玉米叶酸代谢基因的生物信息和时空表达模式分析

发布时间：2018-10-18 21:06

【摘要】：叶酸是水溶性B族维生素,在生物体内主要作为一碳单位的供体和受体,参与DNA的合成、多种氨基酸的代谢以及各类化合物的甲基化过程。不过由于人类无法自身合成叶酸,叶酸缺乏症已成为一个全球性的公共健康问题。因此,为了能通过提高植物性膳食中的叶酸水平来有效缓解此情况,人们很有必要深入探索叶酸在作物中的代谢调控机理,并在此基础上提高叶酸在作物可食部位的稳定积累水平。本研究以玉米为研究对象,针对玉米中的叶酸代谢相关基因进行了系统地分析。通过序列比对和保守性分析确定了编码16个叶酸代谢相关蛋白酶的36个候选基因,这些基因编码的蛋白都有高度保守的功能结构域。系统进化树的分析结果表明玉米中的叶酸相关蛋白在进化上都较为保守,而且亲缘关系上和高粱、谷子更为接近。接下来我们连续多年通过对200多种玉米自交系成熟籽粒中的叶酸含量进行检测,发现自交系GEMS31的成熟籽粒叶酸含量总是自交系Ji63叶酸含量的12.9倍以上。于是我们选用这两个遗传稳定的代表性自交系来分析不同器官发育阶段的叶酸含量、玉米叶酸基因的转录水平和氨基酸序列的情况,由此来明确玉米中叶酸代谢的时空表达模式。目前主要的研究结果如下:1、在这两种玉米自交系的不同器官(根、茎、叶、雌穗、籽粒)的叶酸结果显示:茎、雌穗和发育早期的籽粒中,5-甲基四氢叶酸(5-Methyltetrahydrofolate,5-M-THF)是主要的叶酸形式;在成熟籽粒中5-甲酰四氢叶酸(5-Formyltetrahydrofolate,5-F-THF)是主要形式;不同时期的不同自交系的叶片和根中主要叶酸形式不同。在种植后的头30天里,根的总叶酸含量随着发育逐渐减少,而叶的总叶酸含量随着发育逐渐增加。同时与成熟籽粒中发现的规律类似,叶酸含量高的GEMS31自交系的各个器官中的5-F-THF含量和总叶酸含量总是高于叶酸含量低的Ji63自交系。2、实时定量PCR的结果显示多数叶酸代谢相关基因在根、茎、叶、雌穗中的转录水平在两个自交系之间存在差异,但并没有明显规律性,它们的共性是种植30天时,绝大部分叶酸代谢相关基因在叶片中的转录水平都高于根中的转录水平;另一方面,在发育早期的籽粒中,叶酸代谢相关基因的转录水平在自交系之间没有明显差异,它们的都在授粉后(Day after pollination,DAP)6天时转录水平较高,而后DAP12和DAP 18则明显降低。3、在蛋白序列上,这些叶酸代谢相关蛋白序列在这两种自交系之间没有明显差异。以上结果表明,第一,玉米的叶酸代谢相关蛋白是较为保守的;第二,5-M-THF是籽粒发育早期、雌穗和茎中主要的叶酸衍生物形式,5-F-THF是成熟籽粒中主要的叶酸衍生物形式,说明这两种叶酸衍生物在玉米的生长发育中都发挥着重要作用;最后,在籽粒发育早期,叶酸代谢基因表达较为活跃。虽然两种自交系成熟籽粒叶酸含量差异较大,但是其叶酸代谢相关基因的转录水平和编码蛋白的氨基酸序列在两者之间并无明显差异。同时,玉米籽粒中叶酸代谢相关基因的转录水平与叶酸含量积累水平之间没有明显的相关性,这表明玉米籽粒发育过程中的叶酸代谢比较复杂。
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【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S513

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