蜡梅花香相关基因的克隆与功能分析

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蜡梅(Chimonanthus praecox L.)为我国传统香花植物,于寒冬腊月开放,具怡人的芳香,是提取香精的理想材料。萜烯类化合物(单萜类和倍半萜类化合物)和苯环类化合物蜡梅花香的主要成分。为了研究蜡梅花香成分水杨酸甲酯以及倍半萜类化合物前体法呢基焦磷酸酯的合成与调控机制,我们从蜡梅花中分离出水杨酸羧基位甲基转移酶基因(CpSAMT)和法呢基焦磷酸酯合成酶基因(CpFPPS),并对它们的表达模式和调控机制进行了深入研究。主要结果如下:1、蜡梅花香成分的分析采用顶空固相微萃取以及气相色谱-质谱技术(HS-SPME-GC-MS)分析生长于同一环境下的6个蜡梅单株鲜花的香气成分。在6个单株中共发现45种化合物,其中37种被鉴定,只有16种物质共同出现在6个样品中。萜烯类化合物在花香中起主导作用,其中反式β-罗勒烯和芳樟醇的含量最丰富,另外苯环型化合物乙酸苄酯和水杨酸甲酯也在花香成分中占有大的比重。但是各个主要组分在不同的单株中相对含量差异很大,结果表明不同蜡梅单株的花香成分存在大的质和量的变化。2、CpSAMT基因克隆及其功能分析1)利用同源序列设计简并引物,通过RT-PCR和RACE-PCR技术分离了蜡梅花中水杨酸羧基位甲基转移酶基因,命名为CpSAMT。其全长为1498 bp,具有一个1143 bp的完整的开放阅读框,编码具有380个氨基酸的羧基位甲基转移酶蛋白,GenBank登录号为EU106367。序列分析表明,CpSAMT基因属于羧基位甲基转移酶家族。序列比对发现CpSAMT也含有羧基位甲基转移酶家族中其它已知羧基位甲基转移酶基因共有的SAM和底物捆绑位点。结果表明,我们已经分离到蜡梅水杨酸羧基位甲基转移酶基因。2)将CpSAMT基因编码区克隆到原核表达载体pET32a(+)在ArcticExpressTM(DE3)RP菌株中表达了可溶的融合蛋白,经Ni柱纯化后得到纯化的融合蛋白,以水杨酸为底物分析纯化融合蛋白的酶活性,GC-MS分析融合蛋白能催化水杨酸形成水杨酸甲酯,表明CpSAMT参与了蜡梅花香成分水杨酸甲酯的合成。3)用实时定量PCR检测CpSAMT基因在不同时期的蜡梅花中的表达量。CpSAMT基因在初开期(时期3)的表达量最高,然后在花授粉后的衰老期(时期5)表达量急剧下降。气相色谱法分析蜡梅鲜花的SAMT酶活性发现,在蜡梅花的整个开放过程中,CpSAMT酶活性逐渐增加,在盛开期(时期4)达到最高,到衰老期后仍然保持最大酶活性的82%。SAMT基因在蜡梅各花器官以及叶片中的表达量的结果表明,该基因在花瓣中的表达量最大,在雄蕊和叶片中的表达水平最低。CpSAMT酶活性分析也表明,CpSAMT在花瓣中具有最大的酶活性,叶片中没有酶活性。CpSAMT基因在刻伤处理后0、2、4、6、8、12、24h的叶片中的表达结果表明,CpSAMT基因伤处理后6h的表达量达到最大,而在其它处理时间叶片中的表达量却几乎一样,另外在叶片没有发现CpSAMT的酶活性。这说明可能蜡梅叶片受伤后诱导CpSAMT催化水杨酸甲酯的合成,从而起到防止植株进一步受到伤害的作用3、CpFPPS基因克隆及其功能分析1)同样应用RT-PCR和RACE-PCR技术分离了蜡梅花中法呢基焦磷酸酯合成酶基因,命名为CpFPPS。其全长为1277bp,具有一个1077bp的完整的开放阅读框,编码具有359个氨基酸的法呢基焦磷酸酯合成酶蛋白,GenBank登录号为FJ415102。序列分析表明,CpFPPS基因属于异戊烯基转移酶家族,与其它已知法呢基焦磷酸酯合成酶基因一样具有高度保守的第一个富含天冬氨酸的功能域(DDXX(XX)D)和第二个富含天冬氨酸的功能域(DDXXD)。结果表明,我们已经分离到蜡梅法呢基焦磷酸酯合成酶基因。2)将CpFPPS基因编码区克隆到原核表达载体pCold TF在ArcticExpressTM(DE3)RP和Rosseta gami(DE3)菌株中均表达了可溶的融合蛋白,经Ni柱纯化后,以IPP和DMAPP为底物分析纯化融合蛋白的酶活性,经4 N HCI水解后,GC-MS分析分析主要产生金合欢醇,表明CFPPS参与了法呢基焦磷酸酯的合成。3)用实时定量PCR检测CpFPPS基因在不同时期的蜡梅花中的表达量。在蜡梅花的开放过程中,CpFPPS基因的表达量在盛花期最高,然后在花授粉后的衰老期急剧下降。CpFPPS基因在蜡梅各花器官以及叶片中的表达量的结果表明,该基因在叶片中的表达量最大,在花瓣中的表达量次之,而在雄蕊和花萼中则几乎没有表达。
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