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Ⅱ型EPSP合酶的功能域鉴定及大肠杆菌在草甘膦冲击下的基因表达谱分析

李亮

   草甘膦是农业应用最广泛的除草剂之一,主要作用于植物和微生物等的5-烯醇氏丙酮酰莽草酸-3-磷酸(EPSP)合酶,阻断莽草酸代谢途径,导致芳香族氨基酸及其衍生物合成受阻。来自于微生物的II型EPSP合酶对草甘膦不敏感,目前已广泛应用于抗除草剂草甘膦的转基因作物中。尽管我国已初步建立转基因作物的基因资源平台,但是目前仍缺乏具有自主知识产权并用于转基因作物的抗除草剂功能基因。挖掘高抗草甘膦新基因、开展抗草甘膦基因的功能域研究、寻找抗草甘膦新基因中的专利保护位点以及改造,对于培育新型抗草甘膦转基因作物在理论和应用上具有积极意义。本研究在II型EPSP合酶中鉴定了保守的RPMXR功能域。定点突变结果表明四个严格保守的氨基酸残基:Arg127、Pro128、Met129和Arg131替换后导致酶完全失活,而非保守位点Asn130氨基酸残基的替换强烈影响了草甘膦抗性(依据A1501 EPSP合酶序列编写序号)。这些实验结果,结合RPMXR功能域的位置和磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)及莽草酸-3-磷酸(S3P)互作的3D模建,证明此功能域对II型EPSP合酶的活性和草甘膦抗性至关重要。因此,本工作研究了新的X位点与抑制剂草甘膦/底物PEP的互作方式,及新功能域在酶分子结构上的作用。为进一步明确II型EPSP合酶催化机理奠定基础。 我国抗草甘膦作物一旦广泛应用,田间耕作方式将发生革命性的变革,同时,草甘膦的大量施用对农田土壤微生物群落结构产生重要影响。本研究首先用基因组芯片分析A1501 EPSP合酶基因异源表达对大肠杆菌基因表达谱的影响。结果表明:共161个基因表达差异显著(变化倍数大于2倍)。上调基因19个,下调基因142个,其中所占比例最大(65%)的是功能不明确的基因。表达差异显著的基因主要与丝氨基酸代谢和转运机制相关。分析表明A1501 EPSP合酶作为功能基因,其异源表达对大肠杆菌表达谱影响并不显著。其次,研究了200 mM草甘膦冲击对大肠杆菌莽草酸途径阻断后的基因表达影响。结果表明:共127个基因表达差异显著,其中58个显著上调,69个显著下调。在表达差异显著并且功能已知的基因中,氨基酸合成和转运基因占最大比例。涉及到显著下调的芳香族氨基酸(Tyr、Trp和Phe)合成相关基因、支链氨基酸(Thr、Leu和Ile)合成、Leu转运基因等等。 综上所述,这些实验结果将为提高EPSP合酶的草甘膦抗性和催化效率和田间施用草甘膦对土壤微生物群落影响的深入研究奠定了基础。……   
[关键词]:草甘膦;II型EPSP合酶;RPMXR功能域;基因芯片;表达谱
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国农业科学院2010年