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《东北师范大学》 2010年
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玉米类胡萝卜素异构酶和番茄红素ε-环化酶基因的克隆与鉴定

李群睿  
【摘要】: 类胡萝卜素对人类营养和健康具有重要价值。类胡萝卜素主要作为人体的抗氧化剂和维生素A的前体。较高的类胡萝卜素饮食摄入量与各种类胡萝卜素缺乏相关疾病的降低密切相关[1]。动物和人体无法直接合成类胡萝卜素,必须从其食物中获得类胡萝卜素。谷物里一般缺乏这些化合物,导致一些以谷物为主食国家的人们患有与类胡萝卜素缺乏相关的许多疾病。由于这些原因人们对植物类胡萝卜素合成途径和应用遗传工程技术改良禾谷类作物以及提高类胡萝卜素含量的研究产生了极大的兴趣。近年来通过对类胡萝卜素生物合成途径的遗传操作在提高主要农作物可食用器官的类胡萝卜素含量方面已取得了可喜的进展[2-4]。但在应用遗传工程技术提高植物靶器官中某一特定类胡萝卜素含量时,存在很大的盲目性,这主要是由于目前人们对植物体内类胡萝卜素合成和积累的调控机制等还不甚清楚。为了深入了解玉米(Zea mays L.)种子胚乳中类胡萝卜素生物合成和积累分子调节机制,我们从玉米自交系B73种子胚乳中克隆了编码类胡萝卜素异构酶(CRTISO)和番茄红素ε-环化酶(LYCE)的基因(cDNAs)。我们克隆到两个截然不同的玉米(Zea mays L.)crtiso cDNAs(Zmcrtiso1和Zmcrtiso2)。这两个crtiso基因分别位于玉米基因组的不同染色体上。与拟南芥和番茄crtiso基因相似,Zmcrtiso1和Zmcrtiso2基因在玉米基因组中也都具有12个内含子。Zmcrtiso1 cDNA核苷酸序列编码一个含587个氨基酸残基的蛋白质,分子量为63.7 kDa,等电点为8.24。用ChloroP 1.1信号肽预测工具预测ZmCRTISO1蛋白存在一个含有43个氨基酸残基的质体信号肽。在玉米自交系B73中,Zmcrtiso2 cDNA在第143个核苷酸序列(与Zmcrtiso1 cDNA对比,Zmcrtiso2 cDNA推测的翻译起始密码子第一个核苷酸序列为1)位置的碱基从胞嘧啶(C)颠换(transversion)为腺嘌呤(A)。但重要的是,这种碱基颠换(transversion)并不发生在白玉米M37W,黄玉米EP42和A632以及登录在国际基因数据库(GenBank)中的其他玉米品系中(登录号:FL133727和EU957482)。玉米自交系B73Zmcrtiso2 cDNA中的这种C到A的单碱基颠换,导致翻译提前终止而产生无义突变。因此,预测玉米自交系B73Zmcrtiso2 cDNA翻译成一个缩短(truncated,或截短)了127个氨基酸残基的蛋白质。研究表明,ZmCRTISO1能将7,9,7',9'-四顺式-番茄红素(前番茄红素)转换为全反式番茄红素,但不能异构化含有15-顺式双键的9,15,9'-三顺式-ζ-胡萝卜素。在玉米自交系B73,Zmcrtiso2 cDNA由于含有提前终止密码子,编码的缩短了的ZmCRTISO2没有类胡萝卜素异构酶活性,但在其它的玉米品种中由于缺乏这种DNA单碱基颠换,他们的Zmcrtiso2基因编码的蛋白质(酶)具有与ZmCRTISO1相同的类胡萝卜素异构酶活性的功能。 玉米自交系B73Zmlyce的最长开放阅读框(ORF,open reading frame)预测可编码537个氨基酸残基的蛋白质;对其编码蛋白的预测,分子量为59.7 kDa,等电点为6.33。Zmlyce cDNA推导的氨基酸序列与拟南芥、番茄和黄花龙胆lyce cDNA推导的氨基酸序列有72.1%到73.8%的相似性(similarity)以及63.2%到63.9%的同一性(identity)。通过在大肠杆菌中的异源互补实验(complementation experiment)证实,Zmlyce cDNA编码的LYCE能经过含有一个ε-紫罗兰酮(ionone)环的δ-胡萝卜素,在δ-胡萝卜素的另一个末端添加第二个ε-紫罗兰酮环而生成含有两个ε-紫罗兰酮环的ε-胡萝卜素。这与拟南芥,番茄和黄花龙胆LYCE只能催化全反式番茄红素生成含有一个ε-紫罗兰酮环的δ-胡萝卜素的酶活性明显不同。 为了探讨在玉米种子胚乳中类胡萝卜素生物合成和积累的分子调控机制,我们研究了Zmcrtiso1和Zmcrtiso2 mRNA表达与玉米种子胚乳中类胡萝卜素的积累之间的关系。随玉米种子胚乳发育,直到授粉后第25天,Zmcrtiso1和Zmcrtiso2 mRNA在胚乳中的积累量逐渐增加,这与玉米种子胚乳类胡萝卜素的积累(尤其是β-胡萝卜素,玉米黄质和叶黄体素组分的积累)相一致。Zmcrtiso1 mRNA积累量随后逐渐降低,而Zmcrtiso2 mRNA积累量一直保持到授粉后第30天。我们深入讨论了这两个Zmcrtiso平行同源基因(paralogs)在玉米种子胚乳类胡萝卜素合成和积累中的功能。
【学位授予单位】:东北师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:S513;Q943.2

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【引证文献】
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【参考文献】
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1 芦小单;龙胆八氢番茄红素合成酶(PSY)基因的克隆与功能分析[D];东北师范大学;2008年
【共引文献】
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4 程孙亮;周宝利;马迎杰;;红果番茄果实成熟过程中类胡萝卜素含量动态变化研究[J];安徽农业科学;2007年22期
5 姜娜娜;李长生;王绛辉;毕玉平;王兴军;;番茄类胡萝卜素的研究[J];安徽农业科学;2007年34期
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4 朱跃辉;聚球蓝藻7002类胡萝卜素的生理功能及其代谢工程研究[D];华南理工大学;2011年
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7 王飞;果梅LTR类逆转座子序列特征及遗传多样性的SSAP分析[D];南京农业大学;2010年
8 卢丙越;水稻品种N22强休眠性的QTL定位及遗传解析[D];南京农业大学;2011年
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3 韩伟;虾青素高产菌株的推理筛选与发酵条件优化[D];山东农业大学;2010年
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8 马乐园;甜瓜果实八氢番茄红素合成酶基因的克隆、表达分析及遗传转化[D];山东农业大学;2011年
9 李天航;人参发状根的诱导培养体系建立及TSPG对HepG2细胞抑制作用[D];吉林农业大学;2011年
10 张丽更;玉米黄质合成关键基因表达载体的构建与玉米茎尖生长点的农杆菌介导转化[D];四川农业大学;2011年
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5 吕柳新;陈晓静;余小玲;陈景渌;;水仙品种资源的育种基础研究 Ⅰ.多花水仙若干品种类型的细胞学研究[J];福建农学院学报;1989年01期
6 张传义;曹秋芬;孟玉平;周慧;;一个调控葡萄花和果实色素形成的基因家族——MYB相关基因家族[J];分子植物育种;2007年S1期
7 陈段芬;彭镇华;高志民;;中国水仙八氢番茄红素脱氢酶基因(PDS)的克隆及表达分析[J];分子植物育种;2008年03期
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2 陶能国;甜橙(Citrus sinensis Osbeck)红肉突变体类胡萝卜素合成相关基因的克隆与特性分析[D];华中农业大学;2006年
3 何玮毅;双T-DNA共转化获得转基因番木瓜的研究[D];福建农林大学;2009年
4 申艳红;番木瓜若干果实成熟相关基因克隆及遗传转化的研究[D];福建农林大学;2009年
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1 邹清成;中国水仙花色相关基因的分离和反义Psy基因的遗传转化[D];浙江大学;2006年
2 张慧平;中国水仙遗传转化及花色素成分分析[D];福建农林大学;2010年
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1 何炎森;杨碧云;李科;陈晓静;;多花水仙花期类胡萝卜素物质和类黄酮物质的含量变化[J];热带作物学报;2013年03期
【二级参考文献】
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1 朱长甫,镰田博,何奕昆,何孟元,郝水;胡萝卜(Daucus carota L.)胚性细胞蛋白的分离研究[J];实验生物学报;1997年01期
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8 薛蕾;高桂珍;伍晓明;闫贵欣;陈碧云;许鲲;;白菜型油菜八氢番茄红素合成酶基因(PSY)的克隆与序列分析[A];2009年中国作物学会学术年会论文摘要集[C];2009年
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7 张洪军;延缓肺衰老 常吃胡萝卜[N];中国医药报;2006年
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9 徐铮奎;“类胡萝卜素”添加剂前景光明[N];医药经济报;2000年
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8 方景岩;番茄红素微胶囊的制备[D];大连理工大学;2005年
9 冯唐锴;南丰蜜橘β-胡萝卜素羟化酶基因的克隆和分析[D];南昌大学;2007年
10 赵大球;柿果实类胡萝卜素形成的分子生理机制研究[D];扬州大学;2010年
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