植物苯丙氨酸代谢相关酶基因启动子研究进展

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doi:1013969/j.issn.16732010年6月第7卷第2期:农学长江大学学报(自然科学版) JournalofYangtzeUniversity(NatSciEdit) Jun12010,Vol17No12:AgriSci1409(S).[1**********]

植物苯丙氨酸代谢相关酶基因启动子研究进展  唐 寅,张威威,许 锋 (长江大学园艺园林学院,湖北荆州434025)

  程水源 (黄冈师范学院生命科学与工程学院,湖北黄冈438000)

[摘要]苯丙氨酸代谢途径是植物重要的次生代谢途径,主要包括苯丙烷代谢途径和异黄酮合成代谢途径,

其中每一步都由不同酶调控。启动子是基因的一个组成部分,控制基因表达(转录)的起始时间和表达程

度。综述了苯丙氨酸代谢途径3种重要酶,即苯丙氨酸解氨酶、查尔酮合成酶和查尔酮异构酶基因启动子

的研究进展。

[关键词]苯丙氨酸代谢途径;异黄酮合成途径;启动子;分子机理

[中图分类号]Q94615[文献标识码]A]1673()S06804

,,苯丙氨酸代谢途,一切含苯丙。苯丙氨酸代谢主要包括2个代谢途径,即苯丙烷代谢[1,2]。

植物启动子是重要的顺式作用元件,是位于结构基因5’端上游区的DNA序列,它能指导RNA聚合酶与模板的正确结合,是转录调控的中心。研究苯丙氨酸代谢相关酶基因的启动子,能从分子机理分析其代谢过程,为研究各种次生代谢产物的分子调控打下基础[1]。

1 苯丙氨酸解氨酶基因启动子

1.1 苯丙氨酸解氨酶

苯丙氨酸解氨酶(phenylalanineammonialyase,PAL,EC4.3.1.5)是苯丙烷类代谢途径的关键酶,催化苯丙氨酸转化为肉桂酸,促进黄酮、香豆素等次生代谢物的生成。PAL只存在于植物和微生物中,能够应答伤害、病原菌、植物激素等多种胁迫诱导[2]。

1.2 苯丙氨酸解氨酶基因启动子研究

(1)苯丙氨酸解氨酶基因启动子类型 植物PAL活性的调控主要在转录水平进行,并且受到PAL启动子的影响。现已在豌豆(PisumsativumL.)[3,4]、拟南芥(Arabidopsis)[5]、欧芹(Petroselinumcrisp2

[6]um)、白杨木(Populustrichocarpa×P.deltoides)[7]、扁豆(DolichoslablabL.)[8]、菜豆(Phaseolus

[9]vulgarisL.)、水稻[10]、麻风树(JatrophacurcasL.)[11]等植物中获得苯丙氨酸解氨酶基因的启动子;通

过5’端侧翼区缺失实验,发现启动子一些特定区域和保守元件对PAL的表达水平有重要作用。分为4种类型,即,(1)PAL1类型,在豌豆[3]、拟南芥[5]、欧芹[6]和白杨木[7]中发现;(2)PAL2类型,在扁豆[8]、菜豆[9]、白杨木[7]和欧芹[6]中发现;(3)PAL3类型,在欧芹[6]中发现;(4)PAL4类型,在欧芹[6]中发现。

(2)苯丙氨酸解氨酶基因启动子GUS表达 将PAL启动子片段与GUS报告基因融合后转入植物表达,发现不同植物PAL启动子的表达在各器官中差异很大。菜豆PAL2启动子[9]在木质部和韧皮部表达,但在叶原基和茎结点不表达。豌豆PAL2启动子[5]器官特异性表达在花瓣中水平最高,在花粉囊、柱 [收稿日期]20100319

 [基金项目]国家自然科学基金项目(30971974);湖北省自然科学基金重点项目(2008CDA061);湖北省教育厅产学研合作资助项目

(CXY2009B009)

 [第一作者简介]唐 寅(1983),男,湖北武汉人,硕士研究生,研究方向为银杏分子生物学.

 [通讯作者]程水源,E2mail:[email protected]

第7卷第2期:农学唐 寅等:植物苯丙氨酸代谢相关酶基因启动子研究进展 ・69・头、根和芽中显著表达,而在萼片、子房和叶片中基本不表达。白杨木PAL1和PAL2启动子[8]在叶片、茎和其他器官的初生木质部和茎的次生木质部表达,但在表皮和表皮下层细胞均不表达。拟南芥PAL1启动子[6]在幼苗发育早期有活性,在花中,萼片、花粉囊和心皮中有表达,而在成熟植物体的根和叶片的维管组织中表达量大,但在根尖、芽顶端分生组织和花瓣中不表达。

(3)苯丙氨酸解氨酶基因启动子顺式作用元件 在豌豆[3]、欧芹[6]和白杨木[7]等植物的PAL启动子的顺式作用元件的研究中,发现了不同的顺式作用元件(表1),其中TATA2box在豌豆和欧芹中发现,白杨木和菜豆中顺式作用元件差距较大。

表1 几种植物的PAL启动子顺式作用元件研究

Table1 Thecis2elementofPALpromoterofseveralspeciesplant

植物

豌豆(PisumsativumL.)

白杨木(Populustrichocarpa×P.deltoides)

菜豆(PhaseolusvulgarisL.)

欧芹(Petroselinumcrispum)PAL启动子顺式作用元件TATA2box、22box、42box、AT2richmotifAC2richmotifP2box、L2box、H2box、A2box、TCA2richmotif2boxTATA2box

2 2.1 synthase,CHS,EC2.3.1.74)是类黄酮类物质合成的关键酶,在苯丙氨酸合成途径中,查尔酮为类黄酮类物质提供基本的碳架结构,为类黄酮、黄酮醇、黄烷酮、花青素糖苷及其他物质的合成提供保障。查尔酮合成酶在植物中广泛存在,在很多生理生化活动中起着重要作用,是近年来植物生理生化和分子生物学研究的热点之一。CHS的功能主要表现在色素合成、防UV照射、抵御病原真菌侵染、根瘤形成、植物育性、调节生长素运输、抗虫等方面,近年来有大量的相关报道[12]。

2.2 查尔酮合成酶基因启动子研究

(1)查尔酮合成酶基因启动子类型 现已在欧芹[13]、拟南芥[14]、芥末(SinapisalbaL.)[15,16]、豌豆[17]、法国豆(PhaseolusvulgarisL.)[18]、扁豆[19]、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)[20]、菜豆[21]、矮牵牛(Petuniahybrida)[22]、金鱼草[23]等中获得了查尔酮合成酶基因的启动子。主要分为3种类型:(1)CHS1类型,芥末[15]和豌豆[17]中发现;(2)CHS15类型,在法国豆[18]和菜豆[21]中发现;(3)CHSA类型,在矮牵牛[22]中发现。

(2)查尔酮合成酶基因启动子GUS表达 将不同植物CHS基因的启动子片段与GUS报告基因连接,导入植物细胞,发现不同植物的不同器官中表达差异很大。芥末CHS启动子[15]在幼苗中除胚轴所有器官都表达,在花中所有轮生体中都表达。金鱼草CHS启动子[23]在不成熟种子中表达量最高。法国豆CHS15启动子[18]在花和根尖有表达,花中的表达仅限于花瓣中有颜色的部分,而且是瞬时表达。

(3)查尔酮合成酶基因启

表2 几种植物的CHS启动子顺式作用元件动子顺式作用元件 在对芥

末[15]、法国豆[18]、豌豆[17]、拟

南芥[14]、矮牵牛[22]、扁豆[19]等

植物CHS启动子顺式作用元

件的研究中,发现了不同顺式

作用元件(表2),G2box在法

国豆、豌豆和拟南芥中均存在,

而白芥菜和菜豆顺式作用元件

差别很大。Table2 Thecis2elementofCHSpromoterofseveralspeciesplant植物名白芥菜(Sinapisalba)法国豆(PhaseolusvulgarisL.)碗豆(PisumsativumL.)拟南芥(Arabidopsisthaliana)菜豆(PhaseolusvulgarisL.)CHS启动子顺式作用元件Unit1、Unit2G2box、H2boxG2box、Ⅰ2boxG2boxH2box、12box、22box、32box

・70・ 长江大学学报(自然科学版)2010年6月3 查尔酮异构酶基因启动子

3.1 查尔酮异构酶

查尔酮异构酶(chalconeisomerase,CHI,EC5.5.1.6)是第一个被认识的类黄酮合成相关酶,是类黄酮类色素生物合成所需的关键酶之一。自从通过抗体技术从菜豆中分离纯化CHI以来,通过类似方法已在多种植物中分离纯化出CHI。CHI是植物异黄酮途径中植物抗毒素生物合成所必需的酶,以单体的形式普遍存在于大多数植物中,分子量因植物的种类而异。CHI的氨基酸序列和蛋白质的三维折叠结构在植物中具有唯一性,已被建议作为一种植物特有的基因及结构标记。研究表明,除植物中普遍存在CHI外,真菌、粘土霉菌和大部分γ蛋白细菌中都存在与植物CHI直向同源的类CHI蛋白,但都缺乏CHI的上游酶CHS[24]。

3.2 查尔酮异构酶基因启动子研究

目前,查尔酮异构酶基因启动子只在矮牵牛[25]、烟草(Nicotianaglutinosa)[26](Liliumlongi2

[27]florum)等少数草本植物中获得。其中,矮牵牛[28]包括CHIB2,是研究最深入的。CHIA基因编码区上游存在两个启动子PA1和PA2,同的启动活性。PA1粒组织中启动CH,CHIB基因的表达。CCH的高度保守的DNA序列。

4 结语

苯丙氨酸代谢途径是植物重要的次生代谢途径,其相关酶基因的分子生物学研究越来越受重视。启动子研究一直处于生命科学研究前沿。随着科学技术的不断进步,将有更多植物的苯丙氨酸解氨酶基因、查尔酮合成酶基因、查尔酮异构酶基因的启动子被研究,从而使苯丙氨酸代谢途径的转录调控机理得到更深入的了解,提高各种次生产物的产量(如大豆异黄酮),更好地为人类服务。

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