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红曲霉产色素相关基因的克隆及功能研究

邵彦春

   红曲霉(Monascus spp.)是我国传统的食用和药用微生物,在我国已有上千年的应用历史。它能分泌产生色素、莫呐可啉类(monacolins)物质、γ-氨基丁酸(γ-Aminobutyric Acid,GABA)、麦角固醇和丰富的水解酶类等多种有益代谢产物,是生产食品发酵剂、着色剂、保健食品、药品或其原料的重要微生物资源。目前,国内外对红曲霉菌种的分类、选育、代谢产物分离纯化及发酵条件的研究较多,而有关红曲霉的分子生物学研究才刚刚起步。GenBank检索结果查见,与红曲霉相关的核酸序列大部分是研究分类和亲缘关系的,有关功能基因的研究很少,而关于红曲霉产色素基因的研究尚未见报道。 近年来,利用根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)介导T-DNA转化真菌获得突变体的方法成为寻找和鉴定新基因的有效手段。本课题采用根癌农杆菌介导的T-DNA转化法建立了包含5100多株转化子的红曲霉转化子库,从转化子库中筛选得到了24株菌落颜色发生了明显变化的色素突变子,并对其菌落形态及显微结构、潮霉素抗性稳定性及主要代谢产物的分泌能力等进行了分析。在此基础上,采用TAIL-PCR分离到8株色素突变子T-DNA插入位点的左侧序列,并应用RACE技术克隆得到了一株色素突变子805~#T-DNA插入位点的cDNA全长序列,采用基因敲除(gene knock-out)技术对其功能进行了验证。具体研究结果如下: 1转化子库的构建及色素突变株的筛选 通过优化农杆菌(A.tumefaciens)介导的T-DNA转化红曲霉的条件,构建了包含5100多个转化子的转化子库。T-DNA的PCR验证结果表明,随机挑选的60株转化子均含有T-DNA插入片段。24株随机挑选的转化子的Southern杂交结果表明,T-DNA单拷贝插入率为70.8%。通过对转化子菌落形态的观察,筛选得到53株形态发生明显变化的转化子,其中24株为菌落颜色发生显著变化的色素突变子,其编号分别为189~#、192~#、533~#、635~#、733~#、805~#、959~#、1132~#、1164~#、1263~#、1295~#、2066~#、2606~#、2887~#、3108~#、3257~#、3715~#、3742~#、4081~#、4096~#、4591~#、4698~#、4963~#和4968~#。色素突变子连续传代培养5代后,除733~#、1132~#、3715~#和4591~#外,其它20株色素突变子均能在潮霉素抗性培养基上稳定生长,潮霉素抗性稳定性达83.3%。 2色素突变子产红曲色素、monacolin K、GABA和桔霉素的分析 采用UV-VIS、TLC、HPLC等方法对上述20株潮霉素抗性稳定的色素突变子的固态发酵产物红曲的色素(包括色价、吸收波长、色素组分)、monacolin K、GABA和桔霉素的产生情况进行了分析。结果表明,与出发菌株相比,色素突变子产代谢产物的能力都发生了不同程度的变化。 在产色素方面,色素突变子959~#的色价最高,达2 712,是出发菌株M-7色价1228的2.2倍;1263~#的色价最低,仅为20,只有出发菌株M-7色价的0.01倍。另外,色素突变子红曲乙醇萃取液的UV-VIS扫描图谱和色素组分也发生了显著的变化。在产monacolin K方面,突变子4081~#红曲的含量最高,达1601μg/g,而出发菌株M-7红曲的含量低于0.1μg/g。在产GABA方面,突变子1263~#红曲含量最高,达6183.9μg/g,是出发菌株M-7 436.3μg/g的14.2倍;635~#红曲的含量最低,只有156.1μg/g,约为出发菌株M-7的0.33倍。在产桔霉素方面,突变子635~#红曲的含量最高,达154.57μg/g,是出发菌株0.75μg/g的206倍;1295~#含量最低,为0.10gg/g,为出发菌株的0.1倍。 比较上述20株色素突变子产色素和桔霉素的情况,可将其分为4类:第一类,色价和桔霉素都升高的,包括635~#、959~#、1164~#、2066~#、2606~#、2887~#、4081~#和4698~#共8株;第二类,色价和桔霉素都降低的,包括805~#、1295~#、3742~#和4968~#共4株;第三类,色价降低而桔霉素含量升高的,包括189~#、192~#、1263~#和4963~#共4株;第四类,色价升高而桔霉素降低的,包括533~#、3108~#、3257~#和4096~#共4株。从上述四类突变子中挑选出635~#、1164~#、2606~#、805~#、1295~#、189~#、1263~#、4963~#、533~#和3257~#共10株代表性菌株,作为研究红曲霉产色素相关基因的材料。 3色素突变子T-DNA插入位点侧翼序列TAIL-PCR扩增及扩增片段功能分析 采用TAIL-PCR法对上述10株色素突变子T-DNA插入位点的侧翼序列进行了扩增,得到了635~#、1164~#、2606~#、805~#、3257~#、189~#、4963~#和533~#共8株突变子T-DNA插入位点左侧的DNA序列,扩增的DNA片段长度介于500 bp~1 300 bp之间。FASTA比对分析表明,805~#突变子DNA扩增序列与烟曲霉(Aspergillus fumigatus)Af293的G蛋白信号调节子(regulator for G-protein signaling,RGS)功能域的同源性达84%:其它7株突变子的T-DNA插入位点侧翼的DNA序列未发现有功能明确的相似性序列。突变子533~#、1164~#和2606~#的DNA扩增片段已经登陆Genbank,登陆号分别为DQ861336、DQ861338和DQ1337。 4红曲霉G蛋白信号调节子的功能验证 以突变子805~#扩增序列的Blast比对分析结果为依据,设计特异性引物,采用RACE技术,扩增得到了对应于该DNA序列的2012 bp的cDNA序列。ORFfin工具分析显示,其包含的最长开放读码框架(open reading frame,ORF)为1851bp,推衍得到包括了RGS和2个DEP(disheveled,Eg1+10,pleckstrin)3个结构域在内的氨基酸序列。以RGS结构域两侧的DNA序列为同源臂,采用基因敲除(gene knock-out)技术对其功能进行了初步研究。研究结果表明,805~#突变子T-DNA插入位点的基因,即编码红曲霉FlbA(nuffy for brlA)的序列对红曲霉色素分泌具有正调节作用。……   
[关键词]:红曲霉;农杆菌介导的T-DNA转化库;色素突变子;TAIL-PCR;RACE;flbA基因;基因敲除
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华中农业大学2007年
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