蓝藻与绿藻类胡萝卜素合成酶基因的比较基因组学及代谢调控研究

【摘要】： 类胡萝卜素在生物体内具有重要的生理功能,其中虾青素是一类高附加值值的类胡萝卜素。本文通过比较基因组学和实验手段,探索了类胡萝卜素相关基因的转录调控,为类胡萝卜素的代谢工程奠定的了基础。 1、对已测序的18种蓝藻的类胡萝卜素合成基因进行了比较基因组学研究,发现除了Gloeobacter violaceus PCC 7421的类胡萝卜素合成途径是细菌型外,其余的蓝藻类胡萝卜合成途径均属于植物型。序列比对发现蓝藻中参与合成途径上游的酶基因在进化中保守性较高。研究还发现,一些类胡萝卜素合成酶在结构和功能上存在趋同或趋异进化,揭示它们进化上的多样性。 2、通过比较基因组学分析,发现在集胞藻Synechocystis sp.PCC6803等几种蓝藻中,没有典型的番茄红素环化酶基因的同源基因,而存在着与绿硫细菌中的γ-carotene环化酶基因相似的基因,例如集胞藻中的sll0147和sll0659。但是研究结果显示sll0147和sll0659的突变对番茄红素环化过程影响不明显,提示在这些蓝藻中可能有其他基因参与环化过程,而sll0659基因可能参与了细胞的分裂过程。 3、从经济绿藻雨生红球藻中克隆了参与类胡萝卜素合成途径的八氢番茄红素合成酶基因(psy)和八氢番茄红素脱氢酶基因(pds)的cDNA和基因组序列。通过基因组步移的方法克隆了这两个基因的5’侧翼序列,以本实验室建立的lacZ为报告基因的瞬间表达体系研究了这两个基因上游区域的启动子活性。 4、通过ABA、N饥饿和高光诱导雨生红球藻积累虾青素,利用半定量RT-PCR方法分析了在相同环境因子诱导下雨生红球藻中类胡萝卜素合成基因的表达调控模式,结果显示在虾青素积累过程中,除了番茄红素环化酶基因变化不明显,其他一些基因均存在明显的转录上调。 本研究首次利用比较基因组学的方法分析了类胡萝卜素基因的进化,发现大部分蓝藻的类胡萝卜合成途径属于植物型,一些类胡萝卜合成酶存在结构和功能的多样性。同时分离了雨生红球藻中类胡萝卜素相关基因八氢番茄红素合成酶基因(psy)和八氢番茄红素脱氢酶基因(pds)的5’上游侧翼序列,验证了它们的启动子功能,研究了雨生红球藻虾青素合成酶基因在相同环境因子诱导下的表达调控模式。本文将基础研究与实验验证相结合,为下一步研究类胡萝卜素合成的代谢工程提供了线索。