Molecular characterization of Glycine max squalene synthase genes in seed phytosterol biosynthesis
- 作者
- Hanh T.M. Nguyen, Anjanasree K. Neelakadan, Truyen N. Quach, Babu Valliyodan, Rajesh Kumar, Zhanyuan Zhang, Henry T. Nguyen
- 单位
- Division of Plant Sciences and National Center for Soybean Biotechnology, University of Missouri, Columbia, MO 65211, USA
- 杂志
- Plant Physiology and Biochemistry（2013）
- DOI
- 10.1016/j.plaphy.2013.07.018
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析大豆鲨烯合酶基因（GmSQS1和GmSQS2）在种子植物甾醇生物合成中的功能，并探究通过基因工程提高种子植物甾醇含量的可行性。
研究策略
利用生物信息学从大豆基因组中鉴定SQS基因；通过酵母营养缺陷互补实验验证酶活性；分析组织表达和胁迫响应；在拟南芥中利用组成型（35S）和种子特异型（β-伴大豆球蛋白）启动子过表达GmSQS1，并测定种子甾醇组成和含量。
核心内容
该研究对大豆基因组中的两个鲨烯合酶基因GmSQS1和GmSQS2进行了功能表征，并探索了通过基因工程提高种子植物甾醇含量的策略。研究者通过生物信息学鉴定出这两个基因，二者编码的蛋白含413个氨基酸、序列相似性达96%。酵母erg9突变体互补实验证实了两个基因均具有鲨烯合酶活性，但互补菌株生长缓慢（约需8天，对照为2-3天），提示其酶活性弱于酵母内源版本。表达分析显示GmSQS1在根中表达最高，GmSQS2在叶中最高，且两者在脱水胁迫下均下调。在拟南芥中分别用组成型35S启动子和种子特异性β-伴大豆球蛋白启动子过表达GmSQS1，T3纯合种子总甾醇含量达3.3-3.8 mg/g干重，较野生型2.5 mg/g提高32%-52%，其中种子特异性系提高约50%。甾醇组分中谷甾醇增加24%-46%、菜油甾醇增加23%-50%、豆甾醇增加4-5倍。这些结果表明GmSQS1是甾醇生物合成的关键调控点，利用种子特异启动子过表达可在有效提升种子甾醇含量的同时避免对植株干旱适应性的负面影响，为油料作物营养品质改良提供了可行策略。
创新点
首次对两个大豆鲨烯合酶基因进行功能表征；证明它们可互补酵母erg9突变体；过表达GmSQS1可使拟南芥种子总甾醇含量提高达50%以上；提出种子特异启动子策略以避免对植物干旱适应性的负面影响。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 甾醇生物合成通路 | GmSQS1 | 鲨烯合酶 (SQS) | 催化 | 在erg9突变体中进行异源互补实验，恢复酵母甾醇原养型生长 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 甾醇生物合成通路 | GmSQS2 | 鲨烯合酶 (SQS) | 催化 | 在erg9突变体中进行异源互补实验，恢复酵母甾醇原养型生长 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 甾醇生物合成通路 | GmSQS1 | 鲨烯合酶 (SQS) | 催化 | 由35S或种子特异β-伴大豆球蛋白启动子驱动过表达，种子总甾醇含量提高 |
| 大豆 (Glycine max) | 类异戊二烯/甾醇生物合成通路 | GmSQS1, GmSQS2 | 鲨烯合酶 (SQS) | 催化 | 在根、茎、叶、花和种子中表达，干旱胁迫下表达下调 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 甾醇生物合成通路 | ERG9 | 鲨烯合酶 (SQS) | 催化 | 阳性对照，恢复erg9突变体生长 |
关键发现
- 大豆基因组含有两个SQS基因，编码413个氨基酸，氨基酸序列相似性96%
- 酵母互补实验表明GmSQS1和GmSQS2能恢复erg9突变体生长但生长缓慢（约8天），而对照2-3天
- GmSQS1在根中表达最高（约为其他组织的1.5-2倍），GmSQS2在叶中表达最高，二者在脱水处理下表达下调
- 转基因拟南芥T2种子总甾醇含量增加15-58%，T3纯合种子总甾醇含量为3.3-3.8 mg/g干重，野生型为2.5 mg/g，增加32%-52%，其中S_08和S_11约增加50%，35S系约增加40%
- 谷甾醇增加24%-46%，菜油甾醇增加23%-50%，豆甾醇增加4-5倍
- 菜油甾醇/谷甾醇比值在0.20-0.25之间，野生型为0.22。
研究结论
大豆SQS基因在甾醇生物合成中发挥关键调节作用，过表达GmSQS1可有效提高种子甾醇含量；使用种子特异启动子可在提高甾醇含量的同时避免对植物干旱耐受性的潜在负面影响。