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《海南大学》 2018年
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木薯糖转运蛋白家族基因全基因组鉴定和功能分析

刘秦  
【摘要】:植物糖转运蛋白主要介导糖类物质的运输活动,参与“源库”组织间碳水化合物的装载同卸载,在植物生长发育过程中发挥着重要作用。木薯是重要的块根类作物,块根数目和块根淀粉含量是其产量的关键指标。研究糖转运蛋白基因对解析木薯的糖卸载途径、块根发生和淀粉积累过程具有重要意义。本研究采用生物信息学手段对木薯糖转运蛋白进行了全基因组鉴定、基因结构与蛋白结构域分析、系统进化分析、共线性分析等;通过Real-time PCR技术,分析了糖转运蛋白STP(sugar transporter)和SUT(sucrose transporter)基因家族成员在木薯不同组织部位、不同发育时期的表达模式;通过木薯原生质体瞬时表达体系和酵母突变体功能互补实验,对16个木薯STPs进行了亚细胞定位分析和功能验证。主要结论如下:(1)木薯中共有69个负责单糖和蔗糖运输的转运蛋白,在聚类分析上,它们可以归为8个亚家族,其中STP亚家族有20个成员、SFP亚家族有15个成员、PLT亚家族有10个成员、TMT和pGlcT亚家族各有6个成员、SUT和INT亚家族分别有5个成员、VGT亚族有2个成员。各亚族内成员在基因结构上、蛋白结构域上均较为保守,但各亚族间的成员却存在较大差异。基因复制事件分析表明,相对于串联复制,全基因组复制或片段性复制是糖转运蛋白成员数目增多的主要机制。复制基因间的进化选择压均为纯化选择,且复制基因之间存在去功能化、亚功能化和新功能化三种现象,其中去功能化最为明显。(2)糖转运蛋白基因在木薯不同组织部位和发育时期上的表达表现出较大的时空特异性:在木薯的芽顶端分生组织中,MeSTP2和MeSUT4表达量最高;在叶中,MeSTP17和MeSUT5表达量最高;在侧芽中,MeSTP2和MeSUT4表达量最高;在茎中,表达量最高的基因分别是MeSTP/7和MeSUT5;在须根中,MeSTP19和MeSUT5表达量最高;在块根中,MeSP2和MeSUT3表达量最高;在根尖分生组织中,MeSTP7和MeSUT1有着较高丰度的表达。进一步分析发现,STPs和SUTs基因在发育早期(60-90天)的块根中表达量最高,并且,随着块根发育成熟,这些基因的表达量逐渐降低。此外,在生长30-51天的木薯块根中,几乎所有的MeSTPs基因在30-40天的块根中表达量最高,而在生长45-51天的块根中,这些基因的表达量均表现出下降趋势。(3)从木薯中克隆出来的16个STP基因,在酵母突变体上进行功能互补实验,观察酵母在甘露糖、半乳糖、木糖、葡萄糖、果糖上的生长情况。结果表明:MeSTP2、MeSTP19对5种单糖均有比较强的转运能力;MeSTP3、MeSTP5和MeSTP16表现出对半乳糖特异性转运,但转运能力较弱;MeSTP8、MeSTP10和MeSTPl1对5种单糖均表现出较弱的转运能力;MeSTP7、MeSTP12和MeSTP17主要对甘露糖、半乳糖、葡萄糖和果糖有着较强的转运能力;MeSTP4、MeSTP10、MeSTP13、MeSTP14和MeSTP20对5种单糖均无转运能力;此外木薯STP在木薯原生质体亚细胞定位结果确定所有的MeSTPs均为定位于细胞膜上。综上所述,木薯上有着数目众多的糖转运蛋白基因,它们广泛的参与木薯各个组织上的糖运输活动;MeSTP和MeSUT基因在木薯块根发育过程的表达模式暗示了木薯的糖卸载途径经过了由质外体途径向共质体转化的过程;MeSTPs为细胞膜定位蛋白,大多数成员对单糖底物有着广谱性转运特性,它们在木薯块根发生早期,主要负责将质外体单糖向膜内的运输活动,其可能参与了木薯须根向块根转化的这一重要活动。本研究对阐明糖转运蛋白在木薯的块根发生过程中的生物学功能具有重要意义,也为木薯的品种改良提供理论依据和候选基因资源。
【学位授予单位】:海南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S533

【参考文献】
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