香蕉GAPDH基因家族在香蕉后熟中功能的研究

【摘要】香蕉(Musaspp.)生长于热带和亚热带地区,是世界上重要的水果之一,同时也是重要的粮食作物和经济作物。香蕉是典型的呼吸跃变型果实,对乙烯非常敏感。在香蕉果实后熟过程中,淀粉合成相关的酶活性降低,分解相关的酶活性增加,大部分淀粉被转变成可溶性糖,糖分解代谢十分活跃。GAPDH是香蕉果实后熟糖酵解过程中一个非常关键的酶,此外GAPDH还参与了植物抗逆、抗氧化、蛋白互作、植物激素信号等诸多方面。初步研究发现香蕉果皮中GAPDH受乙烯诱导上调表达。乙烯在启动香蕉后熟过程中发挥着至关重要的作用,因此研究香蕉GAPDH基因家族成员在香蕉后熟中的功能以及与乙烯生物合成和信号途径、糖信号途径的相互关系有助于我们为香蕉果实保鲜技术的挖掘提供新思路。本研究根据香蕉基因组数据库的信息,对GAPDH基因家族进行检索,获得全部GAPDH基因家族成员,并研究了进化关系；以巴西蕉为研究对象,利用半定量RT-PCR技术,对香蕉GAPDH基因家族成员的表达特性进行了研究；利用QPCR技术对不同处理香蕉果实后熟过程中香蕉GAPDH的转录表达进行研究；测定了后熟过程中香蕉果实淀粉、葡萄糖及果肉中GAPDH酶活性的动态变化。具体研究结果如下：1、检索获得了香蕉GAPDH基因家族18个成员,并进行了克隆验证。根据其生化特性和亚细胞定位,将这18个成员分为GAPA/B、GAPCp、GAPC和NP.GAPDH四类,GAPA/B、GAPCp、GAPPC三类为磷酸化GAPDH,分别定位在叶绿体、质体、细胞质；NP-GAPDH为非磷酸化GAPDH,定位在细胞质。GAPA/B类有4个成员,分别命名为MaGAPA1-2,MaGAPB1-2;GAPCp类有1个成员,命名MaGAPCpl；GAPC类有11个成员,分别命名为MaGAPC1-11;NP-GAPDH类有2个成员,分别命名为MaNP-GAPDH1,MaNP-GAPDH2。2、生物信息学分析显示：GAPDH蛋白N端保守性较低,C端保守性较高,磷酸化的MaGAPDH蛋白都存在着高度保守的Gp_dh_N和Gp_dh_C两个结构域,非磷酸化的MaGAPDH蛋白都含有ALDH-F11结构域。香蕉GAPDH基因家族与单子叶植物水稻、乌拉尔图小麦、节节麦等的GAPDH进化上相近,而和苜蓿、拟南芥等的GAPDH较远,显示出明显的单子叶植物特征。3.MaGAPDH基因家族在香蕉不同组织器官的表达分析发现：MaGAPA1/A2、MaGAPB1/B2、MNP-GAPDH2主要在叶和果中表达,并在叶中表达量最高,在根和花中不表达或表达量很低；MaGAPC3在主要在果中高表达；MaGAPC5/9在叶、花、果中表达量较高,在根中表达量较低；MaGAPC7主要在花、果中表达,在根和叶中表达量很低；MaGAPC1在根和叶中表达量最高。MaGAPCpl.MaNP-GAPDH1.MaGAPC2/6/8/10/11在各组织器官中也是均有表达,并且表达水平基本一致。MaGAPC4在根叶花果中都没有检测到表达。4、MaGAPDH基因家族成员在香蕉果实成熟过程中的表达模式不同,显示出功能的多样性。MaGAPCp1、MaGAPC5、MaGPC9和MaGAPC10表达趋势呈先升高再降低单峰趋势；MaGAPCp3表达趋势明显受到抑制；MaGAPC6、MaNP-GAPDH1和MaNP-GAPDH2表达趋势呈周期性升降或不规律。其中表达模式与果实后熟过程能量供应相符的,推测为糖酵解途径中的GAPDH;而表达模式与后熟过程能量供应不相符的,推测为与其他途径偶联,执行不同的生物学功能。5、根据碘乙酸处理下的乙烯合成和信号相关基因的表达变化、乙烯利和1-MCP处理下MaGAPDH基因的表达及酶活性变化分析发现：MaGAPDH功能缺失抑制MaASS1、MaACO1、MaERS2、MaERL3的表达,乙烯诱导大部分MaGAPDH基因家族成员的表达,提高MaGAPDH酶活性。表明MaGAPDH与乙烯合成及信号转导之间存在相互促进的关系。6、香蕉果实后熟过程中,外源葡萄糖处理的果实没有明显抑制或诱导MaGAPDH基因的表达和MaGAPDH酶活性,且碘乙酸处理抑制了果皮MaHXK1的表达和果实淀粉的降解,但增强了果肉MaHXK1的表达水平。说明MaGAPDH促进了葡萄糖代谢过程,但糖信号并未与GAPDH参与的一系列代谢途径有明显的直接交叉。7、外源葡萄糖处理的香蕉果实中发现,果皮中MaACS1、MaACO1、MaERS2MaERL3的转录表达明显受到了抑制,说明香蕉果皮内的乙烯合成及信号转导基因受到葡萄糖的抑制,证明在香蕉中也存在葡萄糖与乙烯信号的拮抗作用。
【作者】史后蕊；
【导师】张银东；
【作者基本信息】海南大学，作物遗传育种，2014，硕士
【关键词】香蕉；GAPDH基因家族；后熟；功能；

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