植物淀粉合成酶基因的復(fù)制和功能分化研究.pdf

1、淀粉是植物光合作用的產(chǎn)物，主要貯藏于作物籽粒里，是人類膳食和動(dòng)物飼料的重要能量來源，同時(shí)也被廣泛應(yīng)用于造紙、制藥等行業(yè)，是重要的工業(yè)原料。目前植物淀粉的生物合成過程已基本清楚，涉及的關(guān)鍵酶及其編碼基因已在遺傳和生化方面開展了大量研究，明確了其生理功能。為深入研究植物淀粉合成代謝的分子機(jī)制，揭示不同進(jìn)化等級(jí)植物具有不同淀粉合成能力的可能分子進(jìn)化基礎(chǔ)，本研究以植物淀粉生物合成代謝網(wǎng)絡(luò)中的淀粉合成酶基因家族為研究對(duì)象，結(jié)合分子生物學(xué)和生物信息

2、學(xué)方法，分離鑒定了植物淀粉合成酶家族的新基因，淀粉合成酶Ⅴ(SSⅤ)，還選取了在不同進(jìn)化等級(jí)上具有代表性的，且全基因組序列已被測(cè)定的植物為材料，解析淀粉合成酶家族基因的復(fù)制方式、不同亞家族的序列變化，及其進(jìn)化選擇壓力與功能分化。主要的研究結(jié)果如下:
　　1.在玉米自交系18-599中，克隆了ZmSSⅤ的全長(zhǎng)CDS(GenBankaccession number:KP192927);并以ZmSSⅤ的CDS序列為查詢序列，用BLAST

3、n程序搜索高粱基因組序列，鑒定并克隆了SbSSⅤ的全長(zhǎng)CDS(GenBank accession number: KP192926)。此外，還通過基因組搜索等，鑒定了藻類、苔蘚、卷柏和一些雙、單子葉植物的SSⅤ。推導(dǎo)的SSⅤ蛋白均具有植物淀粉合成酶家族特有的保守結(jié)構(gòu)域，系統(tǒng)進(jìn)化分析表明SSⅤ與已知的SSⅣ親緣關(guān)系最近，由一個(gè)祖先基因復(fù)制產(chǎn)生。因此推測(cè)本研究鑒定的SSⅤ為植物淀粉合成酶家族的新亞型。
　　2.采用Real-Time

4、PCR分析了ZmSSⅤ和SbSSⅤ的表達(dá)特性。結(jié)果表明，ZmSSⅤ主要在葉片和灌漿期的籽粒里表達(dá)，隨著籽粒灌漿的推進(jìn)，其表達(dá)逐漸增強(qiáng)，授粉后15天的籽粒表達(dá)量高于10天。SbSSⅤ在葉片中的表達(dá)量遠(yuǎn)高于根和莖，且該基因在葉片中的表達(dá)受光誘導(dǎo)，具有晝夜節(jié)律特性。因此SSⅤ的表達(dá)特性與其他淀粉合成酶類似，推測(cè)該基因可能在淀粉合成過程中起著重要作用。
　　3.以單子葉、雙子葉、蕨類，苔蘚和藻類等的代表性植物為對(duì)象，深入分析系SS基因家族

5、的分子進(jìn)化特征，發(fā)現(xiàn)SS包含兩類不同進(jìn)化起源的基因，分為6個(gè)亞家族。一類為GBSS、SSⅠ和SSⅡ，另一類為SSⅢ、 SSⅣ和SSⅤ。這些亞家族存在于從藻類到單子葉的所有植物中，是祖先基因在植物形成早期經(jīng)基因復(fù)制產(chǎn)生的，在后續(xù)進(jìn)化中發(fā)生了功能分化。
　　4.SS各個(gè)亞家族基因，在不同植物中發(fā)生的復(fù)制次數(shù)和丟失情況不同，導(dǎo)致這些基因在不同植物里的拷貝數(shù)不同?？傮w來說，高等植物，尤其在禾本科作物里，基因復(fù)制次數(shù)多，拷貝數(shù)增多。復(fù)制基因

6、功能分化后，產(chǎn)生了作物胚乳淀粉合成代謝途徑，可以大量、高效地合成具有不同結(jié)構(gòu)的貯藏淀粉。分析結(jié)果還顯示，植物SS的復(fù)制方式主要是染色體大片段復(fù)制或全基因組復(fù)制。
　　5.SS家族的基因結(jié)構(gòu)相對(duì)保守，總體來說，高等植物的外顯子和內(nèi)含子數(shù)量多于低等植物，基因結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，推測(cè)這些基因在高等植物里，可能存在基于內(nèi)含子的更復(fù)雜和精細(xì)的表達(dá)調(diào)控。
　　6.SS家族C-端高度保守，包含GT-5和GT-1兩個(gè)特征結(jié)構(gòu)域。各亞家族的N端序列差

7、異大，每個(gè)亞家族都具有其特異的保守基序，推測(cè)這些基序可能與酶的底物特異性相關(guān)。此外，分析每個(gè)亞家族內(nèi)部，不同進(jìn)化等級(jí)植物的SS蛋白間也存在差異基序，推測(cè)這些基序可能與淀粉合成量和合成能力相關(guān)。
　　7.SS基因復(fù)制后，部分氨基酸位點(diǎn)受到正選擇，導(dǎo)致不同氨基酸位點(diǎn)進(jìn)化速率的改變，促使復(fù)制基因產(chǎn)生功能分化。但95％以上的位點(diǎn)仍主要受中性選擇和純化選擇，表明SS基因在進(jìn)化過程中相對(duì)保守。
　　不同進(jìn)化等級(jí)的植物合成淀粉的類型，質(zhì)量