麻疯树种子油体以及种子萌发的蛋白质组学研究

麻疯树（Jatropha curcas L.）属大戟科麻疯树属多年生亚乔木，耐干旱、高温和贫瘠等，具很强的抗逆性，在干热河谷等边际土地上生长良好。其种子富含油脂，是制备生物柴油的理想材料，为重要的能源植物之一。油体（oil body）是种子细胞中重要的细胞器, 脂肪酸以三脂酰甘油（triacylglyeerols，TAG）的形式储存其内，是种子萌发和幼苗生长时所需碳骨架和能量的主要来源。种子萌发为生命萌动并构建成自养个体的过程，是高等植物生长发育中的重要事件。 本论文运用高通量的蛋白质组学研究手段，结合电镜技术和生理学分析，对麻疯树种子油体以及种子萌发过程中蛋白质表达、生理学响应和细胞结构变化进行了研究。 从麻疯树种子胚乳中分离油体，再从油体中提取蛋白，经双向凝胶电泳后，得到油体蛋白质组的二维表达谱，这些蛋白质主要分布在等电点5 ~ 10、分子量12 ~ 66 kDa的范围内;图像分析表明，油体蛋白质组至少有141个蛋白点，其中酸性蛋白74个，碱性蛋白67���，表达丰度较高的多为低分子量碱性蛋白。对其中36个重要蛋白点进行LC-MS/MS质谱分析，得到鉴定的蛋白分别为30个基因的表达产物，主要包括油体重要的结构蛋白油质蛋白（oleosin）和caleosin，麻疯树种子毒蛋白curcin，以及新鉴定得到的另一种可能的麻疯树种子毒蛋白，人体过敏反应蛋白橡胶延伸因子（REF）。还有四个与脂肪酸代谢相关的酶，其中3-羟酰-酰基载体蛋白（ACP）脱水/催化酶和醇酰基转移酶与脂肪酸合成有关，而脂氧合酶和磷脂酶D���脂肪酸降解中发挥作用，显示部分脂肪酸代谢相关的酶在油体储存状态就已附着在油体上，为种子萌发时动员油脂做好了准备。 麻疯树种子胚乳发达，在32℃湿润土壤中很快就会萌动，胚轴伸长露出胚根，长出新根，约4天后形成出土子叶幼苗。种子萌发过程中胚乳主要成分含量测定表明，含水量在前24小时迅速上升，至48小时增加缓慢，此后开始较快上升，可分为三个阶段，呈现“S”型的变化;粗脂肪和粗蛋白在前两个阶段变化不大，进入第三阶段后其含量迅速下降，前者先于后者，分别在萌发后72小时和96小时后开始明显减少，说明被大量降解、转化，供萌发生长利用，其中主要组分亚油酸最为明显。细胞超微结构观察发现，排列整齐充满整个胚乳细胞的油体和嵌合在油体中的蛋白储存泡在种子萌发过程中，随着线粒体、乙醛酸循环体和液泡的出现增多或增大而被逐渐解体、减少或消失;同时，发现脂肪酸主要在乙醛酸循环体、蛋白颗粒主要在液泡中被降解或转化。 蛋白质组学分析表明，麻疯树种子在萌发72小时过程中变化量在两倍以上的差异蛋白点共有141个，所有的差异蛋白均通过LC-MS/MS分析和NCBI蛋白数据库搜索得到鉴定。其中包括多个参与降解储藏油脂的酶，如乙醛酸循环途径中的顺乌头酸酶，异柠檬酸裂解酶和苹果酸脱氢酶等，均从种子萌发48小时开始表达量明显上升;葡糖异生途径中的酶在种子萌发中的积累略晚于乙醛酸循环途径，如烯醇酶，磷酸甘油酸变位酶，磷酸甘油酸激酶，磷酸丙糖异构酶和醛缩酶大多在萌发约60小时后表达量开始上调。分析结果表明，乙醛酸循环途径在种子萌发48小时后被激活，与电镜观察胚乳细胞发现油脂在萌发48小时时开始被动员相一致，因而大规模的油脂动员开始于种子萌发的第三阶段。 同时，蛋白质组学的分析结果也得到了种子胚乳组分变化分析及电镜观察结果的印证。超微细胞结构观察显示种子储藏蛋白降解在萌发第二阶段启动，主要在液泡中进行降解。粗脂肪的含量在72小时时显著降低，而电镜观察显示此时胚乳细胞中出现中央大液泡，出现大量的线粒体和乙醛酸循环体，细胞结构发生重大变化，萌发96小时后仅有少量油体残留于胚乳细胞中，这些都为储藏油脂在麻疯树种子萌发过程中的降解方式提供了重要证据。许多其他的功能蛋白在种子萌发过程中也发生了变化，表明种子萌发过程中不仅发生储藏物质的动员，也发生抗逆反应以及植物形态的构建等众多其他生理生化反应。 本研究首次对麻疯树种子油体进行了蛋白组成分析，并结合电镜技术及生理分析深入探讨了种子储藏物质在萌发中的降解方式，为更好的理解油体结构、木本油料种子的萌发机制和对麻疯树进行品种的改良提供了参考。

羊草cDNA文库的构建及果聚糖水解酶的分离与鉴定

羊草(Leymus chinensis(Trin.) Tzvel.)又称碱草，隶属禾本科赖草属，是欧亚大陆草原区东部草甸草原及干旱草原上的重要建群种之一。作为一种兼具重要经济价值和生态价值的优良牧草，羊草受到了广泛的关注。但长期以来，对羊草的研究主要集中在生态学、生殖生物学方面，在分子生物学方面知之甚少。为了保存羊草基因资源，并在基因水平上研究羊草生物代谢的调控机理，本研究采用羊草根、叶片混合后做为材料，构建cDNA文库，并对文库中部分基因序列进行了分析。同时从中克隆获得羊草果聚糖水解酶全长基因并对这些基因进行了深入的生物信息学分析、转化毕赤酵母研究初步确定其功能，为深入了解羊草代谢的分子机制提供理论依据。主要结果如下： 1. 成功地构建了羊草根、叶混合cDNA文库，原始文库滴度达到4×106 pfu/ml，扩增文库滴度接近1011 pfu/ml ，重组率达97% 。PCR检测插入片段，均在0.5 kb到3 kb之间，l kb以上占68%。从文库中检测到了TC、γ-TMT、FEH基因，文库覆盖度达到要求且为PCR筛选文库提供了可能。 2. 随机挑取经检测过的597个单克隆进行测序，去除插入片段小于和污染序列后，获得了584条高质量的序列。所有584条EST序列与NCBI的核酸数据库比对时，有30.99%的EST序列与己知序列有很大的同源性：而与蛋白质数据库进行比对时，有61.27%的EST序列与已知序列有很大的同源性。核酸比对中，有32.87%的序列为未知功能新基因，而蛋白质比对结果只有11.27%的序列为未知功能新基因。其中获得5条全长基因。 3. 文库中测序得到果聚糖水解酶（FEH）片段，依据其核酸、蛋白序列，以羊草根茎为材料，结合果聚糖水解酶基因的保守序列设计引物，通过 RACE 方法，获得羊草果聚糖水解酶基因 Lc 1-FEH 的全长序列（2040bp），包含一个 1803bp 的开放阅读框，采用生物信息学方法对该基因编码蛋白质进行功能分析，该基因编码的氨基酸序列具有明显的果聚糖水解酶类蛋白特征(NDPNG，FRDP 和[WEC (V/P)D] 结构域)，其分子量为 66.8kD���等电点 pI 为 5.49，是一种酸性蛋白质。同源性分析结果表明Lc1-FEH与单子叶植物小麦、大麦和黑麦草细胞壁类酵素酶同源性最高，分别为89％、87％ 和72％。运用实时定量方法对Lc 1-FEH表达量在羊草发育各时期及不同逆境处理下进行测定，结果发现，幼苗中以叶中表达量最低，根茎中表达较高，成苗中花梗中的表达量最高；Lc1-FEH在转录水平明显受碱、ABA、SA及低温胁迫诱导，随着胁迫时间延长，表达量迅速增加，到达到最大值，之后表达水平逐渐降低，在盐、干旱的诱导下的表达量迅速降低。 4. 羊草果聚糖水解酶Lc1-FEH基因在毕赤酵母中的高效表达 将pMD-Lc1-FEH 质粒经双酶切后构建果聚糖酵母表达载体 pPICZα- Lc1-FEH 。将重组表达载体线性化后电击转化毕赤酵母Pichia pastoris X33，经抗生素 Zeocin 和酵母 PCR 筛选获得高效表达酵母工程菌。毕赤酵母表达的果聚糖水解酶蛋白经SDS-PAGE 分析表明Lc1-FEH表观分子量为 67 kD 左右。其最适反应 pH 值为 5.5，在 pH 值为 4.5~6.5 的范围内能保持较高的酶活力；表达Lc1-FEH的最适反应温度为 30 ℃；在温度在 20～30℃度范围内有较高的酶活。 Lc 1-FEH能够水解含有β-2，1糖苷键类型果聚糖：蔗果四糖、菊粉、6-蔗果三糖；而对β-2，6糖苷键类型果聚糖：6-蔗果三糖、新蔗果三糖、细菌类果聚糖及蔗糖基本不具水解活性。

北方农牧交错区土地利用（管理）方式对土壤氮素转化的影响

土壤氮素矿化是陆地生态系统氮素转化的重要组成部分。不同的土地利用（管理）方式会改变土壤氮素转化过程，影响土壤肥力的保持，进而可能造成土壤内氮素渗漏流失。为系统了解内蒙古农牧交错区土壤氮素转化的特点，本实验采用原位培养顶盖埋管法进行野外培养，每间隔一个月定期取样，于2004年7月-2006年10月在植物所恢复生态学实验站进行了两个试验，1：选择农牧交错区四种有代表性的土地类型（围封样地：FS，放牧样地：GS，弃耕地：AF，和农田：CF），比较土地利用方式之间氮素矿化的异同;2：在施肥样地通过不同施肥处理(F0: 1g N m-2, F1: 1g N m-2, F2: 2g N m-2, F3: 4g N m-2, F4: 8g N m-2, F5: 16g N m-2, F6: 32g N m-2, F7: 64g N m-2) 的土壤氮素转化动态，确定过度放牧的典型草原围封禁牧后，植被恢复过程中最适宜的施肥量。主要结论如下： 1. 与试验初期相比，整个非生长季围封样地、弃耕地和农田的铵态氮和无机氮含量逐渐降低，培养结束时铵态氮含量分别减少了67.04％，77.31％和70.54％，而放牧地的含量增加1.63％。围封样地、放牧地、弃耕地和农田的硝态氮含量分别增加了61.61%，376.43%，199.75%和133.16%。非生长季四种土地类型的土壤氮素转化速率主要受温度影响。围封样地、放牧地、弃耕地和农田非生长季矿化速率均值分别为-0.016，0.0429，-0.0051和-0.0030 μg g-1 d-1。硝化速率均值变幅为-0.43-0.17 μg g-1d-1。 2. 与没有冷冻而融化的土壤相比，冻融显著影响土壤无机氮含量的变化。只有在较低的土壤温度条件下冷冻以后，融化才会促进土壤氮素矿化。不同的冷冻时间长度下融化均会促进土壤硝化速率。土壤温度、土壤含水量变化是影响氮素转化速率的重要因子。 3. 四种土地类型的年日均矿化速率为放牧样地>农田>弃耕地>围封样地，分别为0.25，0.11，0.10，0.06μg g-1d-1，其年平均速率分别为11.65，5.50，5.00和2.46g m-2 y-1，而年日平均硝化速率分别为0.27，0.095，0.097和0.05μg g-1d-1。其中生长季日均矿化速率和日均硝化速率均为其年日均速率的两倍。因此，生长季形成的矿化氮是全年的93％，而形成的硝态氮占全年的86％。四种土地类型年均矿化氮的累积量平均为615.04 kg ha-1，而硝化作用的累积量变幅为230.44-1218.86 kg ha-1。四种土地类型的矿化速率和硝化速率的季节动态变化与气候因子的变化一致。 4. 不同施肥处理对典型草原土壤氮素转化均有显著影响。与对照相比，少量施肥（F1，F2）土壤铵态氮，硝态氮和无机氮含量分别减少20.57％，11.18％和17.18％。当施肥量大于F4（8g N m-2）时，随施肥量增加土壤铵态氮，硝态氮和无机氮含量增加18％-1191％。除F5（16g N m-2）外，与对照相比，随施肥量增加，土壤矿化速率增加了5-21倍。4 g N m-2 (F3)左右是典型草原生态系统比较合适的施肥量。 5. 氨气挥发速率的季节动态特征与气象因子的变化一致，其速率变幅为17.65 - 1228.39µg m-2 d-1，其中7月挥发量占全年的37％。与对照相比，少量施肥氨气挥发速率降低了1-2％，施肥量大于F3 (4g N m-2)，速率增加了1-4倍。实验期间总的流失量变幅为23.76-84.91mg m-2，而且通过氨气挥发流失量低于土壤全氮的3%。氨气挥发不是典型草原过量氮素流失的主要方式。 6. 氮素限制的典型草原，植被恢复过程中外源氮素添加阈值为：4 g N m-2 (F3)。与对照相比，短期施肥（3年）不会显著影响根系碳储量和土壤碳氮储量。施肥处理的土壤硝态氮和无机氮含量显著增加，说明施肥显著刺激硝化作用。典型草原60%植物根系主要分布在地下0-10cm，这里的碳储量占地下储量（0-50cm）的63%以上。随土壤深度增加，土壤全氮，全碳，无机氮储量降低。而铵态氮储量和可利用的无机氮含量随土壤深度增加，说明植物根系主要吸收利用上层可利用氮素，而且下层氮素矿化速率降低。

B itte r an d Sw e e t /Um am i Ta s te Re c ep to rs w ith D iffe ren tly Evo lu tio n a ry Pa thw ays

通过生物信息学和系统发育学分析,研究了苦味受体和甜味/鲜味受体的进化途径。结果显示,苦味受体 和甜味/鲜味受体在进化上具有远相关,并且具有不同的进化途径,提示这可能是导致这些受体具有不同功能,传 导不同味觉的原因。