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拟南芥二倍半萜(C25)及单萜(C10)代谢途径解析认领

作者：

陈庆文

学位授予单位：

中国科学院大学

摘要：

萜类化合物是植物中种类最多的特异性代谢产物，参与了植物生长发育，光合作用，呼吸作用，抗虫抗病，吸引授粉者，植物与植物间的交流等。很多萜类化合物有比较强的气味或者生理活性。因此被广泛应用于药品、食品、化妆品、生物能源等行业。　　植物体内GGPPS(Geranylgeranyl diphosphate synthase)和TPS(Terpene synthase)基因家族基因数量的扩增导致了萜类化合物在物种中呈现出多样性，GGPPS基因家族的扩增增加了萜类前体异戊烯基二磷酸的种类，而以异戊烯基二磷酸为底物的TPS基因家族的扩增使萜类化合物的数量陡增。拟南芥有12个GGPPS基因，除GGPPS12没有活性及GGPPS5是假基因外，对其他十个GGPPS基因进行了大肠杆菌互补实验和体外酶活实验，结果表明拟南芥的这十个GGPPS可以分为三类:GGPPS(GGPPS1，2，3，4，11)，GFPPS(GGPPS6，7，9，10)，PPPS(GGPPS8)。从三类中分别选取一个代表:GGPPS7(GFPPS)，GGPPS8(PPPS)和GGPPS11(GGPPS)，进行蛋白结构解析。通过比较关键活性位点上的氨基酸差异，提出了“Three-Foors”模型对拟南芥GGPPS家族产物链长催化机理进行解释，通过定点突变验证了模型的正确性。运用该模型成功预测了在十字花科植物中GFPPS家族的广泛存在，而且发现GFPPS和TPS可以在十字花科植物基因组上形成基因簇。　　为了验证GFPPS-TPS基因簇中TPS是否具有二倍半萜酶活，利用改造的大肠杆菌生成GFPP再次导入TPS检测产物是否有二倍半萜的生成。结果证明拟南芥中TPS18，19，25，30能生成结构各异的二倍半萜化合物，其他十字花科植物中的GFPPS-TPS基因簇有些TPS也具有二倍半萜合酶活性。通过发酵纯化以及NMR分析，得到了TPS18，19，25，30产物中主要二倍半萜化合物的骨架，其中TPS18和TPS19的产物是未被报道的新型二倍半萜骨架。亚细胞定位的结果表明拟南芥二倍半萜合酶途径的前体来源于质体的MEP途径，组织表达特异性的结果表明TPS25和TPS30基因主要在根中表达其产物也在根中被检测到。通过筛选TPS25和TPS30的突变体证实了在植物体内TPS25和TPS30确实参与了二倍半萜的合成。系统进化树的证据表明参与二倍半萜合成的TPS在十字花科植物中广泛存在，有些是以GFPPS-TPS基因簇的形式，有些是非GFPPS-TPS基因簇的形式存在。二倍半萜化合物对植物具体的生理功能是下一步的工作重点。　　拟南芥的花序可以产生挥发性的单萜和倍半萜类化合物。单萜来源于GPP，GPP合酶在拟南芥中还没有明确报道。前期的实验证明拟南芥的GGPPS12和GGPPS11体外能够形成异源二聚体，通过酵母双杂交和免疫共沉淀的方法发现了拟南芥的GGPPS12可以与GGPPS11形成异源二聚体。体外生化和转基因的证据表明GGPPS11和GGPPS12共同参与拟南芥花序中挥发性单萜的合成。在GGPPS12过表达转基因植物中检测到了倍半萜含量的提高，这表明了质体与胞质之间存在萜类的运输。同源二聚体的GPPS转基因植物实验结果表明其并不参与单萜化合物的合成。

摘要译文

关键词：

植物生物化学; 二倍半萜; 单萜; 代谢途径

学位年度：

2017

学位类型：

博士

学科专业：

遗传学

导师：

王国栋

中图分类号：

Q946.851;Q946[植物生物化学]

学科分类号：

071002[植物学]