玉米葉酸代謝基因的生物信息和時(shí)空表達(dá)模式分析.pdf

1、葉酸是水溶性B族維生素，在生物體內(nèi)主要作為一碳單位的供體和受體，參與DNA的合成、多種氨基酸的代謝以及各類(lèi)化合物的甲基化過(guò)程。不過(guò)由于人類(lèi)無(wú)法自身合成葉酸，葉酸缺乏癥已成為一個(gè)全球性的公共健康問(wèn)題。因此，為了能通過(guò)提高植物性膳食中的葉酸水平來(lái)有效緩解此情況，人們很有必要深入探索葉酸在作物中的代謝調(diào)控機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提高葉酸在作物可食部位的穩(wěn)定積累水平。本研究以玉米為研究對(duì)象，針對(duì)玉米中的葉酸代謝相關(guān)基因進(jìn)行了系統(tǒng)地分析。通過(guò)序列比對(duì)和

2、保守性分析確定了編碼16個(gè)葉酸代謝相關(guān)蛋白酶的36個(gè)候選基因，這些基因編碼的蛋白都有高度保守的功能結(jié)構(gòu)域。系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)的分析結(jié)果表明玉米中的葉酸相關(guān)蛋白在進(jìn)化上都較為保守，而且親緣關(guān)系上和高粱、谷子更為接近。接下來(lái)我們連續(xù)多年通過(guò)對(duì)200多種玉米自交系成熟籽粒中的葉酸含量進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)自交系GEMS31的成熟籽粒葉酸含量總是自交系Ji63葉酸含量的12.9倍以上。于是我們選用這兩個(gè)遺傳穩(wěn)定的代表性自交系來(lái)分析不同器官發(fā)育階段的葉酸含量、玉

3、米葉酸基因的轉(zhuǎn)錄水平和氨基酸序列的情況，由此來(lái)明確玉米中葉酸代謝的時(shí)空表達(dá)模式。目前主要的研究結(jié)果如下：
　　1、在這兩種玉米自交系的不同器官(根、莖、葉、雌穗、籽粒)的葉酸結(jié)果顯示：莖、雌穗和發(fā)育早期的籽粒中，5-甲基四氫葉酸(5-Methyltetrahydrofolate,5-M-THF)是主要的葉酸形式；在成熟籽粒中5-甲酰四氫葉酸(5-Formyltetrahydrofolate,5-F-THF)是主要形式；不同時(shí)期的不

4、同自交系的葉片和根中主要葉酸形式不同。在種植后的頭30天里，根的總?cè)~酸含量隨著發(fā)育逐漸減少，而葉的總?cè)~酸含量隨著發(fā)育逐漸增加。同時(shí)與成熟籽粒中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律類(lèi)似，葉酸含量高的GEMS31自交系的各個(gè)器官中的5-F-THF含量和總?cè)~酸含量總是高于葉酸含量低的Ji63自交系。
　　2、實(shí)時(shí)定量PCR的結(jié)果顯示多數(shù)葉酸代謝相關(guān)基因在根、莖、葉、雌穗中的轉(zhuǎn)錄水平在兩個(gè)自交系之間存在差異，但并沒(méi)有明顯規(guī)律性，它們的共性是種植30天時(shí)，絕大部分葉

5、酸代謝相關(guān)基因在葉片中的轉(zhuǎn)錄水平都高于根中的轉(zhuǎn)錄水平；另一方面，在發(fā)育早期的籽粒中，葉酸代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平在自交系之間沒(méi)有明顯差異，它們的都在授粉后(Day after pollination， DAP)6天時(shí)轉(zhuǎn)錄水平較高，而后 DAP12和DAP18則明顯降低。
　　3、在蛋白序列上，這些葉酸代謝相關(guān)蛋白序列在這兩種自交系之間沒(méi)有明顯差異。
　　以上結(jié)果表明，第一，玉米的葉酸代謝相關(guān)蛋白是較為保守的；第二，5-M-TH

6、F是籽粒發(fā)育早期、雌穗和莖中主要的葉酸衍生物形式，5-F-THF是成熟籽粒中主要的葉酸衍生物形式，說(shuō)明這兩種葉酸衍生物在玉米的生長(zhǎng)發(fā)育中都發(fā)揮著重要作用；最后，在籽粒發(fā)育早期，葉酸代謝基因表達(dá)較為活躍。雖然兩種自交系成熟籽粒葉酸含量差異較大，但是其葉酸代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平和編碼蛋白的氨基酸序列在兩者之間并無(wú)明顯差異。同時(shí)，玉米籽粒中葉酸代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平與葉酸含量積累水平之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性，這表明玉米籽粒發(fā)育過(guò)程中的葉酸代謝比較