FAD2基因家族影响植物油含量差异的分子机制研究

论文摘要

植物油由多种不饱和脂肪酸组成,主要包括油酸、亚油酸和亚麻酸等。不同植物中油脂含量及各种脂肪酸的组成差异较大。脂肪酸脱氢酶2（FAD2）是催化油酸生成亚油酸和亚麻酸的关键酶,对于植物种子中脂肪酸的组成至关重要。为了揭示FAD2对植物中脂肪酸以及油脂含量的影响,我们分别对FAD2基因家族进行了分子进化、生物催化与定向进化以及转录表达分析,具体的研究结果如下:首先,FAD2基因家族的分子进化关系研究结果显示,大多数植物中的FAD2基因没有发生分化形成了单系分支。但在部分双子叶植物中,FAD2基因分化形成了种子特异性表达和组成型表达两个分支。接着FAD2基因家族的基因结构分析结果表明,FAD2家族的蛋白结构相对保守,但其内含子外显子结构具有较大的分化。在藻类中FAD2基因具有7到9个内含子,但在陆地植物的祖先中内含子完全丢失,直到被子植物中内含子开始再次出现为0到4个。启动子区的分析也显示了FAD2基因出现了较大的分化。其次,我们选取四种油脂和脂肪酸含量差异的植物,大豆、紫苏、水稻和欧洲云杉,将其种子特异性或高表达的FAD2基因通过酵母表达系统进行全细胞催化分析,并将催化结果与种子油以及脂肪酸含量进行关联分析,结果发现FAD2酶的催化活性与种子总含油量显著正相关。这就表明了FAD2在植物中可能影响植物种子中总油脂的含量。再次,通过对组氨酸基序位点进行比对发现,位于GmaFAD2-1的143位点在组成型表达和种子特异性表达的FAD2中分化成酪氨酸和异亮氨酸。进一步对该位点的定向进化分析发现,异亮氨酸可以显著提高组成型FAD2的催化活性,酪氨酸可以使种子特异性GmaFAD2的活性降低,但该现象在紫苏中并没有出现,这就暗示了该位点可能是在分化的双子叶植物,尤其是豆科植物中,特异进化的控制FAD2活性的关键位点。最后,我们通过比较不同油脂含量大豆品系转录组测序结果发现,在油脂合成和代谢途径的所有关键酶中种子特异性FAD2基因的表达量最高,且在高油品系大豆中表达水平显著高于低油品系,该结果显示FAD2s的表达对于植物种子中油脂的含量也具有重要的作用。综上,FAD2基因家族在进化的过程出现了一定的分化,且植物中总油脂含量的变化是FAD2的催化活性和表达分化共同作用的结果。该研究结果对于油料作物的改良提供重要的理论基础,也为高品质油料作物的育种提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 植物油的生产和脂肪酸组成
•     1.1.1 油料作物生产现状
•     1.1.2 植物油中的不饱和脂肪酸
•     1.1.3 植物中不饱和脂肪酸的作用
•   1.2 脂肪酸脱氢酶
•     1.2.1 脂肪酸脱氢酶及其分类
•     1.2.2 微体类脂肪酸脱氢酶
•     1.2.3 质体类脂肪酸脱氢酶
•   1.3 FAD2 基因家族
•     1.3.1 基因家族的概念
•     1.3.2 基因家族成员
•     1.3.3 基因家族进化研究方法
•     1.3.4 FAD2 基因家族研究概况
•   1.4 植物转录组学研究
•     1.4.1 转录组学概述
•     1.4.2 转录组研究技术
•   1.5 本研究内容和意义
• 第二章 FAD2 基因家族分子进化研究
•   2.1 引言
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 序列的搜索和比对
•     2.2.2 系统发育分析
•     2.2.3 基因结构鉴定
•     2.2.4 祖先状态重建
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 FAD2 基因家族同源基因的鉴定
•     2.3.2 FAD2 基因家族系统发育关系
•     2.3.3 FAD2 基因结构分析
•     2.3.4 FAD2 内含子区分析
•     2.3.5 FAD2 启动子区分析
•     2.3.6 讨论
•   2.4 本章小结
• 第三章 植物油含量与FAD2 酶催化活性关联分析
•   3.1 引言
•   3.2 实验材料
•     3.2.1 菌种与质粒
•     3.2.2 试剂与材料
•     3.2.3 培养基与溶液
•     3.2.4 主要仪器
•   3.3 实验方法
•     3.3.1 植物材料获取
•     3.3.2 总RNA的提取
•     3.3.3 cDNA的合成
•     3.3.4 重组菌FAD2/pEASY-T1/DH5α的构建
•     3.3.5 重组菌FAD2/pYES2/DH5α的构建
•     3.3.6 重组菌FAD2/pYES2/BY4741 的构建
•     3.3.7 重组蛋白的表达及全细胞催化
•     3.3.8 脂肪酸分析
•   3.4 结果与讨论
•     3.4.1 FAD2/pEASY-T1 克隆载体的构建
•     3.4.2 FAD2/pYES2 表达载体的构建
•     3.4.3 气相色谱标准曲线的构建
•     3.4.4 FAD2 在种子植物中的催化活性
•     3.4.5 FAD2 催化活性与种子油含量关系
•     3.4.6 讨论
•   3.5 本章小结
• 第四章 FAD2 酶活性关键位点分析
•   4.1 引言
•   4.2 实验材料
•     4.2.1 菌种和质粒
•     4.2.2 试剂与材料
•     4.2.3 培养基与溶液
•     4.2.4 主要仪器
•   4.3 实验方法
•     4.3.1 FAD2/pYES2 原始质粒提取
•     4.3.2 突变菌株FAD2/pYES2/DH5α的构建
•     4.3.3 突变菌株FAD2/pYES2/BY4741 的构建
•     4.3.4 重组蛋白表达
•     4.3.5 脂肪酸分析
•   4.4 结果与讨论
•     4.4.1 酶活性关键位点预测
•     4.4.2 豆科植物FAD2 系统进化及组氨酸基序分析
•     4.4.3 FAD2/pYES2 突变载体构建
•     4.4.4 143位点在植物中的功能分析
•     4.4.5 空间结构预测
•     4.4.6 讨论
•   4.5 本章小结
• 第五章 大豆脂肪酸代谢途径及FAD2 基因表达分析
•   5.1 引言
•   5.2 实验材料
•     5.2.1 植物材料
•     5.2.2 试剂和材料
•     5.2.3 溶液
•     5.2.4 主要仪器
•   5.3 实验方法
•     5.3.1 植物材料获取
•     5.3.2 总RNA的提取
•     5.3.3 大豆种子油含量测定
•     5.3.4 cDNA文库构建及转录组测序
•     5.3.5 RNA测序数据分析
•     5.3.6 cDNA的合成
•     5.3.7 实时荧光定量PCR分析
•   5.4 结果与讨论
•     5.4.1 表型与性状鉴定
•     5.4.2 脂肪酸代谢相关的DEGs分析
•     5.4.3 实时荧光定量PCR鉴定FAD2 差异表达基因
•     5.4.4 讨论
•   5.5 本章小结
• 第六章 结论和展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介
•   1 作者简历
•   2 攻读硕士学位期间发表的学术论文
•   3 参与的科研项目及获奖情况
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王雯怡

导师: 汪钊,赵嫚

关键词: 基因家族,分子进化,生物催化,定向进化,转录组测序

来源: 浙江工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,生物学,一般化学工业,轻工业手工业

单位: 浙江工业大学

分类号: TS225.1;Q943.2

DOI: 10.27463/d.cnki.gzgyu.2019.000360

总页数: 82

文件大小: 3621K

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