子预测  41-42
      3.3.2 启动子的克隆方法  42-44
    3.4 启动子功能检测  44-45
      3.4.1 启动子强弱的定性定量分析  44
      3.4.2 缺失分析  44-45
  4. 本研究的目的与内容  45-46
第二章 甜橙Psy1基因的克隆与功能活性分析  46-67
  1. 引言  46-47
  2. 材料与方法  47-55
    2.1 实验材料  47-48
      2.1.1 植物材料  47
      2.1.2 菌株、质粒及试剂配方  47
      2.1.3 主要生化试剂及仪器设备  47-48
    2.2 实验方法  48-55
      2.2.1 基因克隆  48-50
      2.2.2 表达分析  50
      2.2.3 原核表达载体pET-CsPSY1a,pET-CsPSY1b以及pET-CpPSY1b的构建  50-51
      2.2.4 pET-CsPSY1a,pET-CsPSY1b以及pET-CpPSY1b活性分析  51-52
      2.2.5 类胡萝卜素提取  52-53
      2.2.6 点突变和聚丙烯酰胺凝胶电泳分析  53-54
      2.2.7 四个突变后的原核表达载体的表达产物功能分析  54-55
  3. 结果与分析  55-64
    3.1 CsPsy1a与CsPsy1b基因序列分析  55-56
    3.2 CsPsy1a与CsPsy1b基因表达分析  56-57
    3.3 类胡萝卜素提取以及表达分析  57-59
    3.4 Psy1基因序列分析  59-60
    3.5 pET-CsPSY1a,pET-CsPSY1b与pET-CpPSY1b表达产物功能分析  60-62
    3.6 四个突变后的原核表达载体的表达产物功能分析  62-64
  4. 讨论  64-67
    4.1 Psy1等位基因编码的蛋白酶活性  64-65
    4.2 PSY1酶活性与果实色泽性状形成的关系  65
    4.3 Psy1等位基因与柑橘不同品种进化形成的关系  65-67
第三章 甜橙Psy1基因启动子的克隆与功能分析  67-102
  1 前言  67-68
  2 材料与方法  68-82
    2.1 实验材料  68-69
      2.1.1 植物材料  68
      2.1.2 菌株,质粒,载体及培养基配方  68-69
      2.1.3 试剂及仪器  69
    2.2 实验方法  69-82
      2.2.1 柑橘基因组DNA提取  69
      2.2.2 染色体步移文库的构建  69-70
      2.2.3 CsPsy1a基因启动子的克隆  70-72
      2.2.4 CsPsy1b基因启动子的克隆  72
      2.2.5 启动子序列分析  72
      2.2.6 5’RACE精细定位CsPsy1基因转录起始位点  72-76
      2.2.7 CsPsy1a基因启动子缺失表达载体的构建  76-77
      2.2.8 CsPsy1b基因启动子表达载体的构建  77
      2.2.9 农杆菌介导的拟南芥的遗传转化  77-78
      2.2.10 外源处理  78-79
      2.2.11 GUS定性及定量分析  79-82
  3 结果与分析  82-97
    3.1 CsPsy1a基因启动子的克隆与功能分析  82-90
      3.1.1 CsPsy1a基因启动子的克隆  82
      3.1.2 CsPsy1a基因启动子序列的分析  82-83
      3.1.3 CsPsy1a基因转录起始位点的定位  83-84
      3.1.4 CsPsy1a启动子缺失表达载体的构建  84-86
      3.1.5 CsPsy1a基因全长启动子的表达模式  86-87
      3.1.6 CsPsy1a基因一系列缺失启动子对不同光质的响应  87-88
      3.1.7 CsPsy1a基因启动子对激素,非生物逆境等的响应  88-90
    3.2 CsPsy1b基因启动子的克隆与功能分析  90-97
      3.2.1 CsPsy1b基因启动子的克隆  90-91
      3.2.2 CsPsy1b基因启动子序列的分析  91-93
      3.2.3 CsPsy1b基因启动子表达载体的构建  93
      3.2.4 CsPsy1b基因全长启动子的表达模式  93-94
      3.2.5 CsPsy1基因启动子对不同光质的响应  94-95
      3.2.6 CsPsy1基因启动子对不同光强和光周期的响应  95-97
  4 讨论  97-102
    4.1 光信号是CsPsy1基因启动子重要的激活因子  97-99
    4.2 CsPsy1a基因启动子与糖信号  99
    4.3 Psyl等位基因启动子与柑橘不同品种进化形成的关系  99-100
    4.4 后续研究设想与展望  100-102
参考文献  102-118
附录Ⅰ 引物与探针  118-120
附录Ⅱ 攻读博士期间发表的论文  120-121
致谢  121-122

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中图分类: > 农业科学 > 园艺 > 果树园艺 > 柑桔类 > 橙
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