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《中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)》 2018年
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海带褐藻酸合成途径关键基因的转录谱及功能研究

张朋艳  
【摘要】:海带(Saccharina japonica)是一种重要的经济褐藻,具有很高的生态和经济价值。褐藻酸是海带最主要的碳代谢产物,从海带中提取的褐藻酸可广泛应用于食品、医药和化工等领域。因此,褐藻酸合成途径及相关基因功能的研究具有重要的理论和应用意义。我们以海带全基因组数据和转录组数据为基础,构建海带褐藻酸合成途径,共注释到3个甘露糖-6-磷酸异构酶(MPI)基因,2个磷酸甘露糖变位酶(PMM)基因,3个GDP-甘露糖-6-磷酸脱氢酶(GMD)基因,1个糖基转移酶2(GT2)基因和125个甘露糖醛酸C5-异构酶(MC5E)基因。在海带不同发育时期,基部褐藻酸合成相关基因的转录呈逐月下降趋势,这与海带生长前期细胞生长旺盛、海带叶片快速生长,而后期有机物大量积累有关。此外,与海带顶部细胞相比,基部生长点附近的细胞分裂能力强,所以海带基部GMD1、GT2和MC5E2编码基因的转录明显高于顶部;而MPI3和PMM1也参与其它糖类代谢过程,所以其在顶部转录高于基部。我们对海带中高表达的磷酸甘露糖变位酶/磷酸葡萄糖变位酶(PMM/PGM)进行基因结构与功能分析,克隆并获得了海带PMM/PGM基因(Sjpmm/pgm1),该基因编码252个氨基酸序列,具有四个保守的结构域,属于HAD超家族成员。对海带PMM/PGM(Sj PMM/PGM1)进行体外表达和功能分析,发现Sj PMM/PGM1能够在Mg2+存在条件下催化G1P和M1P的转变,PMM和PGM活性的最适反应温度都为30℃,最适p H值分别为7.5和7.0。底物G1P和M1P的Km分别为0.08 m M和1.15 m M。此外,高温(25℃)和高光(55±5μmol/m2/s)均能在短时间内引发海带Sjpmm/pgm1转录水平的上升,随后逐渐恢复到原始水平,推测海带中褐藻酸合成途径可能与海带对逆境的适应密切相关。对海带MC5E基因家族高表达的49个MC5E基因分析发现,随海带藻体的生长,MC5E基因的转录主要呈逐渐下降的趋势,这与海带发育后期基部M/G比值逐渐升高密切相关。从基部到顶部,海带中大部分MC5E编码基因的转录呈现下降趋势,但也存在少数MC5E基因,如MC5E16呈升高趋势。在对MC5E2基因克隆与表达分析中,我们得到ORF全长为1458 bp,编码485个氨基酸的核酸序列。蛋白结构预测结果表明海带MC5E2具有典型的右手β-helix结构域,为β-helix超家族成员。利用原核表达系统,成功表达出真核来源的可溶性MC5E2融合蛋白,并通过1H-NMR方法证实其具有甘露糖醛酸C5-异构酶的功能。本研究以组学技术为基础,开展了海带褐藻酸合成途径相关基因的转录谱和功能研究。研究结果不仅对褐藻酸代谢机制的解析有重要意义,也为生物法改善褐藻胶的理化性质,进而实现在生产中精细化控制其结构具有重要借鉴意义。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:Q943.2;S917.3

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