玉米葉酸代謝基因的生物信息和時空表達模式分析.pdf

1、葉酸是水溶性B族維生素，在生物體內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化合物的甲基化過程。不過由于人類無法自身合成葉酸，葉酸缺乏癥已成為一個全球性的公共健康問題。因此，為了能通過提高植物性膳食中的葉酸水平來有效緩解此情況，人們很有必要深入探索葉酸在作物中的代謝調控機理，并在此基礎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象，針對玉米中的葉酸代謝相關基因進行了系統(tǒng)地分析。通過序列比對和

2、保守性分析確定了編碼16個葉酸代謝相關蛋白酶的36個候選基因，這些基因編碼的蛋白都有高度保守的功能結構域。系統(tǒng)進化樹的分析結果表明玉米中的葉酸相關蛋白在進化上都較為保守，而且親緣關系上和高粱、谷子更為接近。接下來我們連續(xù)多年通過對200多種玉米自交系成熟籽粒中的葉酸含量進行檢測，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遺傳穩(wěn)定的代表性自交系來分析不同器官發(fā)育階段的葉酸含量、玉

3、米葉酸基因的轉錄水平和氨基酸序列的情況，由此來明確玉米中葉酸代謝的時空表達模式。目前主要的研究結果如下：
　　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，根的總葉酸含量隨著發(fā)育逐漸減少，而葉的總葉酸含量隨著發(fā)育逐漸增加。同時與成熟籽粒中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律類似，葉酸含量高的GEMS31自交系的各個器官中的5-F-THF含量和總葉酸含量總是高于葉酸含量低的Ji63自交系。
　　2、實時定量PCR的結果顯示多數(shù)葉酸代謝相關基因在根、莖、葉、雌穗中的轉錄水平在兩個自交系之間存在差異，但并沒有明顯規(guī)律性，它們的共性是種植30天時，絕大部分葉

5、酸代謝相關基因在葉片中的轉錄水平都高于根中的轉錄水平；另一方面，在發(fā)育早期的籽粒中，葉酸代謝相關基因的轉錄水平在自交系之間沒有明顯差異，它們的都在授粉后(Day after pollination， DAP)6天時轉錄水平較高，而后 DAP12和DAP18則明顯降低。
　　3、在蛋白序列上，這些葉酸代謝相關蛋白序列在這兩種自交系之間沒有明顯差異。
　　以上結果表明，第一，玉米的葉酸代謝相關蛋白是較為保守的；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，說明這兩種葉酸衍生物在玉米的生長發(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基因的轉錄水平和編碼蛋白的氨基酸序列在兩者之間并無明顯差異。同時，玉米籽粒中葉酸代謝相關基因的轉錄水平與葉酸含量積累水平之間沒有明顯的相關性，這表明玉米籽粒發(fā)育過程中的葉酸代謝比較