芥蓝不同组织部位类黄酮含量及相关基因表达特征分析.pdf
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1、中文科技期刊数据库(全文版)自然科学 54 芥蓝不同组织部位类黄酮含量及相关基因表达特征分析 李祉祥 湖南农业大学园艺学院,湖南 长沙 410128 摘要:摘要:本研究以不同芥蓝品种为材料,测定其叶片,茎皮,茎肉和花蕾等不同组织部位类黄酮含量,结合荧光定量 PCR 分析不同组织查尔酮异构酶基因表达量与类黄酮的含量相关性。结果表明:红脚芥蓝 BOK19-04 类黄酮含量最高,且花中类黄酮含量高于其他部位,中花芥蓝 BOK19-46 类黄酮含量最低。红脚芥蓝 BOK15-90 的茎皮中查尔酮异构酶表达量比其他部位均高,表达量最高的是 CHI-3。查尔酮异构酶基因生物信息学结果表明:3 个 CHI基
2、因全长在 10071122bp,包含 630777 的开放阅读框(ORF),编码 209251 个氨基酸,相对分子质量 23.327.5kD,理论等电点(pl)4.9011.92,不稳定指数 30.3572.44,脂肪指数 92.39100.25,亲水平均数-0.234-0.048,都属于无信号肽序列及跨膜螺旋区,是无分泌功能的非跨膜蛋白。关键词:关键词:芥蓝;类黄酮;荧光定量 PCR;表达分析 中图分类号:中图分类号:Q943.2 1 基本概述 1.1 芥蓝简介 芥 蓝(Brassica oleracea var.Alboglatra Bailey),别称芥兰、格蓝等,是十字花科芸薹属一、二
3、年生草本植物。芥兰属植物主要分布于广东,湖南,福建一带,是我国一种有名的特色蔬菜1。芥蓝的营养价值非常高,还富含维生素 C、类胡萝卜素、硫苷和酚类化合物等。以嫩叶和花苔供食用,兼备营养价值和药用价值。在抗癌及抗氧化等方面有显著作具有明显的抗癌和抗氧化性。1.2 类黄酮功能及研究现状 1.2.1 类黄酮的功能 类黄酮,又称黄酮类化合物,是一类重要的植物次级代谢产物。常见的有查尔酮、黄酮醇、黄酮、花青素等。类黄酮是一种在植物中广泛分布的物质,其形态多为碳糖基或苷类,也有部分为游离态。天然黄酮原核中常含有羟基、烃氧基、异戊烯氧基等取代基。这类化合物的色彩以黄色为主,因为有这些共轭基。类黄酮具有多种生
4、理功能,如:调控植物色素的合成、抵御非生物胁迫、调控其生长发育等。另外,黄酮还具有抗氧化,抗病毒,抗过敏,抗癌症等多种生理功能。因而,对植物中类黄酮的含量进行了深入的研究具有重要的意义。近年来,由于类黄酮最新技术中特有的抗氧化性,在心血管疾病,减肥,抗菌,抗癌症等方面发挥了重要作用。俞灵莺2指出,抗炎、抗氧化、降糖尿病是类黄酮的生理功能。抗氧化活性指的是生物活性物质可以有效地清除体内多余的自由基,它可以防止自由基对生物大分子产生的氧化性破坏,维持正常的细胞结构与机能。抗氧化性是类黄酮品质评价的一个重要指标,与人体健康密切相关3。1.2.2 影响类黄酮合成的环境因素影响 光、温度、干旱胁迫是影响
5、植物体内类黄酮含量波动的主要因素。强光下更容易合成类黄酮,较低的温度可以促进类黄酮在植物体内的积累10;高温也会抑制基因合成,从而造成类黄酮的含量的减少。一些研究结果表明,干旱胁迫会增加次生代谢产物的浓度,许多次生代谢产物可作为渗透压阻止水分流失15,或作为抗氧化剂降低氧化应激反应。1.2.3 类黄酮合成途径及合成基因 柯红梅10等总结了拟南芥的类黄酮物质合成途径已经研究的比较透彻,由苯丙氨酸到花青素的合成可以分成 3 个阶段。第一阶段由苯丙氨酸到香豆酰辅酶 A,这是许多次生代谢共有的,该步骤受苯丙氣酸裂解酶(PAL)活性调控;第二阶段由香豆酰辅酶 A 和丙二酰辅酶 A 到香橙素,该步骤是黄酮
6、代谢过程中的关键一步,在多种酶的作用下,产生的黄烷酮和二氢黄酮醇被转换为花青素和其他类黄酮物质;而第三阶段是各种花色素苷的合成,黄烷酮 3羟化酶(F3H)、花色素还原酶(ANR)、花色素合成酶(ANS)和二氢黄酮醇中文科技期刊数据库(全文版)自然科学 55 还原酶(OFR)是关键的酶。这些结构特征决定了二氢黄酮的羟基化位置和羟基程度。罗天俊13总结结构基因对类黄酮的影响包括 PAL 通过催化苯基丙氨酸的脱氨生成反式肉桂酸,CHS 为类黄酮类化合物的合成提供了基础碳框架结构,DFR 可以将 DHQ、DHM 转化为无色花青素,ANS 遗传因子可以催化无色类黄酮转化为有色类黄酮,UFGT 类黄酮代谢
7、途径控制类黄酮合成。王梦雨6指出在植物体内,MYB 类成员较多且功能多元。大多数 MYB 蛋白作为转录因子,其特征是 MYB 结构域与 DNA 结合。MYB 是应对非生物类胁迫、生物类胁迫调控网络中的重要分子,在植物生长发育和代谢过程中起着重要作用。而其中 BoaMYB28 和 BoaMYB51 为对类黄酮合成影响最大的两种基因。1.3 CHI 基因的理论研究 查尔酮异构酶(EC5.5.1.6 Chalcone Isomerase CHI)是类黄酮生物合成通路中的核心酶,能催化柚皮素和 6-脱氧查尔酮的分子内环合,形成 2S 和 5-脱氧黄烷酮。查耳酮异构酶(Charlotone)是黄酮合成途
8、径 中 一 个 重 要 的 支 撑 酶,它 能 将 柚 皮 素 中 的 Charloxin 进行分子内环化反应,形成具有多种生理活性的类黄酮。虽然这个环化反应可以在植物体内自发产生,但是 CHI 的存在使反应的催化速率提高 107 倍。27FAP的发现定义了在植物进化的特定时期,从一个非酶的祖先到另一个立体特异性以及催化完善的酶的适应性进化。Joseph M、Sun 等对 CHI 酶的催化机理也展开了一系列的研究,发现 CHI 酶在对底物进行催化的过程中,会形成酶-底物(CHI CHN)、酶-中间体(CHI TS I 和 CHI TS II)两种复合物,相对于催化效率较低的分支酸变位酶,CHI
9、 形成酶-中间体形式的效率要远远高于基态形式。根据底物的差异,CHI 酶可分为两种类型:类型 I 只催化 6-羟基查耳酮合成 5-羟基黄烷酮,类型 II 则除 6-脱氧查耳酮外,还可催化 6-脱氧查耳酮合成 5-脱氧黄烷酮。最近的研究发现,拟南芥中组分有 5 个 CHI 家族成员,敲除 AtCHI1/TT5(AT3G55120)后,拟南芥种皮呈浅黄色,而将该基因导入到 tt5 的突变体中,则能获得正常的柚皮素,且种皮色泽恢复。Morita28等也在日本牵牛中发现 CHIL蛋白具有 EFP(enhencer of flavonoid production)的功能,可以增加花青素积累。Masahi
10、ro Nishihara等利用 RNAi 技术抑制烟草中的 CHI 表达发现,NtCHI(Accession NO.AB213651)可能与类黄酮合成相关。虽然目前类黄酮研究已有一定进展,但关于十字花科芸薹类黄酮生物合成途径的报道还很少,尤其是关于芥蓝类黄酮的报道更是寥寥无几。本文以芥蓝为材料,通过比较叶、茎、花蕾中类黄酮的含量及 CHI类基因相关酶基因的表达量,揭示芥蓝各组织中类黄酮代谢相关酶基因的表达量,阐明芥蓝类代谢相关酶基因的表达量与黄酮类物质代谢之间的关系,为芥蓝代谢调控奠定基础。因此,对芥蓝各组织中类黄酮含量进行检测,并对其相关基因进行表达量进行深入探讨,是具有重要的意义的。2 试
11、验材料与方法 2.1 试验材料 中花芥蓝 BOK15-04、BOK15-26、BOK15-46、红脚芥蓝 BOK15-90。在湖南农业大学金山基地塑料大棚中,采用穴盘养育,每个 50 孔,4 片叶片,按常规栽培方法进行栽培。采自无病虫、无病虫害的材料,3 个植株,每个重复 5 次。类黄酮物质可在 4下进行快速检测,表达基因的样本可在-80下进行超低温冷冻,液氮速冻。2.2 试验方法 2.2.1 类黄酮提取 将样本进行烘干到一定重量,打碎,通过 3050目筛网,称出大约 0.1 g,加 1 ml 萃取溶液,在 60,300 瓦超声功率萃取 30 min。在 25、12000 转/分条件下离心 1
12、0 min。除去上层清液,将 1 ml 提取物置于提取物中,测定。将 10mg/mL 芦丁标准溶液用标准品稀释液稀释至 2.5、1.25、0.625、0.3125 、0.15625、0.078、0.039mg/mL 备用。测量步骤如下表:表 1 测量步骤 试剂名称 对照管 测定管 标准管 空白管 样本待测液(L)60 60-标准溶液(L)-60-蒸馏水-60 试剂一(L)15 15 15 15 涡旋混匀,室温静置 5min 试剂二(L)-15 15 15 涡旋混匀,室温静置 5min 试剂三(L)120 120 120 120 60%乙醇(L)105 90 90 90 涡旋混匀,置于 37水浴
13、锅/恒温培养箱中准确反中文科技期刊数据库(全文版)自然科学 56 应 45min,10000g,室温离心 10min,用移液枪取上清200 微升点入酶标板中,利用酶标仪测定提取液在470nm 的吸光值。计算 A 测定=A 测定-A 对照,A标准=A 标准-A 空白。每个测定管需设一个对照管,标准曲线和空白管只需测 1-2 次。根据标准管的浓度(x,mg/mL)和吸光度 A 标准(y,A 标准),建立标准曲线。根据标准曲线,将 A测定(y,A 测定)带入公式计算样本浓度(x,mg/mL)。类黄酮含量(mg/g 质量)=x*V 提取/W=x/W 使用 SPSS 和 GraphPad Prism 6
14、 软件对实验结果进行分析。2.2.2 总 RNA 提取及 cDNA 合成 在分析类黄酮含量数据时,以 BOK15-46 为基准,其类黄酮含量最低,和最高的 BOK15-90,进行 CHI 基因表达分析。采用 SteadyPure 植物 RNA 提取试剂盒提取 RNA。应用反转录酶试剂,在 PCR 仪器上进行反转录试验。2.2.3 设计引物 为了探究 CHI 基因在红脚芥蓝的功能,调取了转录组测序中的 CHI 基因序列,发现芥蓝中存在三个 CHI,分别命名为 CHI-1,CHI-2,CHI-3 通过 NCBI 确定后,进行引物设计(表 2)。表 2 本研究所用的引物序列 引物名称 Primer
15、name 正向引物 Forward primer(53)反向引物 Reverse primer(53)CHI-1 AGTCGAGGAGTTTCACCGTC TAACAACGTTGCCCTCTGAA CHI-2 CCCTCCTGGTGCTTTCATCC ACAGTTTGGGGCCTGAGCTA CHI-3 AAGAACGGTGTGTCTCCTGG TTTTGAACCAACTCCATGTGATTA 2.2.4 荧光定量 PCR 内参基因选择了 Actin。在 BOK15-46 和 BOK15-90中分别从芥蓝的叶片、茎(茎浆、茎皮)及花部提取10l cDNA,并用 40l 水稀释后,重复 2 次,
16、稀释 5倍。在 PCR 板上按顺序添加 3l 的稀释 cDNA,在每一个引物前后添加 0.2l 的引物,5l 的 DNA 聚合酶,1.5l 的水,并标记。Pcr 反应程序为:95预变性 30sec;95变性 30sec;95退火 5sec,60延伸 30sec,40 个循环。2.2.5 生物学信息分析 采用 MEGA6.0 软件构建基因系统进化树;采用(http:/web.expasy.org/protparam/)在线对 CHI蛋 白 进 行 一 级 结 构 预 测 ;采 用(http:/www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)在线对CHI蛋 白 进 行 信 号 肽
17、 预 测;采 用(http:/www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)在线对CHI 蛋白进行跨膜预测。3 结果与分析 3.1 芥蓝不同组织部位类黄酮含量分析 利用酶标仪对芥蓝不同组织切片中的芥蓝吸光度在不同波长中进行分析,并计算出芥蓝中的类黄酮含量,再利用 SPSS、GraphPad Prism 6 对资料数据进行分析和显示,如图所示。对不同品种芥兰相同部位类黄酮含量进行比较,花中类黄酮含量最高的是 BOK15-04,最低的是BOK15-90;叶中类黄酮含量最高的是 BOK15-04,最低的是BOK15-46;茎皮中类黄酮含量最高的是BOK15-90,最低的是 BOK15
18、-46;茎肉中类黄酮含量最高的是BOK15-04,最低的是 BOK15-90。不同品种中,不同组织类黄酮的分布也不同,对同品种芥兰不同部位类黄酮含量进行比较,BOK15-04类黄酮含量最高的是叶,最低的是茎肉;BOK15-26 类黄酮含量最高的是花,最低的是茎肉;BOK15-46 类黄酮含量最高的是花,最低的是茎肉;在叶片中,BOK15-90 类黄酮的含量最高,而在茎皮中则最低。从总 体 上看,总的 不 同 品种 类 黄酮 含 量为BOK15-04BOK15-90BOK15-26BOK15-46。最 高 为BOK15-04,最少为 BOK15-46。图 1 不同品种不同部位类黄酮含量 中文科技
19、期刊数据库(全文版)自然科学 57 图 2 同品种不同部位类黄酮含量 3.2 CHI 蛋白理化性质分析 运用在线软件 Expasy 分析 CHI 蛋白的理化性质,如表 3 所示。CHI-2 的序列最长,比 CHI-1 长 62bp,比 CHI-3 长 115bp;CHI-2 的开放阅读框最长,开放阅读框比 CHI-1 长 147 ORF,比 CHI-3 长 21ORF;氨基酸个数比 CHI-1 多 32 个,比 CHI-3 少 10 个;其中脂肪指数高低排序为 CHI-2CHI-1CHI-3;不稳定指数高低排序为 CHI-2CHI-3CHI-1;亲水平均数高低排序为CHI-3CHI-1CHI-
20、2;CHI-2相对分子质量也比CHI-1高 4.2KD,比 CHI-3 高 0.5KD;CHI-2 的理论等电点最高,比 CHI-1 高 7.02,比 CHI-3 高 6.85。表 3 CHI 蛋白理化性质 CHI 蛋白 CHI-1 CHI-2 CHI-3 序列长度(bp)1060 1122 1007 开放阅读框(ORF)630 777 756 编码氨基酸 209 241 251 相对分子质量(KD)23.3 27.5 27.0 理论等电点 4.90 11.92 5.07 分子式 C1050H1659N263O323S5 C1229H2029N375O329S6 C1214H1947N305O
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