喜树转录因子CaIAA27的克隆和功能分析

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喜树碱(Camptothecin,CPT)是继红豆杉(Taxus chinensis)提取物紫杉醇之后第二个从植物中提取的广谱性抗癌药物。但在喜树中的含量极低,仅为干重的千分之几,致使其总产量极低。目前通过化学合成方法制备喜树碱比较困难,也未有大规模的生产。此外,喜树已成为我国珍稀濒危保护植物,天然资源有限,随着市场上对喜树碱需求不断增加,使得喜树资源不断过度开发利用,因此,喜树碱的价格不仅昂贵并且呈现供不应求的局面。应用不同的方法来提高喜树中喜树碱的含量显得十分重要,其中激素作为信号分子参与了生物碱的生物合成。吲哚-3-乙酸(IAA)是最早发现和最重要的植物激素,其主要作用是促进生长,促进幼芽分化,等等一系列植物生命活动都与之相关,但目前有关外源性IAA是否会对喜树碱含量有影响实验尚未见报道。经本论文研究发现,在激素IAA处理下喜树碱的积累量上升明显,喜树碱合成关键酶基因相对表达量升高,确定激素IAA会改变喜树中喜树碱的积累量。转录因子是可以调节多个基因的共表达的有效工具。与喜树碱相关的合成转录因子可以协同控制多个合成酶基因的表达在喜树碱代谢途径中,从而有效地促进喜树碱的合成,从而在功能上更经济,全面和有效。从而可有效地促进喜树碱的大量合成,因而在功能上表现出更为经济、全面和有效的特点。从喜树碱生物合成途径中已知酶基因表达特征和代谢产物积累分布特征出发,利用已构建的喜树幼嫩叶片及成熟叶片的高通量转录组数据库进行基因共表达相似性分析,快速获取参与激素IAA信号调控喜树碱合成的转录因子,对候选基因进行克隆并获得全长的编码序列。由组成型启动子(35S)和诱导型启动子(rd29A启动)驱动的过表达载体构建,通过农杆菌转化侵染。喜树的叶子通过注射浸润处理,并收集经处理的叶子,进行总RNA提取。进行喜树碱生物合成途径上几个关键酶基因相对表达量的实时荧光定量PCR(q RT-PCR)分析以及喜树碱积累量的HPLC分析。本研究主要目的是筛选和鉴定一个与激素信号相关的喜树的转录因子,揭示激素信号调控喜树碱合成的分子机制,以期为转录因子的基因工程调控喜树碱合成提供必要的基因元件和理论依据,以满足不断增长的喜树碱市场需求。本研究选择在基因表达特征与代谢产物积累特征均具有相似性的2个候选转录因子基因中的1个(CaIAA27)进行克隆,并对其进行瞬时过表达分析,结果表明p BI121-35S-GD-CaIAA27的组成型过表达的叶片中的喜树碱含量提高1.72倍左右,达极显著水平,并且代谢途径上的几个关键酶基因CaG8O、Ca7DLS、CaCYC1、CaSTR、Ca7DLGT、CaTDC1分别上升了257.83、117.95、83.49、19.03、11.40倍,CaG8O、Ca7DLS均达显著水平。p BI121-rd29A-GD-CaIAA27经低温诱导过表达24h后关键酶基因CaG8O、Ca7DLS相对表达量分别上升2.69、1.74倍,均达显著水平。诱导48h后仅有关键酶基因CaTDC1相对表达量升高1.04倍,差异不显著。将不同生长时间的野生型喜树组培苗不同部位的样品进行研磨,提取总RNA,利用q RT-PCR分析CaIAA27基因的表达水平,与60 days相比,30 days的CaIAA27基因在不同部位转录水平均较高,叶片、韧皮和根部分别达到了2.36、4.74和10.10倍,差异均达显著水平,表皮部分别是3.22倍,差异不显著。实验结果表明,外源IAA可以促进喜树碱的合成,瞬时表达CaIAA27会明显促进喜树碱合成途径上酶基因的表达,进而促进喜树碱的合成,CaIAA27作为一个重要的激素信号转导途径的转录因子,在喜树中介导了激素信号调控喜树碱的生物合成,因而为激素调控植物次生代谢产物产量提供新的思路。
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