桑樹木質(zhì)素合成基因的生物信息和功能分析

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1、西南大學碩士學位論文摘要桑樹木質(zhì)素合成基因的生物信息和功能分析生物化學與分子生物學碩士研究生：范麗指導教師：何寧佳教授木質(zhì)素是植物體中含量僅次于纖維素的大分子有機化合物，約占植物體干重的16％一30％，在植物的機械支撐、水分運輸及抵御病原微生物中發(fā)揮著重要作用，是植物適應陸地生態(tài)環(huán)境的重要進化特征之一。但木質(zhì)素的存在嚴重影響著植物資源的利用，如增加造紙成本、降低飼草植物的消化性及制約生物乙醇的生產(chǎn)等。桑樹是一種多年生的木本植物，除桑葉用于養(yǎng)蠶外，每年桑樹剪伐都產(chǎn)生大量的枝條，是蠶桑生產(chǎn)過程中最為豐富的副產(chǎn)物資源，但其資源利用率很低。隨著煤、石油、天然氣等

2、不可再生資源的不斷減少，生物乙醇將成為能源的最佳替代品，以糧食作物為原料生產(chǎn)生物乙醇具有規(guī)模限制及不可持續(xù)性，若能以桑枝作為原料生產(chǎn)生物乙醇，不僅能提高桑樹資源利用率，還能在一定程度上緩解能源短缺問題。然而桑樹木質(zhì)素的存在限制了桑樹資源的利用，因此通過研究桑樹木質(zhì)素合成基因，分析桑樹木質(zhì)素形成機制，進而通過基因工程手段改變木質(zhì)素含量或單體組成以期改進桑樹木材品質(zhì)以促進桑樹生物乙醇的生產(chǎn)，為提高桑樹植物資源利用率奠定基礎。本研究通過生物信息學方法從桑樹基因組數(shù)據(jù)庫中獲得65個木質(zhì)素合成相關基因，比較了5個不同桑樹品系(湖桑32號、珍珠白、大10、巖桑、垂枝

3、桑)中木質(zhì)素合成關鍵基因在莖Snnt中的表達情況，克隆獲得桑樹木質(zhì)素合成關鍵基因脅C?H和Mn乃日，并在煙草中進行功能驗證。本研究的主要結(jié)果如下：1、桑樹木質(zhì)素合成相關基因的生物信息學分析通過生物信息學分析，我們從桑樹基因組數(shù)據(jù)庫中獲得65個木質(zhì)素合成相關基因，包括7個PAL基因、3個C4H基因、1個C3H基因、13個4CL及4CL．1ike基因、6個HCT基因、8個CCR及CCR．1ike基因、3個CoAOMT及CoAOMT-like基因、8個CAD及CAD．1ike基因、2個F5H基因和14個COMT及COMT-like基因。分析發(fā)現(xiàn)桑樹木質(zhì)素合成各

4、基因家族蛋白分別含有各家族的蛋白保守序列，且大多數(shù)基因在木質(zhì)化的桑樹根部高量表達，說明這些基因可能在控制木質(zhì)素的合成中具有重要作用。上游啟動子西南大學碩士學位論文保守元件分析發(fā)現(xiàn)桑樹木質(zhì)素合成關鍵基因上游啟動子中除含有保守的AC元件(該元件被認為和木質(zhì)部特異性表達有關)外，還含有激素響應、脅迫誘導等元件，說明這些基因不僅控制木質(zhì)素的生物合成，還在桑樹的生物及非生物脅迫中發(fā)揮重要作用。2、不同桑樹品系中木質(zhì)素合成關鍵基因的轉(zhuǎn)錄表達分析通過Real-timePCR調(diào)查了不同桑樹品系(湖桑32號、珍珠白、大10、巖桑、垂枝桑)中木質(zhì)素合成關鍵基因在一年生莖和葉

5、中的轉(zhuǎn)錄情況，結(jié)果顯示：這些基因都在各桑樹品系木質(zhì)化的莖中表達量較高，且在垂枝桑莖中表達量最高，木材桑巖桑次之(除C3H、4CL2和廳何)，而在果桑珍珠白莖和葉中的表達量都較低。3、MnC3H和MnF5H的克隆及煙草的遺傳轉(zhuǎn)化為了研究MnC3H和MnF5H的功能，克隆得到了川桑MnC3H和MnF5H的全長序列，分別構(gòu)建了pLGNL一35S—MnC3H和pLGNL．35S—MnF5H超量表達載體，并通過煙草的遺傳轉(zhuǎn)化初步驗證了其功能，結(jié)果顯示：這兩個基因的超量表達對轉(zhuǎn)基因煙草植株的正常生長沒有影響，MnC3H的超量表達導致轉(zhuǎn)基因煙草莖中木質(zhì)素含量增加，但對

6、G木質(zhì)素和S木質(zhì)素的合成影響不同，MnC3H能夠促進G木質(zhì)素的合成而抑制S木質(zhì)素的合成，MnF5H能夠在木質(zhì)素總含量基本不變的情況下促進G木質(zhì)素向S木質(zhì)素轉(zhuǎn)化，S木質(zhì)素的過量合成能降低生物乙醇的牛產(chǎn)成本，對提高桑樹資源利用率具有重要作用。關鍵詞：桑樹；木質(zhì)素；信息分析；表達分析；遺傳轉(zhuǎn)化BioinformaticandfunctionalanalysisofmulberrygenesinvolvedinligninbiosynthesisBiochemistryandmolecularbiologymasterCandidate：LiFanSulNing

7、}'．He5upervlsor：INingJlae-ABSTRACTThecontentofligninisnexttocellulose，whichconsistsof16％一30％inplants·Itplaysanimportantroleinmechanicalstrength．watertransportationandmicroorganismdemeIlse·TheDresenseofligninisoneoftheimportantevolutioncharacteristicadaptedtolandenviroment．However

8、,theexistenceoflignincarlincreasethecost