黄瓜中苦味素的生物合成、调控及转运机制

发布时间：2020-05-12 04:40

【摘要】：黄瓜是世界性的重要蔬菜作物之一,在全球蔬菜供应中具有举足轻重的地位。但是由于遗传因素或者管理不善,果实中会积累苦味,严重影响经济效益。苦味是由一种高度氧化的三萜化合物-葫芦素导致的,广泛存在于黄瓜、甜瓜、西瓜、南瓜和西葫芦等葫芦科植物中。葫芦素不仅能够抵抗病虫害而且还具有良好的抗肿瘤活性。本研究综合利用基因组、变异组、转录组、代谢组分析手段,并结合分子生物学、生物化学等方法,揭示了9个基因负责黄瓜苦味物质葫芦素C生物合成的代谢路径,包括1个OSC(Bi)基因、7个细胞色素P450基因和1个乙酰基转移酶(ACT)基因,其中5个基因在6号染色体上构成了一个基因簇,这9个合成基因在黄瓜叶片和野生果实中共表达,与葫芦素的组织分布一致。经过功能验证,完全解析了四步合成路径,其中Bi负责催化葫芦素C合成的第一步,环化2,3-氧化角鲨烯生成葫芦二烯醇;两个P450基因Csa3G903540和Csa6G088160分别负责催化葫芦素C合成的第二步和第三步;ACT基因Csa6G088700负责催化葫芦素C合成的最后一步。同时发现两个bHLH型转录因子Bl(Bitter leaf)和Bt(Bitter fruit)能够直接调控这9个合成基因的表达,其中Bl控制着黄瓜叶片中苦味的合成,Bt控制着黄瓜果实中苦味的合成。在野生黄瓜向栽培黄瓜驯化过程中,控制果实苦味的Bt基因受到选择。Bt基因启动子上的两个关键突变:SV-2195和SNP-1601,是黄瓜果实无苦味驯化的关键因素。除此之外,我们利用共表达、共调控的方法发现了一个ATP-binding cassette(ABC)家族的转运蛋白基因CsABC1,该基因定位的黄瓜叶片中细胞的液泡膜上,依靠H~+离子驱动,负责将葫芦素C从细胞质运输到液泡中。并采用酵母微粒体囊泡转运体系以及蟾蜍卵母细胞表达体系对CsABC1的功能进行了验证,这是首次在植物中克隆三萜化合物转运蛋白,将为植物三萜的运输研究提供指导作用。本论文的发现不仅帮助育种家进行分子辅助育种,并且可以效仿抗疟疾药物青蒿素的代谢工程方法,利用合成生物学手段实现葫芦素工业化生产,也将为新药开发提供新的思路。
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生氰糖苷,基因簇,百脉根,三萜

中国农业科学院博士学位论文第一章引言1997 年，Frey 等第一次报道了基因簇参与了玉米中抗性物质的代谢路径合成(Frey et al.,1997) 。基因簇由 5 个相邻的基因构成 (Bx1-Bx5) ，连续催化并合成 cyclic hydroxamic acid2,4-dihydroxy-1,4-benzoxazin-3-one (DIBOA)。进一步研究发现另外 4 个基因(Bx6-Bx9)能够将DIBOA 转化成 2,4-dihydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-one (DIMBOA)，并将其糖苷化，其中三个基因(Bx6-Bx8)构成了一个基因簇(Von et al., 2001; Frey et al., 2003; Jonczyk et al., 2008)。几年后，发现了燕麦中的燕麦根皂苷合成基因簇(Qi et al., 2004)和水稻中的植物抗毒素的合成基因簇(Wilderman et al., 2004)。截止到 2014 年，已经报道了 13 篇基因簇参与植物代谢产物的合成(Fieldet al., 2011; Field et al., 2008; Shimura et al., 2007; Takos et al., 2011; Winzer et al., 2012; Matsuba etal., 2013; Itkin et al., 2013)。这些合成基因簇在多种植物中被发现，包括单子叶植物和双子叶植物，能够合成不同类型的代谢产物，包括萜类，生物碱和生氰糖苷(图 1.1)。这些基因簇的共同点是在染色体上至少有 3 个非同源的基因相邻。首先发现一个关键酶基因，能够催化形成前体，然后一系列的酶对前体进行修饰，最终生成终产物(Osbourn, 2010)。基因簇中的基因应该是从祖先代谢基因直接或者间接复制而来，因此人们开始利用比较基因组学分析基因簇形成的机制。

基因簇,代谢产物,排布,植物

lycopersicon); (f) The diterpenes momilactone A and phytocassanes A-E (rice; O. sativa); (g) The alkaloid noscapine(poppy; P. somniferum); (h) The triterpene avenacin A-1 (oat; Avena spp.).目前报道的基因簇在染色体上的物理区间大小在35Kb-270Kb之间，含有3-10个基因(图1.2)。有些基因簇中，含有未知功能的基因，并未参与目的产物的合成，比如百脉根中的合成生氰糖苷的基因簇。而其他参与合成代谢的基因簇，在染色体上排列紧密，没有多余基因，比如燕麦中的燕麦皂苷合成基因簇和拟南芥中的 thalianol 合成基因簇(Qi et al., 2004; Field et al., 2008; Takos etal., 2011; Matsuba et al., 2013)。基因簇中的基因表达模式通常是一致的，但是基因簇中的基因在一些特殊条件下可以独立转录(Takos et al., 2011; Matsuba et al., 2013; Wegel et al., 2009)。但是水稻中多功能的 phytocassane 基因簇却不同，两个基因簇之间相互重叠，形成一个大的基因簇，但是大的基因簇中的基因表达水平与小基因簇中的基因表达水平不一致(Okada et al., 2007; Wang et al.,2012)。独立于基因簇外的其他共表达基因，可能参与中间产物的合成，而非终产物，这些基因只有在特定条件下特定组织中才发挥作用。而且还可能参与了其他代谢产物的合成。有趣的是，番茄和马铃薯中的生物碱合成基因都分成了两个基因簇，分布在不同的染色体上，并且共调控(Itkinet al., 2013)。大多数的基因簇应该是在近期的进化事件中产生的
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S642.2

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