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植物异黄酮代谢途径分子进化与系统分类学关系研究

夏循礼  
【摘要】:自十八世纪初法国博物学家拉马克首创生物进化论起,生物进化历经“用进废退”学说、“自然选择”学说、“现代综合学说”(即新达尔文主义)等时代。DNA是遗传物质和DNA的双螺旋结构发现标志着生命科学进入分子时代。分子生物学的研究为生物进化补充了重要的新证据,同时也使生物进化的研究面临新的问题。日本遗传学家木村资生提出中性学说,认为在分子水平上,生物进化不受自然选择的作用,而是按一定的速率随机地突变,对生物的生存没有好处也没有坏处。分子水平上的大多数突变都是中性或近中性的,自然选择对这些中性突变不起作用。这些突变依靠随机漂变被保存或消失,从而形成分子水平上的进化性变化或种内变异。 植物异黄酮是一类主要产生于豆科植物的次生代谢产物,对植物的生长、抗逆、抗病虫害,以及对人类的健康都具有重要作用。异黄酮的生物合成源自植物体内氨基酸苯丙氨酸和酪氨酸的代谢产物香豆酰辅酶A和丙二酰辅酶A,经过查尔酮合酶(Chalcone synthase,CHS)、查尔酮异构酶(Chalcone isomerase,CHI)和异黄酮合酶(Isoflavone synthase,IFS)的依次催化最终合成异黄酮。本研究以植物异黄酮代谢途径的这三个关键调控酶为切入点,采用RT-PCR方法获得豆科植物大豆的查尔酮合酶(CHS)、查尔酮异构酶(CHI)、异黄酮合酶(IFS)的cDNA全长序列。在此基础上,运用聚类分析方法,结合基因数据库发表的数据资料,对此三个关键调控酶进行了分子进化以及与系统分类关系相关性方面的研究。研究获得如下结果: (1)采用RT-PCR方法,从栽培大豆品种中同时分离获得了查尔酮合酶(CHS)、查尔酮异构酶(CHI)、异黄酮合酶(IFS)三个基因的cDNA全长序列,通过比对分析,与发表的同种植物相应基因的同源性都在98%以上。为植物异黄酮代谢途径的进一步研究提供了基础。 (2)应用聚类分析方法,对查尔酮合酶(Chalcone Synthase,CHS)、查尔酮异构酶(Chalcone Isomerase,CHI)、异黄酮合酶(Isoflavone Synthase,IFS)这三个关键调控酶进行了核酸水平和蛋白质水平的分子进化研究,研究表明:同一种酶在核苷酸水平和蛋白质水平上的亲缘关系、进化水平并不是一致的;不同代谢阶段的酶在核苷酸水平和蛋白质水平上的亲缘关系、进化水平也不是互相协调的,它们在核酸水平与蛋白质水平上有部分差异,代谢调控酶的分子进化以氨基酸序列为宜。 (3)对相同种属来源的此三种代谢调控酶同步进行分子进化与系统分类的比较研究,植物异黄酮代谢途径关键酶的分子系统进化关系与传统的植物分类系统所表现的亲缘关系有很大的差异。植物形态结构方面的相关性掩盖了植物代谢、特别是次生代谢方面的分歧,而植物的次生代谢则与自然环境有很大的相关性。发现代谢反应的底物特征与代谢途径的分支化程度对它们的聚类关系和分类地位有一定的影响。 上述研究成果对于从植物次生代谢途径来整体研究分子进化以及系统分类具有思路上的拓新意义,同时对于植物异黄酮次生代谢产物类活性成分的开发与研究具有实际作用。


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