本文關鍵詞：植物淀粉合成酶基因的復制和功能分化研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：淀粉是植物光合作用的產物,主要貯藏于作物籽粒里,是人類膳食和動物飼料的重要能量來源,同時也被廣泛應用于造紙、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制,揭示不同進化等級植物具有不同淀粉合成能力的可能分子進化基礎,本研究以植物淀粉生物合成代謝網絡中的淀粉合成酶基因家族為研究對象,結合分子生物學和生物信息學方法,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),還選取了在不同進化等級上具有代表性的,且全基因組序列已被測定的植物為材料,解析淀粉合成酶家族基因的復制方式、不同亞家族的序列變化,及其進化選擇壓力與功能分化。主要的研究結果如下：1.在玉米自交系18-599中,克隆了ZmSSV的全長CDS (GenBankaccession number: KP192927);并以ZmSSV的CDS序列為查詢序列,用BLASTn程序搜索高粱基因組序列,鑒定并克隆了SbSSV的全長CDS (GenBank accession number:KP 192926)。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。推導的SSV蛋白均具有植物淀粉合成酶家族特有的保守結構域,系統進化分析表明SSV與已知的SSIV親緣關系最近,由一個祖先基因復制產生。因此推測本研究鑒定的SSV為植物淀粉合成酶家族的新亞型。2.采用Real-Time PCR分析了ZmSSV和SbSSV的表達特性。結果表明,ZmSSV主要在葉片和灌漿期的籽粒里表達,隨著籽粒灌漿的推進,其表達逐漸增強,授粉后15天的籽粒表達量高于10天。SbSSV在葉片中的表達量遠高于根和莖,且該基因在葉片中的表達受光誘導,具有晝夜節(jié)律特性。因此SSV的表達特性與其他淀粉合成酶類似,推測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象,深入分析系SS基因家族的分子進化特征,發(fā)現SS包含兩類不同進化起源的基因,分為6個亞家族。一類為GBSS、SSISSII,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基因復制產生的,在后續(xù)進化中發(fā)生了功能分化。4.SS各個亞家族基因,在不同植物中發(fā)生的復制次數和丟失情況不同,導致這些基因在不同植物里的拷貝數不同�？傮w來說,高等植物,尤其在禾本科作物里,基因復制次數多,拷貝數增多。復制基因功能分化后,產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構的貯藏淀粉。分析結果還顯示,植物SS的復制方式主要是染色體大片段復制或全基因組復制。5.SS家族的基因結構相對保守,總體來說,高等植物的外顯子和內含子數量多于低等植物,基因結構更復雜,推測這些基因在高等植物里,可能存在基于內含子的更復雜和精細的表達調控。6.SS家族C-端高度保守,包含GT-5和GT-1兩個特征結構域。各亞家族的N端序列差異大,每個亞家族都具有其特異的保守基序,推測這些基序可能與酶的底物特異性相關。此外,分析每個亞家族內部,不同進化等級植物的SS蛋白間也存在差異基序,推測這些基序可能與淀粉合成量和合成能力相關。7.SS基因復制后,部分氨基酸位點受到正選擇,導致不同氨基酸位點進化速率的改變,促使復制基因產生功能分化。但95%以上的位點仍主要受中性選擇和純化選擇,表明SS基因在進化過程中相對保守。不同進化等級的植物合成淀粉的類型,質量,結構和用途有差異,可能的分子進化機制是在高等植物中,尤其是在禾本科植物中,SS基因發(fā)生了特定的復制,并在隨后的進化中保留下來,形成了胚乳淀粉代謝途徑,具有了精細的表達調控,同時形成了特定的保守結構域,且其部分氨基酸位點受到正選擇,從而促進了高等植物高效合成淀粉的能力。
【關鍵詞】：淀粉合成酶 SSV 基因復制 功能分化 正選擇
【學位授予單位】：四川農業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：Q943.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 縮寫表9-12
• 1 文獻綜述12-24
• 1.1 淀粉生物合成12-19
• 1.1.1 淀粉的基本結構12-13
• 1.1.2 淀粉生物合成相關的酶13-19
• 1.1.2.1 ADP-葡萄糖焦磷酸化梅(ADP-Glc pyrophosphorylase,AGPase)15-16
• 1.1.2.2 淀粉合成酶(starch synthase,SS)16-17
• 1.1.2.3 淀粉分支酶(starch branching enzyme,SBE)17-18
• 1.1.2.4 淀粉去分支酶(de-branching enzyme,DBE)18-19
• 1.1.2.5 淀粉磷酸化酶(Starch phosphorylase,SP)19
• 1.2 基因復制機制與功能分化19-23
• 1.2.1 基因復制的機制20-21
• 1.2.1.1 串聯復制(tandem duplication)20
• 1.2.1.2 片段復制(Segment duplication)20
• 1.2.1.3 逆轉錄轉座(Retrotransposition)20-21
• 1.2.1.4 全基因組復制(Whole genome duplication)21
• 1.2.2 復制基因的分化命運21-23
• 1.2.2.1 無功能化(Nonfunctionalization)22
• 1.2.2.2 新功能化(Neofunctionalization)22
• 1.2.2.3 亞功能化(Subfunctionalization)22-23
• 1.3 基因進化選擇與功能分化的研究方法23-24
• 1.4 淀粉合成酶基因的倍增及進化研究進展24
• 2 本研究的目的和意義24-25
• 3 材料與方法25-32
• 3.1 淀粉合成酶V新基因的鑒定25-29
• 3.1.1 實驗材料25-26
• 3.1.2 實驗試劑26
• 3.1.3 總RNA的提取26-27
• 3.1.4 cDNA第一鏈的合成27
• 3.1.5 RT-PCR擴增ZmSSV和SbSSV基因27-28
• 3.1.6 Real-Time PCR分析SSV的表達特性28-29
• 3.2 SS基因家族的分子進化分析29-32
• 3.2.1 序列收集29-30
• 3.2.2 系統發(fā)育樹的構建30
• 3.2.3 基因結構分析30
• 3.2.4 蛋白結構域與保守基序分析30-31
• 3.2.5 進化選擇壓力分析31-32
• 3.2.6 功能分化分析32
• 4 結果與分析32-48
• 4.1 SSV新基因的鑒定32-39
• 4.1.1 總RNA的提取32-33
• 4.1.2 RT-PCR擴增SSV全長CDS33-36
• 4.1.3 SSV的表達分析36-39
• 4.1.3.1 標準曲線的建立36-37
• 4.1.3.2 SSV基因時空特異性表達37-39
• 4.2 淀粉合成酶基因家族的分子進化分析39-48
• 4.2.1 序列收集39
• 4.2.2 系統發(fā)育樹的構建39-41
• 4.2.3 SS家族的結構41-43
• 4.2.4 SS基因蛋白結構域和保守基序分析43-46
• 4.2.5 SS基因的進化選擇壓力分析46-48
• 4.2.6 基因的功能分化分析48
• 5 討論48-53
• 5.1 RNA提取48-49
• 5.2 SSV基因的時空表達特性49-50
• 5.3 SS基因家族的起源和進化50-51
• 5.4 SS基因家族的保守基序51-52
• 5.5 SS基因家族的復制及功能分化機制52-53
• 6 結論53-54
• 參考文獻54-63
• 致謝63-64
• 發(fā)表文章情況64-65
• 附錄65-77

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本文編號：367572