青蒿素生物合成相关基因的功能分析及遗传转化研究

从中国传统药用植物青蒿（Artemisia annua L.）中提取的青蒿素及其半合成衍生物如蒿甲醚等是一类新型的抗疟特效药，特别是对抗氯喹的恶性疟疾和脑型疟疾有很好的疗效。由于青蒿素在植物中的含量极低，使得其价格很高，特别是对于亚非拉等第三世界国家来说。因此如何提高青蒿素的产量成为近年来研究的热点。各种传统的育种、生理生化手段和细胞培养技术均未取得较好的结果，因此，利用植物基因工程技术提高青蒿素产量已成为研究的重点之一。 本论文围绕青蒿素的生物合成途径开展了以下的工作： 一、中药青蒿紫穗槐二烯合酶的大肠杆菌表达、纯化与功能鉴定 利用RT-PCR方法，从中药青蒿高产株系001中克隆到的中药青蒿紫穗槐二烯合酶(ADS) cDNA, 其推测编码蛋白与前人报道的有两个位点的突变。将其开放阅读框插入到原核表达载体pET30a(+)的BamHⅠ和XhoⅠ酶切位点之间，构建N端携带有HIS6表达标签的紫穗槐二烯合酶重组表达载体pETADS。将pETADS转入大肠杆菌BL21(DE3)， IPTG (Isopropyl-beta -D-thiogalactoside)诱导重组紫穗槐二烯合酶的表达。表达产物经镍琼脂糖柱纯化。纯化蛋白加入酶促反应体系（含FPP），GC-MS分析酶促反应体系的正己烷萃取物，结果显示重组紫穗槐二烯合酶可以催化FPP向紫穗槐二烯的转化。体外酶促动力学分析表明，两个位点的氨基酸突变，并没有影响到青蒿紫穗槐二烯合酶的催化活性。基因组DNA杂交表明，紫穗槐二烯合酶基因在001株系基因组中至少有4个拷贝。 二、中药青蒿鲨烯合酶的大肠杆菌表达、纯化与功能鉴定 将经RACE方法克隆到的中药青蒿鲨烯合酶cDNA(AF302464) 开放阅读框的3'末端截短99 bp，插入到原核表达载体pET30a(+)的NcoⅠ和BamHⅠ酶切位点之间，构建N端和C端均携带有HIS6表达标签的鲨烯合酶重组表达载体pETSSA。将pETSSA转入大肠杆菌BL21(DE3)， IPTG (Isopropyl-beta-D-thio galactoside)诱导重组鲨烯合酶的表达。表达产物经镍琼脂糖柱纯化。纯化蛋白加入酶促反应体系（含FPP和NADPH），GC-MS分析酶促反应体系的正己烷萃取物，结果显示重组鲨烯合酶可以催化FPP向鲨烯的转化。青蒿鲨烯合酶的功能鉴定，为进一步利用反义或RNAi技术限制甾类生物合成，从而提高青蒿中的青蒿素含量提供了基础。 三、中药青蒿法呢醇合酶原核表达、纯化与功能鉴定 将经RACE方法克隆到的中药青蒿倍半萜合酶cDNA ( AF304444) 开放阅读框插入到原核表达载体pET30a(+)的NcoⅠ和BamHⅠ酶切位点之间，构建N端和C端均携带有HIS6表达标签的重组表达载体pET30SESQ。将pET30SESQ转入大肠杆菌BL21(DE3)， IPTG (Isopropyl-beta-D-thioga lactoside)诱导蛋白表达，表达产物经镍琼脂糖柱纯化。纯化蛋白加入酶促反应体系（FPP），GC-MS分析酶促反应体系的正己烷萃取物，结果显示此重组酶可以催化FPP向法呢醇的转化。 四、中药青蒿FPS、ADS双功能酶基因的构建、表达与功能鉴定 将青蒿素生物合成途径中催化两步连续反应的酶：法呢基焦磷酸合酶和紫穗槐二烯合酶的基因进行融合，经大肠杆菌表达后鉴定融合蛋白的功能，结果表明融合蛋白具有了双功能酶活性。进一步将融合酶基因转入酿酒酵母中，发酵后检测紫穗槐二烯的含量，并与同时转入法呢基焦磷酸合酶和紫穗槐二烯合酶单个基因的酵母、单独转入紫穗槐二烯合酶基因的酵母进行了比较，结果表明，转入双功能酶的酵母发酵获得的紫穗槐二烯含量要比两个对照酵母高，这表明，获得的双功能酶的催化效率要比两个单独酶的催化效率高。 五、过量表达青蒿紫穗槐二烯合酶对青蒿中青蒿素及其前体物含量的影响 利用根癌农杆菌介导，将青蒿紫穗槐二烯合酶转入青蒿株系001，分子检测证明，紫穗槐二烯合酶整合到了青蒿基因组中并在mRNA水平得到了高效表达。部分转基因青蒿的青蒿素含量有明显增加，最多的比001株系提高了41%。青蒿酸和二氢青蒿酸含量测定表明，转基因青蒿株系的青蒿酸和二氢青蒿酸含量最多的比对照分别提高了47%和79%。这些结果表明，紫穗槐二烯合成在青蒿素生物合成途径中是一个限速步骤，同时，也显示青蒿酸或二氢青蒿酸的进一步转化也可能是青蒿素生物合成中下游的限速步骤。

水母雪莲DFR基因的克隆及其正义和反义植物表达载体的构建

水母雪莲（Saussurea medusa Maxim.）为多年生菊科植物，是我国珍稀药用资源。所含的主要生物活性成分是黄酮类物质，具有抗炎、镇痛、免疫抑制及抗氧化等功效。但由于水母雪莲生长环境特殊，生长缓慢，人工引种困难;加上长期掠夺性采挖，造成其野生药用资源短缺，已经不能满足市场的需求。近年来,世界上掀起了植物药开发的热潮,植物药以其天然低毒的特点倍受关注,而黄酮类化合物更是以其广谱的药理作用引人瞩目。 黄酮类化合物的合成代谢途径在植物界进化过程中很保守，黄酮类生物合成途径中的相关酶也已得到确证并进行了系统的研究。二氢黄酮醇-4-还原酶（Dihydroflavonol-4-reductase, DFR）是一个处于花色素或者原花色素合成途径中的关键酶，它与黄酮合成途径中的黄酮醇合成酶（flavonol synthase）竞争底物。本研究以水母雪莲为研究对象，根据近缘物种DFR基因的保守核苷酸序列设计兼并引物，通过PCR技术，从已经建立的水母雪莲红色愈伤组织cDNA文库中筛选到一个编码该酶的cDNA序列，该序列全长1166个碱基对。根据生物信息学分析，此cDNA编码342个氨基酸;Blastp分析结果显示，该氨基酸序列与同科植物翠菊（Callistephus chinensis）的相似性最高，达87%;SWISSMODEL软件预测其蛋白的三级结构与葡萄(Vitis vinifera)的十分相似，活性中心的关键氨基酸残基也完全一致。据此可以断定，我们所得到的cDNA为编码二氢黄酮醇还原酶的基因，并命名为水母雪莲二氢黄酮醇还原酶基因(SmDFR）。为了得到SmDFR的DNA序列，我们又设计特异引物，从水母雪莲的基因组中扩增出了由1871个碱基对组成的DNA序列，该序列包含五个内含子和六个外显子。 为了提高水母雪莲和大苞雪莲中黄酮类物质的含量，我们构建了SmDFR的反义植物表达载体，利用根癌农杆菌介导进行基因转化。通过改变影响农杆菌转化的实验条件包括外植体来源、农杆菌菌株、细菌浓度、外植体预培养时间、侵染时间和乙酰丁香酮的浓度进行转基因试验，目前尚未得到转基因植株。另外，我们构建了SmDFR正义植物表达载体，通过对拟南芥(Arabidopsis thaliana) DFR基因突变体和矮牵牛(Petunia hybrida)进行基因转化，来验证SmDFR的功能;目前，此实验尚在进行之中。

利用多基因转化技术培育重金属超富集植物的研究

植物耐受和积累重金属的细胞学基础是植物细胞内存在一些能够络合和区隔化金属离子的机制。细胞中络合重金属离子最重要的小肽分子是谷胱甘肽(GSH)和植物络合素(PCs)，而YCFⅠ基因编码的ABC-type 液泡膜转运蛋白负责将重金属离子及其与上述小肽形成的复合物转运进入细胞液泡中，即将重金属离子区隔化。植物细胞中合成GSH 和PCs 的关键酶分别是γ－谷氨酰氨半胱氨酸合成酶(GSHⅠ)和植物络合素合酶(PCS)，他们的编码基因分别为GSHⅠ 和PCS 。此外定位于细胞质中的小囊泡上且对二价阳离子的吸收和转运有重要作用的SMF2 蛋白可能也参与重金属离子的区隔化过程。 为了改良植物使之能够应用于清除土壤中的重金属污染，本研究基于植物耐受和积累重金属的细胞学机制，分别将酿酒酵母来源的GSHⅠ、YCFⅠ和SMF2 基因，以及GSHⅠ、YCFⅠ基因分别与镉抗性植物大蒜来源的AsPCSⅠ 基因构建为不同的基因组合表达载体，转化模式植物拟南芥。对不同组合转基因拟南芥的功能分析表明： 1、酵母来源的基因GHSⅠ、YCFⅠ分别在拟南芥中异源超表达可以在一定程度上提高转基因拟南芥耐受、积累重金属的能力;其中GSHⅠ基因在拟南芥超表达可以提高转基因拟南芥合成GSH 的能力，转基因拟南芥细胞中GSH 浓度比野生型增加。 2、将GSHⅠ基因和来自大蒜的AsPCSⅠ基因同时在拟南芥中超表达能够显著提高转基因拟南芥耐受和积累重金属的能力，且积累和耐受能力显著高于分别转GSHⅠ或AsPCSⅠ的单价转基因株系;将YCFⅠ基因和AsPCSⅠ基因同时在拟南芥中超表达也能够显著提高转基因拟南芥耐受和积累重金属的能力，且积累和耐受能力显著高于分别转YCFⅠ或AsPCSⅠ的单价转基因株系。两种双价转基因株系GSHⅠ＋AsPCSⅠ和YCFⅠ＋AsPCSⅠ在积累和耐受不同重金属胁迫方面没有明显差别。 3、将SMF2 基因在拟南芥中异源表达，研究了植物中囊泡转运是否参与了重金属离子的吸收和区隔化过程。研究结果表明：超表达SMF2 基因的拟南芥尽管耐受重金属胁迫的能力与野生型没有明显差异，但其积累重金属的能力显著提高。这为证明植物中小囊泡转运参与重金属转运提供了间接证据。 综上所述，同时将多个参与植物对重金属络合、转运和区隔化作用的关键基因在转基因植物中表达可以提高植物耐受和积累重金属的能力，是培育可用于植物修复的新型工程植物的值得探索的途径。本论文所设计和构建的双价基因组合及其对目标植物的转化，在环境重金属污染的清除中有潜在的应用价值。

青蒿素生物合成相关基因对烟草遗传转化的研究

　　青蒿素是存在于中药青蒿(Artemisia annua L.)中的一种含有过氧桥的倍半萜内酯化合物，是中国科学家研发出的当今最有潜力的抗疟药剂，较传统抗疟药很少或无毒副作用，因此青蒿素的生产备受人们关注。目前，青蒿素的生产主要以植物提取为主，但由于青蒿植株中青蒿素的含量很低（约占干重的0.01%～0.8%），从而导致青蒿素价格昂贵，使许多贫困地区的疟疾患者无法得到医治，故提高青蒿植株中青蒿素的含量或扩大青蒿素的来源，降低生产青蒿素的成本具有重要的意义。　　 　　本论文基于扩大青蒿素的来源和提高青蒿植株中青蒿素含量的目的，开展了以下两方面的工作： 一、紫穗槐二烯在烟草中组合生物合成的研究 　　紫穗槐二烯合酶（amorpha-4,11-diene synthase，ADS）是青蒿素生物合成的关键酶之一，为了能在烟草中合成青蒿素的前体，本研究将青蒿的紫穗槐二烯合酶基因置于CaMV 35S启动子控制下，通过根癌农杆菌介导转入烟草（Nicotiana tobacum L.），并获得了转ADS基因烟草植株。经PCR及Southern杂交分析表明，ADS基因已经整合到转基因烟草基因组中；RT-PCR及对转基因烟草中ADS酶活性和产物中紫穗槐二烯和植物甾醇的测定分析，进一步证明整合的ADS基因在转录、翻译水平上均已经表达。上述结果表明，利用基因工程将青蒿素生物合成途径的关键酶基因导入植物，转基因植物中能够合成青蒿素的前体，这一研究结果为利用转基因植物生产青蒿素或其前体奠定了基础。 二、青蒿鲨烯合酶双链干涉基因对烟草的遗传转化研究 　　鲨烯合酶（squalene synthase, SQS）是甾醇类生物合成分支途径的关键酶之一，利用RNA干扰技术(RNA interference，RNAi)抑制目标基因表达的技术已日趋成熟。本文根据植物中hpRNA(hairpin RNA)的原理，在与烟草SQS同源性高达80％的青蒿ASQS序列的5/端保守区选择622 bp作为构建RNAi的序列，借助中间克隆载体，经过三次亚克隆，最后形成含ASQS－RNAi表达盒的双元表达载体pART27－ASQS，并转入农杆菌EHA105。采用农杆菌介导的烟草叶盘转化法，共获得了12棵转基因植株。转基因植株经过PCR和PCR-Southern blotting 检测，证实外源ASQS基因已经导入烟草中，并已经成功整合到烟草基因组中；通过RT-PCR分析说明，转基因烟草中SQS基因的表达已被成功抑制，部分转基因植株中内源SQS的干扰效果高达90％以上。对SQS的直接产物鲨烯和最终产物植物甾醇的检测显示，转基因烟草的植物甾醇和鲨烯的含量明显低于对照。本实验的结果为下一步将此RNA干扰载体导入青蒿，抑制青蒿中ASQS基因的表达，从而提高青蒿素的含量提供了可能。

中药青蒿紫穗槐二烯合酶基因表达及调控的研究

青蒿素是从我国传统药用植物中药青蒿（Artemisia annua L.）中提取的新型抗疟特效药，其生物合成途径属于植物类异戊二烯代谢途径。目前，青蒿素生物合成的组织部位及其调控机制仍不完全清楚。紫穗槐二烯合酶（amorpha-4， 11-diene synthase, ADS）作为青蒿素生物合成分支途径的第一个关键酶，催化倍半萜化合物的通用前体法呢基焦磷酸环化，生成紫穗槐二烯。本论文通过对ADS 表达特性的分析，研究了青蒿素生物合成的组织特异性及其调控机制，主要研究结果如下： 一．紫穗槐二烯合酶基因启动子功能的研究 从青蒿高产株系001 中克隆得到了2850 bp 的ADS 启动子调控区。通过比较5’RACE 的测序结果与启动子序列，确定转录起始位点位于翻译起始位点上游44 bp，TATA 盒下游27 bp。该启动子序列包含的顺式作用元件有脱落酸应答元件(ABRE )、乙烯应答元件(ERE)、生长素应答元件(AUXRE）等植物激素反应元件，以及低温应答元件（LTRE）、高温应答元件（HSE）等与逆境有关的反应元件，还有与真菌诱导有关的W-box 元件等。将不同长度ADS 启动子与报告基因GUS 融合，构建了植物表达载体，通过农杆菌介导的方法获得稳定整合的转基因烟草。经过组织化学、GUS 荧光活性检测及RT-PCR 分析，发现该启动子的转录活性很低，无法通过GUS 染色进行观察。GUS 荧光活性检测及RT-PCR 结果表明，转录起始位点上游346 bp 是ADS 基础表达所必需的。高温、低温、干旱、水杨酸、茉莉酸甲酯等处理均能促进青蒿中ADS 的表达，而脱落酸和乙烯的作用效果较小，与启动子序列分析的结果并不完全一致。 二．紫穗槐二烯合酶基因表达特性的研究 以青蒿高产株系001 为材料，在基因和蛋白水平揭示了ADS 的表达特性。RT-PCR 和Western 分析结果表明，ADS 在幼叶和花蕾中大量表达，在老叶和完全开放的花中表达量很低，而在青蒿的根和茎中几乎检测不到ADS 的表达。石蜡切片和整体原位杂交的结果表明，ADS 在顶端分生组织、叶原基及分泌腺毛中表达，在非分泌的T 型腺毛中不表达。当叶片完全展开后，ADS 只在分泌腺毛中表达，而且随着叶片的生长和老化，ADS 的表达量逐渐减少。另一个非常有趣的发现是同一叶片上的分泌腺毛，有些有ADS 的表达，有些则没有。用强光、低温、高温和水杨酸等因素处理后，有ADS 表达的分泌腺毛的比例没有明显的变化。 三．外源水杨酸促进青蒿素的生物合成 研究了外源水杨酸对青蒿素生物合成的影响，结果表明：1 mM 水杨酸处理后，青蒿叶片中的游离态水杨酸含量快速增加，处理后4 h 达到 0.79 μg g-1 FW，是对照的3.5 倍。外源水杨酸能够抑制青蒿中过氧化氢酶活性，提高抗坏血酸过氧化物酶活性，并通过对抗氧化酶活性的抑制引起青蒿体内活性氧水平的迅速升高。在处理后4 h，青蒿中H2O2 和O2-的含量分别达到对照的2.1 倍和2.4 倍。青蒿素含量在水杨酸处理后的前8 h 缓慢升高，随后升高的速度增加。外源水杨酸处理后8 h 和96 h，青蒿素含量分别达到9.1 mg g-1DW 和13.9 mg g-1DW，比对照高21.7%和75.8%。处理后8 h，青蒿酸的含量没有明显变化，随后开始增加。处理后16 h，青蒿酸的含量达到3.6 mg g-1DW，比对照高90%， 随后继续升高，至96 h 达到4.98 mg g-1 DW，比对照高127%。二氢青蒿酸的含量在处理后的8 h 内有所下降，随后缓慢升高。处理后8 h，二氢青蒿酸的含量降低了23.3%，随后二氢青蒿酸的含量开始升高，在处理后96 h，达到7.4 mg g-1DW，比对照高72.1%。外源SA 处理提高了青蒿素及其前体的总含量，在处理后1、2、4 天分别比对照提高了1.3、1.5 和1.8 倍。Northern 结果表明，水杨酸强烈诱导了青蒿素生物合成基因HMGR、ADS 的表达，但是对FPS、CYP71AV1 的诱导作用较小。这些研究结果表明，外源水杨酸至少通过两条途径诱导青蒿素的生物合成：一是通过诱导活性氧的产生促进二氢青蒿酸向青蒿素的转化；二是上调部分青蒿素生物合成相关基因的表达。根据这一研究成果，在青蒿田间栽培中，可以在收获前通过喷施水杨酸来快速、有效和低成本地提高青蒿素产量。

Ⅰ 虎杖聚酮类化合物生物合成相关基因的克隆及功能分析 Ⅱ 高山红景天酪醇生物合成代谢途径机制分析

Ⅰ 虎杖聚酮类化合物生物合成相关基因的克隆及功能分析 虎杖 (Polygonum cuspidatum Sieb. et Zucc) 属于蓼科蓼属多年生草本植物，在中国和日本民间曾被广泛用于动脉粥样硬化、高血压、咳嗽、化脓性皮肤炎以及淋病的治疗，具有祛风利湿、散瘀定痛、止咳化痰等功效。而在现代医学上最令人瞩目和具有发展前景的是其在抗肿瘤、心血管保护、抗氧化方面的作用，相关疗效主要来自于虎杖中结构迥异、种类丰富的聚酮化合物及其衍生物资源。这些聚酮类化合物主要包括蒽醌、大黄素、大黄素-甲醚、大黄酚、芪类以及类黄酮化合物等。其中，大部分聚酮类化合物生物合成途径机制尚不明确，但可以肯定的是植物类型III聚酮合酶type III polyketide synthases (PKSs) 在这些聚酮化合物的生物合成起始反应中行使着关键的作用。因此，除了我们所熟悉的类黄酮化合物、芪类化合物之外，进一步分离和分析虎杖中其它重要聚酮类化合物生物合成所涉及的类型III聚酮合酶基因的是非常值得期待的。 目前，已经有14个植物类型III PKS基因被克隆和功能分析。植物类型III PKS的共同特征包括基因结构、序列相似性、保守的活性中心、酶学性质以及共同的催化机制等。显花植物（裸子植物和被子植物）中，植物类型III PKS的基因结构绝对保守，除了一个早期报道的金鱼草（Antirrhinum majus）查尔酮合酶chalcone synthase (CHS) 含有第二个内含子外，迄今为止所有已知的植物类型III PKS基因均含有一个内含子且该内含子位置保守。有趣的是，在本研究中，两个含有3个内含子的类型III PKS基因从虎杖中被分离，且两个基因3个内含子的位置完全保守，这是三内含子类型III PKS基因首次得到分离。除了新奇的基因结构外，体外功能分析显示上述两个基因还具有特殊的酶学性质和功能。 本论文围绕上述2个三内含子基因开展了以下工作： 虎杖中一个由三内含子基因编码的新型类型III聚酮合酶 一个类型III PKS的cDNA及其相应的基因（PcPKS2）从药用植物虎杖中被克隆。序列分析结果表明，PcPKS2的开放阅读框被3个内含子分隔，这是一个出人意料的发现，因为截至到目前为止，除了金鱼草一个CHS基因外，所有已知的类型III PKS基因均在固定位置上含有一个内含子。除了特殊的基因结构外，PcPKS2显示了一些有趣的特性：(i) CHS“守卫”苯丙氨酸——Phe215和Phe265在PcPKS2中双双缺失，它们分别被亮氨酸和半胱氨酸取代;(ii) 体外功能分析结果表明，当酶促反应体系的pH值为6.5-8.5时，大肠杆菌中过表达的重组PcPKS2高效地合成丁烯酮非环化产物——4-香豆酰甘油酸内酯（4-coumaroyltriacetic acid lactone (CTAL)）为主产物，而丙烯酮非环化产物bis-noryangonin (BNY) 以及苯亚甲基丙酮为副产物;而当酶促反应体系的pH值为9.0时，PcPKS2高效地合成苯亚甲基丙酮为主产物，而CTAL、BNY为副产物。另外，除了上述3种产物外，在不同的pH条件下，还有痕量的柚皮素查尔酮能被检测到。此外，在4-香豆酰辅酶A（4-coumaroyl-CoA）的类似化合物中，除了4-香豆酰辅酶A外，只有feruloyl-CoA能够被PcPKS2接受作为起始底物。PcPKS2不接受脂肪酰辅酶A——异丁酰基辅酶A（isobutyryl-CoA）、异戊酰基辅酶A（isovaleryl-CoA）以及乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为起始底物。Southern blot杂交结果表明，在虎杖基因组中存在2-4个PcPKS2基因的拷贝。Northern blot杂交结果表明，在根茎和幼叶中，PcPKS2表达量很高，而在根中无表达。叶中的PcPKS2的表达受病原菌诱导，但不受伤诱导。 虎杖中一个编码双功能类型III聚酮合酶的三内含子基因的鉴定 显花植物中，所有已知的类型III PKS 基因均含有一个内含子且位置绝对保守。本研究中，综合运用PCR技术，从富含聚酮类化合物的植物虎杖中克隆得到一个类型III PKS 基因（PcPKS1）及其cDNA。序列分析结果表明，PcPKS1含有3个内含子。系统发育分析结果表明，PcPKS1与其它植物的CHSs归为一类。然而，体外功能分析结果表明，当酶促反应体系pH值为7.0时，大肠杆菌中过表达的重组PcPKS1高效地合成柚皮素查尔酮（naringenin）为单一产物;而当pH值为9.0时，苯亚甲基丙酮（p-hydroxybenzalacetone）几乎为重组PcPKS1的唯一产物。后续的研究表明，与典型的CHSs相比，PcPKS1具有另外一些不同的特点：在pH值为9.0时（PcPKS1的苯亚甲基丙酮合成活性最适pH值），在4-香豆酰辅酶A的类似化合物中，只有feruloyl-CoA能够被PcPKS1接受作为起始底物。与CHSs展现出的对脂肪酰辅酶A宽泛的底物特异性不同，在不同的pH条件下，PcPKS1不接受异丁酰基辅酶A（isobutyryl-CoA）、异戊酰基辅酶A（isovaleryl-CoA）以及乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为起始底物。以上数据指出重组PcPKS1是一个具有查尔酮合酶（CHS）和苯亚甲基丙酮合酶（BAS）活性的双功能酶。Southern blot杂交结果表明，在虎杖基因组中存在2-4个PcPKS1基因的拷贝。Northern blot杂交结果表明，PcPKS1可能在防御病原菌和草食动物方面起着重要作用。PcPKS1和PcPKS2共同从虎杖中被分离的事实极有可能暗示了苯丁烷类化合物（phenylbutanoid）及其衍生物存在于虎杖中。 Ⅱ 高山红景天酪醇生物合成代谢途径机制研究 高山红景天（Rhodiola sachalinensis A. Bor）是景天科（Crassulaceae）红景天属多年生草本植物，作为一种适应原性中草药在中国的应用史已经超过800年。最近红景天提取物作为一种重要的商业药用制剂资源，其应用遍及欧洲、亚洲和美国，其主要治疗范围包括抗变应性和消炎，提高心理机敏性等。目前已经非常明确，红景天甙（salidroside）和甙元酪醇（tyrosol）是红景天属植物的主要功效成分，主要分布于这类植物的根中并且具有抗缺氧、抗疲劳、延缓衰老、预防紫外线辐射伤害等功效。红景天甙为酪醇8-O-β-D葡萄糖甙，是酪醇在葡萄糖基转移酶UDP-glucosyltransferase (UGT) 的催化下糖基化后形成的，可以认为是酪醇在植物体内的贮存形式。酪醇作为一种重要的活性分子，同样存在于橄榄树和葡萄酒中。 虽然已经非常明确酪醇来自于莽草酸代谢途径，然而其具体的生物合成途径及其调控仍不明确。总结以往的报道，在酪醇的生物合成上主要存在两种观点：一是酪醇可能来自于苯丙烷代谢途径产生的4-香豆酸（4-coumaric acid）前体;二是来自于酪氨酸的酪胺（tyramine）可能是酪醇生物合成的直接前体。我们的工作兴趣主要围绕着鉴别高山红景天中的酪醇生物合成途径展开： 高山红景天内源苯丙氨酸解氨酶PALrs1的过表达对红景天甙积累的影响 红景天甙是来自于药用植物高山红景天的一种适应原性新型药物，其生物合成途径可能起始于苯丙氨酸或酪氨酸。由于高山红景天野生植物资源的匮乏和相对含量很低，阐明红景天甙的生物合成途径对于增加红景天甙的供给至关重要。在我们以前的工作中，运用cDNA末端快速扩增技术（RACE），一个编码苯丙氨酸解氨酶phenylalanine ammonia-lyase (PAL)的cDNA从高山红景天中被克隆，命名为PALrs1。在本研究中，PALrs1置于35S启动子+Ω增强子序列的控制下通过农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导法转化回高山红景天。PCR 和 PCR–Southern blot分析结果表明，PALrs1已经整合到了转基因植物的基因组上。Northern blot杂交结果表明，PALrs1已经获得在转录水平上的高水平表达。与预期的结果相同，高效液相色谱High-performance liquid chromatography (HPLC)测定结果显示PALrs1的过表达引起4-香豆酸含量增长3.3倍。然而，与之相反的是，酪醇和红景天甙含量与对照相比反而分别下降4.7和7.7倍。此外，我们发现PALrs1的过表达造成酪氨酸含量下降2.6倍。这些数据暗示着PALrs1的过表达和4-香豆酸的积累并不能促进酪醇的生物合成。酪醇，作为一种苯乙烷类衍生物并非来自苯丙氨酸，而酪氨酸含量的下降则极有可能是酪醇生物合成和红景天甙积累大规模下降的直接原因。

两种完熟相关基因反义RNA在转因番茄中的表达及其对果实完熟的仰制作用

植物激素乙烯作为一种信使分子调节控制果实完熟。ACC合成酶是植物体内乙烯生物合成途径的限速酶，其反义RNA的表达将能有效地抑制乙烯的生物合成而延缓果实完熟，利用反转录PCR技术克隆获得了ACC合成酶多基因家族成员之一LE-ACC2阅读框架约1.7kb的cDNA，经酶切图谱和序列分析鉴定无误后，反向连入植物表达载体pBin437中构建成组成型表达ACC合成酶反义RNA的双元载体。经农杆菌途径转化番茄“丽春”品种，获得了60株抗卡那再生杭株，PCR检测证明有6株为转基因植株，Southern杂交和Northern杂交分析进一步确证了外源基因的插入及其转录活性。反义番茄果实的乙烯释放受到明显抑制，表现出更好的耐储保鲜特性，并且与对照相比，在果实品质上没有明显差别。大田培育Fl和F2代转化番茄植株，反义番茄纯合品系的筛选工作正在进行之中。 同时，本研究利用已经获得的ACC合成酶和PG的cDNA克隆，构建了两个嵌合转化基因载体pPGACC1、pPGACC10，它包括1300bp的ACC合成酶cDNA编码序列，并分别含有反向与正向的250bp的5’端PG基因片断。酶切图谱和序列分析鉴定无误后，以pBin437为植物表达载体构建了双元载体pBPGACC1和pBPGACC10，分别表达PG正义RNA和反义RNA，并均表达ACC合成酶反义RNA。经农杆菌转化番茄子叶，植株的再生培育有待进行。通过对转基因植物的分析，我们期望阐明用单一嵌合基因表达载体通过反义抑制与抑制作用实现对内源两同源基因——PG和ACC合成酶下降调节的可能性，并可望得到具有更好耐储效果且品质优良的番茄品系。

小麦杂交坏死蛋白质组学研究

小麦杂交坏死是某些小麦杂交种表现出的叶片提前逐渐死亡的现象。它是由两个坏死基因Ne1和Ne2在杂交种中相遇后发生显性互补引起的。坏死从叶片尖端逐渐过渡到叶片基部，从成熟叶片发展到幼嫩叶片。一些严重坏死的F1完成它的生活周期前就在不同的生长阶段死去，无法获得F1种子，这就限制了携带优良性状的亲本的选择和优良基因的交流。另外，小麦杂交坏死是一个独特的研究植物程序性死亡的遗传系统。虽然小麦杂交坏死这种现象已经发现很多年，但其详细的分子机理却仍然未知。对小麦杂交坏死的分子机理进行深入研究将有助于克服小麦杂交利用中杂交坏死的遗传障碍，此外，也为深入研究植物的PCD机理提供可操作靶分子。 本论文采用高通量蛋白质组研究技术对小麦杂交坏死进行了研究。携带坏死基因Ne2的小麦品种Pan555（P）和携带坏死基因Ne2的小麦品种Zheng891（Z）生长发育完全正常，将两个亲本杂交，所得杂交F1代PZF1表现杂交坏死。在小麦生长阶段8，旗叶（Flag leaf）刚刚出现，PZF1的旗叶下第一片叶子（FL-1）还是完全绿色，FL-2叶尖开始有坏死斑出现。在这个阶段，分别将PZF1，P，Z的FL-2叶剪成相等的尖，中，基三段。我们选择的PZF1的FL-2叶，其叶尖段已经有成片的坏死斑出现;中间段零星出现少量坏死斑点;基部段和亲本一样还是完全的绿色，代表坏死进程中的不同阶段。又选PZF1的FL-1和FL-2分别代表杂交坏死启动前和杂交坏死启动后。两个亲本P和Z的FL-2叶的三段及FL-1叶正常，都是完全绿色。 首先分别分析了PZF1，P和Z的FL-2叶的尖、中、基三段的蛋白表达情况。在PZF1的尖、中、基三段共检测到23个差异表达蛋白点。这23个点在两个亲本的尖、中、基三段中的表达丰度没有显著差异（p<0.05），说明这23个蛋白的差异表达不是由于叶段的不同引起，确与杂交坏死相关。对这23个蛋白进行了MALDI-TOF质谱鉴定，其中18个得到成功鉴定。然后对PZF1，P和Z的FL-1叶和FL-2叶的蛋白表达情况进行了分析。与PZF1的FL-1叶比较，在FL-2叶中检测到19个蛋白上调，20个蛋白下调。这39个蛋白的丰度在两个亲本的FL-1和FL-2叶之间没有显著差异，说明这39个蛋白的差异表达不是由于叶位的不同引起，确与杂交坏死相关。对这39个蛋白进行质谱鉴定其中26个得到成功鉴定。 根据被鉴定蛋白的功能及其表达丰度的变化，对这些蛋白在小麦杂交坏死中可能的作用进行了讨论。与PZF1的FL-2叶基部相比，S-腺苷同型半胱氨酸水解酶（S-adenosyl homocysteine hydrolase）在中部极显著（p<0.01）下调，而在中部和尖段之间没有显著差异，保持低丰度不变。腺苷甲硫氨酸3（AdoMet synthase 3）和甲硫氨酸合成酶1（Methionine synthase 1）都在PZF1的FL-2叶尖段上调。甲基化循环中的这3个酶比例的不协调可能会以不同的方式加速细胞老化。 与PZF1的FL-1叶比较，尿卟啉环脱羧酶（Uroporphyrinogen decarboxylase）在FL-2叶中下调，这将引起尿卟啉环III的积累。脂加氧酶（Lipoxygenases）在FL-2叶中上调。尿卟啉环III的积累和脂加氧酶的上调都会引起细胞内活性氧的增加。另外活性氧和脂加氧酶都会使脂发生过氧化作用，进而导致细胞膜完整性受到破坏，最终可能导致细胞死亡。 与基部段比较，在PZF1的FL-2叶的尖段和/或中间段;以及与PZF1的FL-1叶比较，在FL-2叶中，都有很多防御性蛋白的上调，这暗示应对活性氧、脂过氧化、甲基化循环中三个酶比例的不协调等引起的对细胞的破坏作用，细胞可能启动了抗细胞死亡系统来应对这种细胞内部的胁迫。 然而，与基部段比较，一些能量相关蛋白在PZF1的FL-2叶的尖段和/或中间段;以及与PZF1的FL-1叶比较，在FL-2叶中的异常表达可能会以干扰能量循环的方式加速细胞死亡。另外，与FL-2基部段比较，在尖段和/或中间段，以及与PZF1的FL-1比较，在FL-2中，都有一些防御性蛋白、蛋白合成相关的蛋白以及单链DNA结合蛋白下调，它们的变化可能会降低细胞的抵抗力，蛋白合成能力以及DNA修复能力。细胞正常代谢的很多方面都受到干扰从而使PZF1叶细胞最终走向死亡。 本研究中发现了三个甲基化循环中的酶变化，而且S-腺苷同型半胱氨酸水解酶是在坏死进程的较早阶段发生下调，它的变化可能是小麦杂交坏死的一个诱因，这暗示小麦杂交坏死可能是一个表观遗传学事件。另外本研究还发现一些和活性氧，脂氧化等相关的蛋白的变化，而活性氧增加和脂氧化都是细胞凋亡的典型特征。所以本研究为表观遗传细胞凋亡和氧化胁迫细胞凋亡的研究提供了很有价值的信息。

一氧化氮在磷酸盐调节拟南芥根系形态变化中的作用

磷缺乏已成为制约世界农业生产的重要因子。植物根系的大小和形态是决定植物吸收土壤磷能力的重要因素，而且根系的生长发育与磷素的分布及其有效性密切相关。关于磷酸盐调节植物根系生长研究已有很多报道，但其生理和分子机制仍不清楚。一氧化氮 (NO) 是一种重要的气体信号分子，参与调控植物的生长发育和对多种逆境胁迫的应答反应。本文选用拟南芥为实验材料，研究探讨了NO与缺磷诱导的拟南芥根系形态变化之间的关系，主要结果如下： 用正常磷水平 (1 mM) 和低磷水平 (1 µM) 处理拟南芥幼苗，发现低磷抑制主根伸长，刺激侧根发生。外源NO供体销普纳 (SNP) 也抑制主根、刺激侧根生长，与低磷诱导根系形态变化相似。NO清除剂c-PTIO和一氧化氮合成酶 （NOS）抑制剂L-NNA均可部分减缓由低磷引起的对主根生长的抑制和对侧根的刺激作用。暗示低磷诱导的拟南芥根系形态的变化可能与NO含量的降低有关。 利用NO荧光标记物DAF-FM和激光共聚焦显微成像技术，本研究发现缺磷6 h和24 h后根细胞内源NO含量显著增加，而且NOS 抑制剂能减少低磷诱导的根细胞NO含量的增加。与正常供磷处理相比，低磷处理6 h和24 h，拟南芥根中编码与NO合成相关的基因（AtNOA1）的表达量增加，缺磷24 h后根中NOS酶活性升高。为了明确低磷诱导的NO 增加是否与硝酸还原酶（NR）介导的NO合成有关，本论文进一步研究了低磷对拟南芥硝酸还原酶活性和编码NR基因 （AtNR1和AtNR2）表达的影响。研究发现低磷处理6 h和24 h后和AtNR1和AtNR2基因的表达均没有变化，且蛭石中生长的拟南芥缺磷1个月后NR活性也没有发生变化;拟南芥的NR双突变体nia1，nia2在低磷处理24 h后，其根中的内源NO含量表现出与野生型相同的增加。因此这些研究结果表明，缺磷后拟南芥根细胞NO的含量增加主要由于NOS的活性升高，而与NR介导的NO合成无关。 已有资料表明低磷诱导植物根细胞内源过氧化氢（H2O2）分布和含量的变化。本论文研究了低磷处理对用H2O2标记物CM-H2DCFDA标记不同磷处理下的拟南芥根中的H2O2。研究发现，缺磷6 h根中H2O2的分布无明显变化，缺磷24 h后H2O2呈斑块状分布，且多集中在根尖伸长区。缺磷24 h后，叶片中的抗氧化保护酶—超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性没有明显变化。说明缺磷24 h 后产生的H2O2没有引起氧化胁迫，而是作为一种信号分子，与NO相互作用共同介导低磷胁迫的应答反应。关于NO与H2O2在低磷诱导的根形态变化中的信号转导过程还有待进一步研究。

Live Attenuated S. Typhimurium Vaccine with Improved Safety in Immuno-Compromised Mice

Live attenuated vaccines are of great value for preventing infectious diseases. They represent a delicate compromise between sufficient colonization-mediated adaptive immunity and minimizing the risk for infection by the vaccine strain itself. Immune defects can predispose to vaccine strain infections. It has remained unclear whether vaccine safety could be improved via mutations attenuating a vaccine in immune-deficient individuals without compromising the vaccine's performance in the normal host. We have addressed this hypothesis using a mouse model for Salmonella diarrhea and a live attenuated Salmonella Typhimurium strain (ssaV). Vaccination with this strain elicited protective immunity in wild type mice, but a fatal systemic infection in immune-deficient cybb-/-nos2-/- animals lacking NADPH oxidase and inducible NO synthase. In cybb-/-nos2-/- mice, we analyzed the attenuation of 35 ssaV strains carrying one additional mutation each. One strain, Z234 (ssaV SL1344_3093), was >1000-fold attenuated in cybb-/-nos2-/- mice and ≈100 fold attenuated in tnfr1-/- animals. However, in wt mice, Z234 was as efficient as ssaV with respect to host colonization and the elicitation of a protective, O-antigen specific mucosal secretory IgA (sIgA) response. These data suggest that it is possible to engineer live attenuated vaccines which are specifically attenuated in immuno-compromised hosts. This might help to improve vaccine safety. © 2012 Periaswamy et al.

中国淋巴囊肿病毒胸苷酸合酶基因结构特点及分析

胸苷酸合酶(Thymidylate synthase, TS)是进行 DNA 合成所必需的酶类,与细胞分化及肿瘤发生密切相关。淋巴囊肿病毒属于虹彩病毒科成员,是能引起百余种淡、海水鱼感染,并产生肿瘤的病毒病原。在已完成中国淋巴囊肿病毒株 (Lymphocystis disease virus-China, LCDV-C) 基因组序列测定的基础上,本文对位于 LCDV-C 基因组开放阅读框 ORF 011L 的 TS 基因结构、及其推定蛋白结构进行了分析。该基因全长 858bp,GC 含量为 28.2%,编

Effects of tetrabrominated diphenyl ether and hexabromocyclododecanes in single and complex exposure to hepatoma HepG2 cells

This study was designed to determine cytotoxic effects of PBDE-47 and HBCDs individually or with a mixture of both compounds exposure to Hep G2 cells. The results showed PBDE-47 and HBCDs induced increase of nitric oxide synthase (NOS) activity, release of NO. dissipation of mitochondria membrane potential and cell apoptosis. Exposure to HBCDs induced ROS formation. Moreover, preincubation with PTIO (NO scavanger) and N-acetylcysteine (ROS scavanger) partially reversed cytotoxic effects of these compounds. The possible mechanism is that PBDE-47 and HBCDs could boost generation of NO and/or ROS, impact mitochondria, and result in start-ups of apoptosis program. Cells exposed to mixture of both compounds and each of them showed non-apoptotic rate significant difference, but the combination of them caused more adverse effects on cells. These results Suggest that PBDE-47 and HBCDs in single and complex exposure have the cytotoxic activity of anti-proliferation and induction of apoptosis in tumor cells in vitro. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

UV-B-induced Oxidative Damage and Protective Role of Exopolysaccharides in Desert Cyanobacterium Microcoleus vaginatus

UV-B-induced oxidative damage and the protective effect of exopolysaccharides (EPS) in Microcoleus vaginatus, a cyanobacterium isolated from desert crust, were investigated. After being irradiated with UV-B radiation, photosynthetic activity (Fv/Fm), cellular total carbohydrates, EPS and sucrose production of irradiated cells decreased, while reducing sugars, reactive oxygen species (ROS) generation, malondialdehyde (MDA) production and DNA strand breaks increased significantly. However, when pretreated with 100 mg/L exogenous EPS, EPS production in the culture medium of UV-B stressed cells decreased significantly; Fv/Fm, cellular total carbohydrates, reducing sugars and sucrose synthase (SS) activity of irradiated cells increased significantly, while ROS generation, MDA production and DNA strand breaks of irradiated cells decreased significantly. The results suggested that EPS exhibited a significant protective effect on DNA strand breaks and lipid peroxidation by effectively eliminating ROS induced by UV-B radiation in M. vaginatus.

Effects of hexachlorobenzene on antioxidant status of liver and brain of common carp (Cyprinus carpio)

Hexachlorobenzene (HCB)-induced oxidative damages have been published in rats while the effects have not yet been reported in fishes. Juvenile common carps (Cyprinus carpio) were exposed to waterborne HCB from 2 to 200 mu g l(-1) for 5, 10 or 20 days. Liver and brain were analyzed for various parameters of oxidative stress. There were no significant changes of glutathione (GSH) content and superoxide dismutase (SOD) activity in liver after 5 or 10 days exposure, whereas obvious drops were observed at higher concentrations after 20 days exposure. Significant decreases of GSH content and SOD activity in brain were found during all the exposure days. In brain, HCB also significantly elevated the contents of reactive oxygen species (ROS), thiobarbituric acid-reactive substances (TBARS, as an indicator of lipid peroxidation products), glutathione disulfide (GSSG), and activities of nitric oxide synthase (NOS), glutathione peroxidase (GPx), and glutathione reductase (GR), and inhibited activities of acetylcholinesterase (AchE) and glutathione S-transferase (GST). The results clearly demonstrated that environmentally possible level of HCB could result in oxidative stress in fish and brain was a sensitive target organ of HCB toxicity. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effects of salt stress on carbohydrate metabolism in desert soil alga Microcoleus vaginatus Gom.

The effects of salt stress on carbohydrate metabolism in Microcoleus vaginatus Gom., a cyanobacterium isolated from desert algal crusts, were investigated in the present study. Extracellular total carbohydrates and exopolysaccharides (EPS) in the culture medium produced by M. vaginatus increased significantly during the growth phase and reached a maximum during the stationary phase. The production of extracellular carbohydrates also significantly increased under higher salt concentrations, which was attributed to an increase in low molecular weight carbohydrates. In the presence of NaCl, the production of cellular total carbohydrates decreased and photosynthetic activity was impaired, whereas cellular reducing sugars, water-soluble sugars and sucrose content and sucrose phosphate synthase activity increased, reaching a maximum in the presence of 200 mmol/L NaCl. These parameters were restored to original levels when the algae were transferred to a non-saline medium. Sodium and K+ concentrations of stressed cells decreased significantly and H+-ATPase activity increased after the addition of exogenous sucrose or EPS. The results suggest that EPS and sucrose are synthesized to maintain the cellular osmotic equilibrium between the intra- and extracellular environment, thus protecting algal cells from osmotic damage, which was attributed to the selective exclusion of cellular Na+ and K+ by H+-ATPase.