YlDGAT2和AtDGAT2对拟南芥JA生物合成的影响及其机理研究
发布时间：2020-04-06 09:52
【摘要】：脂类物质在维持有机体正常生命活动中承担着重要的生物学功能。其中三酰甘油(Triacylglycerol,TAG)是植物油脂的主要储存形式,TAG参与种子萌发和幼苗发育、花粉粒发育、叶片衰老和环境胁迫反应等。此外,TAG不仅是人类日常摄取卡路里的重要来源,而且还可用于人造黄油及新型清洁燃料(生物柴油)的生产。因此提高油料植物TAG含量成为提高作物品质和解决能源供给问题的重要目标。甘油二酰酰基转移酶(DGAT)是TAG生物合成过程中的一个关键限速酶。在真核生物中,根据结构和活性的不同已经鉴定出四种DGAT,其中DGAT1和DGAT2最为常见,对其研究也最多。因此表达不同来源的DGAT1或DGAT2成为提高植物TAG含量的重要策略。然而,已有报道指出,表达一些DGAT2并不能提高植物的TAG含量。同样,在课题组前期研究中,将来自解脂耶氏酵母的DGAT2(YlDGAT2)转入棉花并未提高棉花TAG含量,却改变了转基因棉花中TAG和游离脂肪酸的组成,提高了转基因棉花的生物量和产量,但其机理尚不清楚。前人研究表明,不同来源的DGAT2其底物选择偏好性也多不相同。有报道指出,YlDGAT2对饱和脂肪酰辅酶A具有选择偏好性,而来自拟南芥的AtDGAT2对不饱和脂肪酰辅酶A具有选择偏好性。为了进一步探究YlDGAT2在植物生长过程中的功能,本研究用组成型启动子S7分别控制YlDGAT2和AtDGAT2在拟南芥中表达来评估不同底物偏好性的DGAT2对拟南芥生长的影响。主要结果如下:1.表达YlDGAT2提高了毛白杨、烟草和拟南芥的生物量,而超表达AtDGAT2对拟南芥的生物量没有影响为了验证YlDGAT2对植物生物量的影响,分别在毛白杨、烟草和拟南芥中表达YlDGAT2。结果显示,相较于野生型,转基因毛白杨株系2和株系5的株高分别增加了19%和11%;转基因烟草株系S7-YD-2和S7-YD-10的地上部分生物量分别增加了59%和51%;转基因拟南芥S7-YD-10和S7-YD-15株系的叶面积分别增加了38%和34%,且地上部分生物量分别提高了51%和49%。以上结果表明,表达YlDGAT2可以提高植物生物量,也能在其他植物中重演。然而,超表达AtDGAT2对拟南芥的生物量并没有产生明显影响。2.在酿酒酵母中,YlDGAT2对饱和脂肪酸有偏好性,而AtDGAT2对非饱和脂肪酸有偏好性在酿酒酵母中分别表达YlDGAT2和AtDGAT2,结果显示,YlDGAT2和AtDGAT2转基因酵母的TAG含量比对照分别增加了81%和40%。同时还发现,YlDGAT2和AtDGAT2转基因酵母的TAG组分发生了相反的变化。即AtDGAT2转基因酵母TAG中不饱和脂肪酸相对含量上升,饱和脂肪酸相对含量下降;而YlDGAT2转基因酵母TAG中饱和脂肪酸相对含量上升,不饱和脂肪酸相对含量降低。以上结果印证了YlDGAT2对饱和脂肪酸具有选择偏好性,而AtDGAT2对不饱和脂肪酸具有选择偏好性。3.超表达AtDGAT2显著提高了拟南芥的TAG含量,而表达YlDGAT2未能提高拟南芥的TAG含量,且二者的TAG和游离脂肪酸组分产生了相反的变化表达YlDGAT2提高了转基因植物的生物量,而超表达AtDGAT2则对拟南芥的生物量影响不大。为了探究造成这种差异的原因,检测了各转化子叶片和种子的TAG含量。结果显示,与野生型相比,S7-AtDGAT2转基因拟南芥S7-AD-17和S7-AD-19转化子叶片中TAG含量分别提高了27%和31%,种子中TAG含量分别提高了26%和32%。而表达YlDGAT2未能提高拟南芥叶片和种子的TAG含量,这和前期S7-YlDGAT2转基因棉花的观察结果一致。此外,S7-YlDGAT2转基因拟南芥叶片TAG中的饱和脂肪酸比例升高,不饱和脂肪酸比例下降;而在游离脂肪酸中,饱和脂肪酸的比例降低,不饱和脂肪酸的比例升高。与此相反,S7-AtDGAT2转基因拟南芥叶片TAG中的饱和脂肪酸比例降低,不饱和脂肪酸比例升高;而在游离脂肪酸中,饱和脂肪酸比例升高,不饱和脂肪酸比例降低。以上结果说明,YlDGAT2和AtDGAT2的底物偏好性差异导致S7-YlDGAT2和S7-AtDGAT2转基因拟南芥叶片TAG中的脂肪酸和游离脂肪酸的组成比例发生了相反的变化。4.表达YlDGAT2促进了拟南芥茉莉酸(JA)的生物合成,而超表达AtDGAT2拟南芥的JA含量未发生明显变化与前期在转基因棉花中结果一致,表达YlDGAT2提高了拟南芥亚麻酸含量,上调了JA生物合成相关基因的转录水平,进而提高了JA的含量。然而,S7-AtDGAT2转基因拟南芥的JA含量未发生明显变化。5.表达YlDGAT2促进了棉花和拟南芥侧根的发育相较于野生型,S7-YlDGAT2转基因拟南芥S7-YD-10和S7-YD-15以及转基因棉花S7-YD-3和S7-YD-4株系的幼苗侧根数目均显著增加,而主根长度明显变短。JA响应因子ERF109能够交联JA信号和IAA的生物合成。随着拟南芥中JA含量的提高,ERF109及下游IAA合成相关基因ASA1转录水平上调,拟南芥S7-YD-10和S7-YD-15的12 d幼苗根部IAA含量分别提高了37%和32%,表明,JA的适度增加促进了IAA在根部的生物合成,进而促进了转基因棉花和拟南芥的侧根的发育。然而S7-AtDGAT2转基因拟南芥根系并未发生明显变化,从侧面印证了超量表达AtDGAT2并未促进JA的生物合成。6.表达YlDGAT2促进了T6P和淀粉的合成检测结果显示,S7-YlDGAT2转基因拟南芥叶片中的T6P含量上升,淀粉含量增加,而蔗糖含量下降。相反,S7-AtDGAT2转基因拟南芥叶片中的T6P含量变化不大,但其淀粉的含量和可溶性总糖、蔗糖显著下降。说明表达YlDGAT2促进光合产物流向淀粉合成,减少了向TAG合成的分配,导致油脂含量有所降低。而超量表达AtDGAT2促进了碳源流向TAG合成,同时减少了向淀粉合成的分配。综上所述,本研究为揭示DGAT的底物选择偏好性和JA生物合成之间的联系提供了证据,也为提高作物的生物量和产量提供了有效策略。
【图文】：
类的合成重叠，因为PA和DAG也是所有细胞中主要膜脂的前体。在三种酰基转移酶中（GPAT、AGPAT和DGAT），只有DGAT专一合成TAG，由于DGAT在植物组织TAG合成途径中的重要影响使其受到了最广泛的关注（图1.1）（Chapman KD & Ohlrogge JB,2012）。此外许多证据表明，植物中TAG的合成并不只是通过GPAT、LPAT和DGAT（中间含有一个PAP）连续酰化甘油的传统的Kennedy途径那样简单。近年来，在植物和酵母中发现了一种不依赖酰基辅酶A的酰基转移酶：磷脂二酰基甘油酰基转移酶（PDAT）（Dahlqvist Aet al., 2000）。PDAT以磷脂酰胆碱（PC）为酰基供体，催化DAG合成TAG（St hl et al., 2004; Henry et al., 2012; 谭太龙等，2014）。图1.1 植物中酰基依赖和非酰基依赖TAG合成途径（Chapman KD & Ohlrogge JB, 2012）GPAT：甘油-3-磷酸酰基转移酶；LPAT：溶血磷脂酸酰基转移酶；PAP：磷脂酸磷酸酶；DGAT：甘油二酰酰基转移酶；PDAT：磷脂二酰基甘油酰基转移酶Figure 1.1 Acyl-CoA-dependent and acyl-CoA-independent pathways for TAG biosynthesis in plants(Chapman KD & Ohlrogge JB, 2012)GPAT: glycerol-phosphate acyltransferase; LPAT: lysophosphatidic acid acyltransferase; PAP: phosphatidic acidphosphohydrolase; DGAT: diacylglycerol acyltransferase; PDAT: phospholipid: diacylglycerol acyltransferase.1.2 二酰基甘油酰基转移酶（DGAT）的研究进展1.2.1 DGAT 的种类和功能DGAT（EC 2.3.1.20）是 TAG 从头合成途径中的关键酶。不同类别的 DGAT 对装载到 TAG 中的酰基辅酶 A 的种类和数量有着不同的选择。在真核生物中
第 1 章 文献综述不同已经鉴定出四种 DGAT（Sanjaya et al., 2013）。最常见的两种类型是 DGGAT2，二者都被证明参与了 TAG 的合成（图 1.2）（Yen et al., 2008）。DGAT1小鼠（Mus musculus）中被发现，而植物中首先在拟南芥中被鉴定（Cases et al., 19bs et al., 1999; Routaboul, et al., 1999）。据预测，DGAT1 蛋白具有六个或更多跨域，属于膜结合氧-酰基转移酶家族（Cases et al., 1998）。DGAT2 最先在产脂真被孢霉（Morteriella ramanniana）中被发现。在结构上，DGAT2 蛋白与 DGAT1仅具有二到三个预测的跨膜结构域（Yen et al., 2008）。第三类 DGAT 来自包含酶 ADP1 的不动杆菌（Acinetobacter calcoaceticus），表现出蜡酯合酶（WS）和 DG（Kalscheuer & Steinbüchel, 2003）。ADP1 同系物已在拟南芥和矮牵牛属（矮牵交种）中被鉴定出，并表现出不同水平的 WS 和 DGAT 活性（King et al., 2007; L008）。第四类是一种可溶性细胞溶质 DGAT 酶（DAGT3），最先在花生中被鉴芥中存在同源基因（Saha et al., 2006; Hernández et al., 2012）。不同 DGAT 酶的好性可能决定了微藻和植物中 TAG 的脂肪酸组成（Sanjaya et al., 2013）。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q943.2
本文编号：2616357
【图文】：
类的合成重叠，因为PA和DAG也是所有细胞中主要膜脂的前体。在三种酰基转移酶中（GPAT、AGPAT和DGAT），只有DGAT专一合成TAG，由于DGAT在植物组织TAG合成途径中的重要影响使其受到了最广泛的关注（图1.1）（Chapman KD & Ohlrogge JB,2012）。此外许多证据表明，植物中TAG的合成并不只是通过GPAT、LPAT和DGAT（中间含有一个PAP）连续酰化甘油的传统的Kennedy途径那样简单。近年来，在植物和酵母中发现了一种不依赖酰基辅酶A的酰基转移酶：磷脂二酰基甘油酰基转移酶（PDAT）（Dahlqvist Aet al., 2000）。PDAT以磷脂酰胆碱（PC）为酰基供体，催化DAG合成TAG（St hl et al., 2004; Henry et al., 2012; 谭太龙等，2014）。图1.1 植物中酰基依赖和非酰基依赖TAG合成途径（Chapman KD & Ohlrogge JB, 2012）GPAT：甘油-3-磷酸酰基转移酶；LPAT：溶血磷脂酸酰基转移酶；PAP：磷脂酸磷酸酶；DGAT：甘油二酰酰基转移酶；PDAT：磷脂二酰基甘油酰基转移酶Figure 1.1 Acyl-CoA-dependent and acyl-CoA-independent pathways for TAG biosynthesis in plants(Chapman KD & Ohlrogge JB, 2012)GPAT: glycerol-phosphate acyltransferase; LPAT: lysophosphatidic acid acyltransferase; PAP: phosphatidic acidphosphohydrolase; DGAT: diacylglycerol acyltransferase; PDAT: phospholipid: diacylglycerol acyltransferase.1.2 二酰基甘油酰基转移酶（DGAT）的研究进展1.2.1 DGAT 的种类和功能DGAT（EC 2.3.1.20）是 TAG 从头合成途径中的关键酶。不同类别的 DGAT 对装载到 TAG 中的酰基辅酶 A 的种类和数量有着不同的选择。在真核生物中
第 1 章 文献综述不同已经鉴定出四种 DGAT（Sanjaya et al., 2013）。最常见的两种类型是 DGGAT2，二者都被证明参与了 TAG 的合成（图 1.2）（Yen et al., 2008）。DGAT1小鼠（Mus musculus）中被发现，而植物中首先在拟南芥中被鉴定（Cases et al., 19bs et al., 1999; Routaboul, et al., 1999）。据预测，DGAT1 蛋白具有六个或更多跨域，属于膜结合氧-酰基转移酶家族（Cases et al., 1998）。DGAT2 最先在产脂真被孢霉（Morteriella ramanniana）中被发现。在结构上，DGAT2 蛋白与 DGAT1仅具有二到三个预测的跨膜结构域（Yen et al., 2008）。第三类 DGAT 来自包含酶 ADP1 的不动杆菌（Acinetobacter calcoaceticus），表现出蜡酯合酶（WS）和 DG（Kalscheuer & Steinbüchel, 2003）。ADP1 同系物已在拟南芥和矮牵牛属（矮牵交种）中被鉴定出，并表现出不同水平的 WS 和 DGAT 活性（King et al., 2007; L008）。第四类是一种可溶性细胞溶质 DGAT 酶（DAGT3），最先在花生中被鉴芥中存在同源基因（Saha et al., 2006; Hernández et al., 2012）。不同 DGAT 酶的好性可能决定了微藻和植物中 TAG 的脂肪酸组成（Sanjaya et al., 2013）。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q943.2
【参考文献】
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1 苑丽霞;毛雪;高昌勇;张莉;薛金爱;杨致荣;李润植;;种子特异表达二酰甘油酰基转移酶基因(VgDGAT1)提高亚麻荠种子油脂积累[J];植物生理学报;2015年05期
，本文编号：2616357
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