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沙棘(Hippophae L.)为胡颓子科(Elaeagnaceae)沙棘属多年生灌木或小乔木,其果实油脂中高积累多种人体必需的脂肪酸(omega-3、omega-6和omega-7脂肪酸),在预防和治疗胃肠疾病、冠心病和癌症等方面具有显著疗效[1]。但较低的含油率(种子为7%~11%,鲜果肉为1%~5%)制约了沙棘油的高效开发利用[2-3],目前关于沙棘果肉油脂合成积累机制的研究较少,其中的关键基因及代谢途径尚未清晰[4]。
甘油三酯(Triacylglycerols,TAG)是沙棘油脂中的主要成分,其含量与果肉含油率密切相关[2, 5]。内质网上的3-磷酸甘油(glycerol-3-phosphate,G3P)连续组装来自于细胞质的acyl-CoA脂肪酸合成TAG[6],而G3P是由糖酵解的中间产物磷酸二羟丙酮(dihydroxyacetone phosphate,DHAP)被3-磷酸甘油脱氢酶还原而来[7],GPD1(glycerol-3-phosphate dehydrogenase)编码3-磷酸甘油脱氢酶,在碳水化合物和脂类代谢中起关键作用[8],是脂类合成的限速酶[9]。GPD1基因表达量增加2倍可使油菜(Brassica napus L)种子中G3P水平增加3~4倍,含油率提高40%[7, 10]。TAG的最后组装是以二酰甘油(diacylglycerol,DAG)为直接前体,经二酰甘油转移酶(diacylglycerol acyltransferases,DGAT)酰基化而成[11]。DGAT是影响脂类积累的限速酶[12-13],在许多植物体中编码两类非同源的DGAT基因(DGAT1和DGAT2)[14-15]。DGAT1基因突变体可限制野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.)的TAG合成,而过量表达DGAT1基因则可增加种子含油率11%~28%[13]。DGAT2基因在TAG合成过程中具有使DAG特异结合某些特殊脂肪酸的作用,如油桐(Vernicia fordii Airy-Shaw.)中的桐油酸(eleostearic acid)[16]。Chen等[17]将油桐的VfDGAT2基因导入红酵母(Rhodotorula glutinis)和拟南芥中,发现VfDGAT2基因表达量与总脂肪酸含量呈线性相关性。
阮成江等[18]研究表明TAG的生物合成与源基因“GPD1”和汇基因“DGAT”相关。GPD1基因是甘油酯合成通路中的关键限速酶基因,是油脂合成的“源基因”,具有调控TAG合成底物3-磷酸甘油含量的作用[9, 18];DGAT为甘油二酯酰基转移酶,是催化合成TAG的关键限速酶,也是植物油脂合成的“汇基因”[12, 18]。同时调控源汇基因的表达可提高植物种子含油率,解析二者的相互作用机制对提高油脂产量和品质具有重要作用。随后有学者将脂肪酸的生物合成形容为“推”,将脂肪酸组装合成TAG形容为“拉”[19],共同表达“推”和“拉”基因可明显提高油脂含量。因此,分析沙棘果肉油脂合成积累的源基因“GPD1”和汇基因“DGAT1和DGAT2”的表达与含油率的关系,对提高沙棘果肉油脂具有重要意义。
本研究以近缘高油品系‘TF2-36’和低油品系‘杂56’果肉为材料,分析不同时期的果肉含油率,利用qRT-PCR研究源基因“GPD1”和汇基因“DGAT1和DGAT2”的表达模式及其在高低油果肉中的表达差异,揭示高低油果肉的油脂合成积累与源汇基因表达的关系,为深入理解沙棘非种子组织(果肉)油脂合成提供科学依据。
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以‘TF2-36’(蒙古沙棘亚种)和‘杂56’(蒙古沙棘和中国沙棘杂交种)为试验材料,二者间基于ISSR标记分析的遗传相似系数为0.752[20],果实分别于2015年6月25日、7月6日、7月17日、7月28日、8月8日、8月19日、8月30日和9月10日采自黑龙江省农业科学院浆果研究所。各品系样品采自3株无性繁殖植株的多个部位,同植株果实混合,用锡纸包裹后置于液氮中速冻。样品运抵大连民族大学资源植物研究所,保存于-80℃冰箱备用。
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采用氯仿甲醇法[2, 21-22]测定不同时期沙棘果肉含油率:冷冻干燥的果肉粉末转移至玻璃试管中,加入甲醇和氯仿(均为色谱纯,Honeywell公司)漩涡混匀后超声30 min,上清液转移到新试管中,残渣用氯仿甲醇(体积浓度百分比2∶1)再次提取,合并的上清液加入其1/4体积的氯化钾溶液(质量浓度0.88%),收集下层液至玻璃样品瓶中,挥发至恒质量。含油率(%)=(m1-m2)/m×100;m1为油脂和玻璃样品瓶的质量/g;m2为玻璃样品瓶的质量/g;m为干燥样品粉末的质量/g,实验设3次生物学重复。
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参照柱式植物总RNA提取试剂盒(上海生物工程有限公司)方法提取沙棘果肉总RNA,根据PrimeScriptTM RT reagent Kit with gDNA Eraser试剂盒(大连宝生物公司)方法合成第一链cDNA[23]。本研究前期构建了沙棘种子、果肉、叶、茎和根转录组,获得了大量的功能基因注释以及差异表达基因信息。利用筛选获得的目的基因片段和PrimerQuest在线软件设计特异引物(表 1)。参照SYBR Premix Ex TaqTM Ⅱ(Tli RNaseH Plus)试剂盒(大连宝生物公司)方法和ABI7500 Real time PCR仪(美国Applied Biosystems公司)推荐程序进行qRT-PCR[11],以沙棘UBQ5为内参基因[4],采用2-ΔΔCt方法分析目的基因相对表达量[24]。实验设3次生物学重复。
基因名称
Gene name蛋白名称
Protein name引物序列primer sequences(5’→3’) 扩增长度The length of the amplification/bp 上游upstream 下游downstream UBQ5 泛素蛋白5 Ubiquitin 5 GGCGAGTTTGACCTTCTTCTT CCACCTTGTTCTTCGTCTCC 103 GPD1 甘油-3-磷酸酰脱氢酶1
Glycerol-3-phosphate dehydrogenaseAATCAACCGGACCAATGAAA CATGTTTGCATCCTTTGCTG 106 DGAT1 二酰甘油酰基转移酶1
Diacylglycerol acyltransferaseGCTGGTAGCATAATGTTGGTG AGGGAGATGTCCAACCCAAT 102 DGAT2 二酰甘油酰基转移酶2
Diacylglycerol acyltransferaseTCTTCTGGGGATTGTTTGGA CAAACTGACCATGTGCCTCA 132 Table 1. Gene names and primers for qRT-PCR
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利用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析和LSD法进行差异性检验,采用EXCEL2010进行作图。