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棉花环丙烷脂肪酸合成酶家族的表征和分析及其对环丙烷脂肪酸合成的贡献

摘要

背景

环丙烷脂肪酸(CPA)已发现在某些裸子植物,牛肝菌,荔枝和其他Sapindales中。它们独特的应变环结构的存在赋予不饱和脂肪酸的物理和化学性质,并通过饱和脂肪酸显示的氧化稳定性使得它们具有相当大的工业利益。虽然环丙酮脂肪酸(CPE)是动物残留的脂肪酸抑制剂的众所周知的,但CPE也可以抑制硬脂酰-COA去饱和酶并干扰一些昆虫物种的成熟和繁殖,表明除了作为储存脂质的传统作用。,CPE可以有助于保护植物免受草食性的影响。

结果

在棉花中鉴定了3个编码环丙烷合成酶同系物的基因GhCPS1、GhCPS2和GhCPS3。基因转录本丰度的测定显示,GhCPS1、2和3在根和茎中的表达差异分别表现为高、中、低水平的转录本;而GhCPS1和2在种子中均有低水平表达。不同组织中脂肪酸组成的分析表明,GhCPS1和2的表达模式与环脂肪酸(CFA)分布相关。n端氧化酶结构域的缺失使GhCPS产生环丙烷脂肪酸的能力降低约70%。在酵母、烟草BY2细胞和拟南芥种子中外源表达环丙烷脂肪酸,而GhCPS1和2,而非3导致环丙烷脂肪酸的产生。

结论

在棉花GhCPS1和2个的总含量CFA基因表达相关,茎和种子。这GhCPS1和2在种子相似的水平表达暗示两者可以被认为是潜在的目标基因沉默,以减少不良种子CPE积累。由于GhCPS1更加活跃酵母比公布苹婆CPS在模式植物系统中表达时表现出相似的活性,是在生产植物中通过外源表达积累CFA的强候选基因。

背景

含有三碳碳环的脂肪酸,特别是环丙烷脂肪酸,在植物中不常见,其主要的植物生产者包括锦葵科、木贼科、木棉科、Tilaceae、Gnetaceae和Sapindaceae [1- - - - - -4].他们可以代表种子油的显著组件和积累,以高达40%荔枝中华人员15].

环丙烷合酶催化细菌中不饱和脂类的环丙烷化[67,植物89]和寄生虫[10.].有细菌环丙烷合成酶的两个主要两类:大肠杆菌以不饱和磷脂为底物的环丙烷合酶(ECPS)类型结核分枝杆菌环丙烷霉菌酸合成酶(CMAs)执行引入独联体不饱和菌酸近端和远端位置的-环丙烷环[11.- - - - - -14.].尽管它们不同的基质,但两类酶分享到高达33%的序列同一性,表明常见的折叠和反应机制。此外,通过这两种情况提出了共同的反应机制大肠杆菌CPS和结核分枝杆菌CMA活性位点残基几乎完全保存,并在其活性位点中含有一个重碳酸盐离子[15.16.].

尽管早在20世纪60年代就在一些植物种子中发现了CPA [17.],直到30多年前Bao等人的研究才发现其生化合成的关键基因[8]鉴定从环丙烷合酶美国麻.的科幻小说CPS是一种微粒体局部膜酶,其催化添加亚甲基衍生的亚甲基年代跨酯化为油酸的双键-adenosyl -L-甲硫氨酸sn-1个人电脑的位置[9].的美国麻酶是第一个已被表征的植物CPS,其他迄今为止被报道的植物CPS来自荔枝sinensis(我/ 2006087364)。

大肠杆菌CPS被认为参与非生长细胞的长期存活,其表达可以与环境压力相关[6].植物的CPE抑制某些昆虫硬脂酰CoA去饱和酶,从而与他们的成熟和繁殖的干扰,这表明除了作为存储血脂的作用,CPE也可以作为保护剂。CPE也在动物的各种脂肪酸的去饱和酶[强抑制剂18- - - - - -21],而给动物喂食含CPE的油籽,如棉籽粕,则会导致硬脂肪积累和其他生理失调[20.2223].出于同样的原因,含有CPE的植物油在人类食用前必须经过高温氢化处理。这些处理增加了加工成本,也导致了不良反式脂肪酸的积累。因此,通过基因沉默或其他技术降低棉籽油中的CPE水平,可以降低加工成本和相关反式脂肪酸的生产,并增加用于食品消费的加工种子粕的价值(US2010/0115669)。

对于许多工业应用,期望鉴定生产植物中的异源表达的候选酶,因此有助于鉴定生产植物中的异源表达,其目的是优化CPA的累积表达的候选酶,因此可用于识别生产植物中的异源表达是有用的。CPA在饱和和单次不饱和脂肪酸之间存在某处的物理特性。碳环的应变键角负责其独特的化学和物理性质。氢化导致环开口以产生甲基支链脂肪酸。这些支链脂肪酸具有不饱和脂肪酸的低温性质,但与不饱和脂肪酸不同,它们的酯不易氧化,因此理想地适用于润滑剂制剂[24](WO18217分之99)。此外,甲基支链脂肪酸是被用作化妆品异硬脂酸的替代方案。与高水平的环丙烯脂肪酸的自聚合到的在升高的温度下的油,因为环丙烯环的高度紧张,在放热反应中容易地打开。这种性质使得CPE特别适用于涂料和聚合物的生产。苹婆酸(18 - 碳环丙烯)也具有潜在的应用价值,如脂肪酸皂的制剂(US2008 / 0155714A1)的杀生物剂。

在本研究中,我们从棉花中鉴定了三种CPS亚型,并分析了它们在不同组织中的表达,以帮助确定它们的生理作用。我们也提出了一个分析过度表达棉花的后果GhCPS1,2和3在酵母、烟草悬浮细胞和拟南芥中。

方法

植物生长条件和转基因分析

拟南芥和亚麻荠植物在步入式生长室于22℃16小时光周期生长,棉花植物在温室中在28℃生长16小时的光周期。全长对应为cDNAGhCPS1(基因库:574036.1), GhCPS2(基因库:574037.1)GhCPS3将[GenBank:574038.1]基因特异性引物与限制性位点编码连接物进行PCR扩增,经相应的SacI和EcoRI限制性位点酶切克隆到pYES2 (Invitrogen)中。为了转化拟南芥和亚麻荠,我们在二元载体pDsRed中克隆了phaseolin种子特异性启动子下游的基因[25].这些二元载体引入根癌土壤杆菌通过电穿孔菌株GV3101,用于通过花卉浸法转换拟南芥[26,和亚麻荠属通过真空渗透[27].转化的植物的种子在荧光筛选,连同25A红色照相机滤波器在与来自LED X5手电筒(Inova公司)绿光照明射出[25].在烟草亮黄2 (BY2)转化过程中,利用BamHI和SacI位点将GhCPS1克隆到pBI121中,利用XbaI和SacI酶切位点将GhCPS2和3克隆到pBI121中,转化到BY2细胞中。选择卡那霉素4 ~ 5个月后,在传代7天后收集稳定的转化细胞株,分析脂肪酸组成。将含有pBI121的阴性对照与SfCPS转化的pBI121细胞株组成进行比较。

本研究使用的引物有:

酵母表达

GCPS1-Y2F: ACCGGAGCTCAcca t g g a a g t g g cc g t g a t c g

GCPS2-Y2F: ACCGGAGCTCAcca t g g a a g g g g c g g g t g a t c g

GCPS1 + 2 r: 20GAATTCT c a T c a T c c a T g a a g a T a T g c

GCPS3-Y2F:ACCGGAGCTCa、a、a、g、a、g、g、g、g、g、g、g

GCPS3-R: 20GAATTCa a g a g c t g a g g g g t c t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t

拟南芥转型

GCPS1-5'PacI:完成TTAATTAAA t g g A A g t g g c c g t g A t c g

GCPS2-5'PacI:完成TTAATTAAA t g g A t g g c g g t g g A t c g

GCPS1 + 2-3'XMAI:TCCCCCCGGGT c a T c a T c c a T g a a g a a T a T g

SFCPS-5'PACI:TCCCTTAATTAA叔克克克克叔G G(C T)克叔g的T C克

SfCPS-3'XmaI:完成CCCGGGT c a a T T a T c c g a g T a g a T a T g c

GCPS3-5'PacI:TCCCTTAATTAAA, g, A, A, A, g, c, A, g, g, g

GCPS3-3'XBAI:GC.TCTAGAa a g a g c t g a g g g g t c t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t

烟草BY2改造

GCPS3-5'XbaI:GCTCTAGAA, g, A, A, A, g, c, A, g, g, g

GCPS3-3'SacI:ACCGGAGCTCa a g a g c t g a g g g g t c t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t

GCPS2-5'XbaI: GCTCTAGAA t g g A t g g c g g t g g A t c g

GCPS1 + 2-3'SACI:ACCGGAGCTCT c a T c a T c c a T g a a g a a T a T g

GCPS1-5'Bamhi:CGC.GGATCCA t g g A A g t g g c c g t g A t c g

SFCPS-5'XBAI:GCTCTAGA叔克克克克叔G G(C T)克叔g的T C克

SfCPS-3'SacI: ACCGGAGCTCT c a a T T a T c c g a g T a g a T a T g c

序列与小写的CPS序列同源,粗体侧翼序列,限制性位点序列下划线。

系统发育和序列分析

通过使用来自棉花和环丙烷脂肪酸合成酶的全长蛋白质序列来进行环丙烷脂肪酸合酶(CPS)系列的系统发育分析Sterculia,大肠杆菌,农杆菌,分枝杆菌和拟南芥。全长氨基酸序列首先由CLUSTALW版本2.0.12进行比对(附加文件1)[28]的默认参数(http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw/),并导入分子进化遗传学分析(MEGA)包5.0版[29].系统发育和分子进化分析采用neighbor-joining (NJ)方法[30.]在Mega中实现,具有用于处理对准间隙的一对删除选项,以及用于计算距离的泊松校正模型。使用TreeView程序生成最终树形图[31].

RNA提取,逆转录和定量PCR分析

根据Wu等人的研究,从棉花的叶、花、茎和种子的不同发育阶段提取RNA [32],利用Qiagen's plant Mini RNA试剂盒从棉花根中分离RNA。用凝胶电泳和纳米滴光谱法测定RNA质量和浓度。采用Qiagen's QuanTect逆转录试剂盒进行逆转录(RT)。定量PCR分析使用Bio-RAD iQ™SYBR Green Supermix进行,如附加文件所述[2].引物ubiq7-1F (5'- GAAGGCATTCCACCTGACCAAC -3')和Ubiq7-1R (5'- CTTGACCTTCTTCTTCTTGTGCTTG -3')扩增泛素7作为内标。用于qRT-PCR分析的基因特异性引物为qGCPS-1F(5'- TTAAGTGGTCAACCGGCCATGCAA -3')和qGCPS-1R (5'- ttctttggactgggcggaacagaa -3')、qGCPS2-1F (5'- atattccctggaggaacc CTG CTT-3')和qGCPS2-1R (5'- aaaccggcagcgcagtaatcgaaa -3')。qGCPS3-1F (5'-ACTGGTTGCGAGGTGCATTCTGTT-3)和qGCPS3-1R (5'-TTGGAAAGCGCCAAGCACTGTTGA -3')。

脂肪酸分析

酵母培养、表达诱导和脂肪酸分析如所述[33].在甲醇/氯仿(2:1)中萃取脂质,从0.1g新鲜的重量棉组织中加入内标庚二酸。将分离的脂质在1%甲醇钠中在50℃下甲基化1小时并用己烷萃取。为了分析单种子的脂肪酸,通过在甲醇中孵育35μl0.2m三甲基硫磺鎓氢氧化物的种子来制备脂肪酸甲酯(FAME)[34].为了分析CFA在BY2细胞系中,FA从〜0.1g BY2愈伤组织中提取,如上所述制备FAMES用于棉组织,或者在FA的单罐反应中制备FA二甲基恶唑啉(DMOX)衍生物在190℃下在氮气氛中与2-氨基-2-甲基-1-丙醇反应4小时[35].分析了装有5973质量选择检测器(GC / MS)的Hewlett Packard 6890气相色谱仪和Agilent J&W DB 23毛细管柱(30米×0.25μm×0.25μm)或Supelco SP-2340的脂质曲线和酰基鉴定(60米×0.25μm×0.20μm)柱。将注射器保持在225℃,烘箱温度在25℃/ min的100-160℃变化,然后10℃/ min至240℃。将百分比值转换为摩尔百分比,并作为至少三个重复的手段呈现。

结果

棉花环丙烷脂肪酸合成酶家族由三个高度保守的成员组成

棉花基因组数据库的数据库检索(http://cottondb.org/)鉴定出三个基因,预测它们编码的蛋白质具有高度序列相似性苹婆CPS(图1).棉花CPS亚型所预测的多肽编码范围为865 ~ 873个氨基酸。利用MEGA5程序对不同同工酶进行序列比较和系统发育分析,结果表明,GhCPS1与2个同工酶最相似,在氨基酸水平上同源性达到97%,与2个同工酶同属一个分支苹婆CPS。GhCPS1和2分别为82%和84%苹婆CPS分别。GHCPS3蛋白显示出从这两个合成酶的分歧,由完全分开的分支产生(图1).序列比较显示,GhCPS3与GhCPS1的同源性为64%,与GhCPS2的同源性为65%。

图1
图1

揭示进化序列关系的环丙烷合酶基因系统发育树.采用邻域连接距离分析方法构造树。线长表示节点之间的相对距离。利用拟南芥和棉花的特征酶和CPS同源物序列进行比对,PCAA.,霉菌酸合成酶结核分枝杆菌H37Rv [NCBI参考序列:NC_000962.2];cmaA1, Cyclopropane mycolic acid synthase 1 from牛结核分枝杆菌AF2122/97[NCBI参考序列:NC_002945.3];ATCPS.,环丙烷合酶根癌土壤杆菌(AGR-C-3601p);EcCPS,环丙烷合酶E.coli.[NCBI参考序列:NC_000913];cmaA2,环丙烷霉菌酸合成酶2的来源结核分枝杆菌[NCBI参考序列:NP_215017.1];mmaA2、环丙烷霉菌酸合成酶MmaA2来源于结核分枝杆菌[NCBI参考序列:NP_215158.1]。

棉花CPSs有两个酶域报道苹婆cps [8];羧基端编码CPS结构域并催化二氢酯的合成,而氨基端编码一个功能未知的独特的氧化酶结构域。一个被提议在S-AdoMet结合中发挥作用的序列,VL(E/D)xGxGxG [3637,在GhCPS3中被发现为ILEIGCGWG,在GhCPS1和2中以更简并的形式出现(DxGxGxG)。鉴于S-AdoMet结合和甲基转移是CPS与其他S-AdoMet结合酶之间唯一已知的功能,GhCPSs的这段很可能参与了该底物的结合。需要注意的是,所有的CPS编码序列都缺少劳斯特提出的FxGxG的苯丙氨酸残基[38和Smith等人[39].然而,该基序仅在甲基转移酶中发现,该方法在核酸上作用[37].

活动现场保护

的结晶结核分枝杆菌CPS结构显示一个氢键连接到五个活性位点残基的重碳酸盐离子[15.,包括通过主链酰胺的两种相互作用。在大肠杆菌CPS C139,I268,E239,H266和Y317严格保守在所有非植物CPS中[16.].在棉花中,氨基酸对应于大肠杆菌I268,E239,和Y317是保守的所有3个GhCPS基因,即I739,E710,Y794为GhCPS1;I731,E702,Y786为GhCPS2和I736,E707,Y791为GhCPS3。然而,H266已经GhCPS(Q737,I729和Q734分别)代替Q值。有趣的是,C139仍然GhCPS3如C602相同的,但在其他两个GhCPS代替S(S602中GhCPS1和S595中GhCPS2)。一个大肠杆菌C139S突变体比野生型酶(其催化效率为31%)较小,但加入碳酸氢盐增加其K.,通过两个[α因子16.].

GhCPS基因在表达上表现出组织特异性差异

为了提供线索的三种同工酶的可能的生理作用,在棉花植株的不同组织中的表达模式进行了检查。定量逆转录(QRT)-PCR RNA的从叶,茎,根,花和种子在使用用于三种同种型的基因特异性引物不同发育阶段分析表明,GhCPS1和2在根,茎,花和被高度表达。既GhCPS1和2显示在叶低转录水平和种子在早期发展阶段,即,从0至25后一天开花(DPA)(图2A和B)。相比之下,GHCPS3在叶子和花中显示出最高的转录,但根茎和茎的水平降低(图2,C.).所有这三个GhCPS基因转录水平种子发育增加(图2).

图2
图2.

GhCPS在不同组织中的表达水平.棉花不同组织(叶、茎、根、花和种子)中环丙烷合酶GhCPS1 (A)、GhCPS2 (B)和GhCPS3 (C)的qRT-PCR分析。相对表达水平与泛素7转录本的表达相关。数据代表三次测量的平均值,误差条代表标准差。

相关因素与环状脂肪酸的积累水平和2 GhCPS1的表达

测定叶,茎,根,花和处于不同发展阶段的种子的FA轮廓,以评估他们在他们的脂肪酸组合物如何不同(表1).在根、茎和花组织中,环状脂肪酸分别占总脂肪酸的19.2%、9.9%和4.0%。其中,7-(2-辛基-1-环丙烯基)庚酸(malvalic acid, 7-(2-辛基-1-环丙烯基)庚酸)含量最高,分别占根、茎和花组织中脂肪酸总量的11.9%、6.9%和3.0%。环丙烷和环丙烯脂肪酸在棉花叶片和种子组织中的含量低于2%。随着种子发育,40 dpa种子的环脂肪酸含量由0、5、10和25 dpa种子的不足1.0%增加到1.5%,50 dpa种子的环脂肪酸含量下降到1.2%。

表1棉花组织的组织特异性FA组成

在棉花组织中,GhCPS1和2转录本在不同组织中的丰度与环脂肪酸分布基本一致,而GhCPS3在富含环脂肪酸的根和茎组织中表达量非常低。这表明GhCPS1和2参与了棉花中CFA的产生。环脂肪酸在种子发育早期就已合成,早在胚珠0 dpa时就已检测到,在40 dpa时达到峰值,在50 dpa时略有下降。这一模式与GhCPS1、2、3的表达模式一致,但我们不能排除GhCPS3参与了种子中CFA的产生。

GhCPS1和2在酵母中的表达表明了它们的生理活性

为了检测鉴定的GhCPSs是否具有酶活性,将3个基因克隆到pYES2载体中,转化到宿主菌株YPH499中。除了真实的GhCPS2序列,我们还发现了一个突变体,GhCPS2 I733T,由于突变点I733T仅是来自生物碳酸根离子结合位点的一个氨基酸,我们决定将其纳入我们的分析。如图所示3.,表达GhCPS1的酵母的脂肪酸组成表明,相对于对照,产生了两种额外的脂肪酸,17:0 CFA和19:0 CFA。17:0 CFA是通过GC/MS的质量离子鉴定的。如图所示4中,过表达GhCPS1应变转换16:1到FA的17CFA 2.96%和18:1到FA的19CFA 2.32%,即,产生总共5.28%CFA积累。GhCPS1的表达导致几乎报告的CPS从表达CFA积累的两倍苹婆8];SfCPS产生了2.36%的17CFA和0.82%的19CFA,即3.18%的总CFA。GhCPS2的表达仅导致0.36%的CFA积累,而GhCPS3的表达没有导致检测到的CFA水平。有趣的是,偶然获得的GhCPS2 I733T突变体导致了2.50%的17C和19C环丙烷的积累,约为WT GhCPS2的10倍。这些结果表明GhCPS 1和2确实是有活性的cps,可以作用于16:1和18:1脂肪酸底物,同时产生17C和19C环丙烷脂肪酸。

图3
图3.

从表达棉花CPS GhCPS 1的酵母中提取FAMEs的气相色谱分析.用半乳糖(a)是2天诱导(a)是的;(b)yes2掺入dhsa和ghcps1,其制作17:0 CFA和19:0 CFA

图4
图4.

CPS表达酵母中环丙烷脂肪酸的产生.采用GC/MS分析FAMEs,计算17:0 CFA和19:0 CFA占总脂肪酸的百分比。这些值代表三个重复的平均值和标准偏差。

n端氧化酶结构域的缺失降低了CPS的活性

与细菌CPS相比,GhCPS含有~400个氨基酸长的n端延伸,与具有fad结合基序的氧化酶同源。为了推测棉花CPS的氧化酶结构域的功能,我们删除了不同长度的n端延伸,并在酵母中进行表达。诱导2天后,全长GhCPS1产生2.94% 17CFA和2.36% 19CFA,合计5.30% CFA。当整个氧化酶部分(409 aa)被删除时,GhCPS1仍然保留约30%的活性,这表明氧化酶活性对CPS活性不是必需的,但它通过一种尚不清楚的机制增强了CPS活性。令人惊讶的是,部分氧化酶结构域的缺失比总缺失更能减少CFA的积累(图)5),可能是通过使mRNA不稳定或不正确的蛋白质折叠,使其不稳定。进一步缺失超过氧化酶结构域,即进入CPS结构域的N-末端部分,导致活性的额外减少,仅在缺失433AA时缺失426AA和0.84%CFA时累积1.21%CFA。

图5
图5.

N-末端缺失对GhCPS1的CPS活性的影响.从GhCPS1中删除n端结构域21aa到433 aa的不同部分,并分析其对CFA生成的影响。17:0和19:0 CFAs均计算为总脂肪酸的百分比。这些值代表三个重复的平均值和标准偏差。

共同表达农杆菌属氧化酶与氧化酶大肠杆菌与单独的CPS表达相比,CPS导致酵母中的CFA积累较低。发现了类似的减少农杆菌属氧化酶与大肠杆菌CPS蛋白质。植物的融合CPS N-末端氧化酶E.coli.CPS也抑制其产生CFA(数据未示出)的能力。这些结果表明,不同的是棉的CPS,E.coli.氧化酶结构域未增强CPS活性。我们克隆了农杆菌属,基因AGR-C-3599p(N-端同源物的植物CPS)和AGR-C-3601p(C末端同源物植物CPS),位于AGR-C-3599p上游802 bp。我们也未能从酵母中过表达的ACPS中检测到任何CFA,这两种蛋白在酵母中共表达或这两种多肽融合成单一多肽都不能产生任何环丙烷脂肪酸(数据未显示)。

和2 GhCPS1的异源表达导致植物中积累CFA

CPS基因转化到拟南芥中fad2 / fae1背景与GhCPS1转基因种子产生约19C环丙烷的1.0%。在GhCPS2检测和3过度表达线环丙烷产物的无显著积累(图6).与酵母中GhCPS的表达一致,在SfCPS和GhCPS2 I733T突变体的表达中检测到微量环丙烷。cps在拟南芥种子中的表达并没有导致其他脂肪酸组成和含油量的显著变化(数据未显示)。

图6
图6.

环丙烷脂肪酸的产生与CPS的表达有关fad2 / fae1植物.采用气相色谱-质谱联用仪对FAMEs进行分析,以环丙烷脂肪酸占总脂肪酸的百分比表示。这些值代表三条直线的平均值和标准差。

当这些基因在BY2细胞系中均有表达,〜19C环丙烷1.0%在GhCPS1线和SfCPS系产生,而在GhCPS2仅检测到CFA痕量的转化BY2线。与GhCPS3,色谱,其中是从含有的pBI121-控制线区分转化系中没有检测到环丙烷脂肪酸。在16条GhCPS2 I733T线中的一个,检测到CFA的2.9%。

这些结果表明,GhCPS1和2可以引起CPA FA在植物中异源表达的积累。

讨论

利用该方法对棉花基因组数据库进行Blast检索苹婆结果共鉴定出3个棉花CPS同源基因(GhCPS1, 2,3),其中GhCPS1和2与已发表的SfCPS基因具有高度的相似性,其表达模式与CFA在多种组织中的分布密切相关。此外,我们还在酵母菌和植物中证实了其生化特性为环丙烷合成酶。

有趣的是,GhCPS3的转录水平在根相对较低,其中丰度CFA被发现茎。此外,当异源表达GhCPS3没有造成检测CFA积累酵母,烟草BY2细胞系,或在拟南芥种子。一些涉及植物GhCPS3序列;例如,在拟南芥中,5个基因在相同的进化枝聚类与GhCPS3(图1),与GhCPS3比与SfCPS或GhCPS 1和2更接近。到目前为止,在拟南芥中还没有报道CPA和CPE,这与我们对拟南芥种子和叶片的分析一致,我们未能在其中识别出任何环丙烷或环丙烯脂肪酸(数据未显示)。由于GhCPS3及其拟南芥同源物主要在叶片中表达,因此有可能催化其他环丙烷化产物的形成[9].

植物型CPS基因的n端氧化酶部分的作用尚不清楚。从进化的角度来看,推测在n端含有氧化酶结构域的环丙烷合酶的起源是很有趣的。氧化酶基因和CPS基因在基因组中相邻农杆菌属分枝杆菌;在植物中,基因融合以形成单一产品;结合在一起,这表明植物中的n末端结构域及其在细菌中的同源域可能发挥与环丙烷相关的作用[9].有一个在植物氧化酶结构域的前21个氨基酸的保守FAD结合基序。这是很难设想如何氧化还原体系如含FAD-蛋白可以在亚甲基加成的催化反应有关。除去氧化酶部分之后,GhCPS1的C末端CPS部分仍保持其活性的30%,表明氧化酶活性是没有必要的功能,但是,一个完整的氧化酶结构域以某种方式提高活性也许通过赋予稳定性,CPS多肽.棉CPS抗体将是从酶的去稳定化或从催化活性的损失区分氧化酶结构域的结果是否活动的部分时,或完全缺失的减少,有帮助的。可能的是,所述氧化酶部分dihydrosterculic酸的任一去饱和以产生苹婆酸或产物的α-氧化形成锦葵酸起着潜在作用。

在棉花中,Malvalic酸是一种主要的CPE。当GhCPSs在酵母、烟草BY2细胞系或酵母中表达时,没有发现链短的CPAfad2 / fae1拟南芥种子。数据还表明,CPA的存在不足以诱导这些体系中的α-氧化。由于没有观察到CPE和α-氧化产物,我们推断这些功能需要额外的基因产物。

各种细菌引发脂肪酸在固定相中或暴露于低pH时的环丙烷[64041,渗透压力[4243]及高温[44].的不饱和脂肪酸为相应的CFA的转化降低了不饱和脂肪酸的水平在膜和因此有助于降低膜流动性的这使得脂质双层更刚性[45].因此,脂肪酸酰基链的环化通常被认为是降低膜流动性以使细胞适应不利条件的一种手段[6].的环丙烷脂肪酸与25个碳原子的内容与在初春生长相关雪花莲l .,Anthiscus silvestris.L. [46].与长链环丙烷脂肪酸酯化的脂质通过降低膜对溶剂的渗透性,有助于早春植物和耐旱植物的生理适应[46].

CPE抑制两种植物病理学家和CPE感兴趣的真菌的脂肪酸去饱和苹婆属麻影响U. Maydis.,负责玉米黑穗病生长和形态的担子菌,表明CPE作为抗真菌剂[47].基因表达变化的研究尖孢镰刀菌f . sp。vasinfectum- 在感染后3天在感染后3天鉴定GHCPS2(即CD486555)的GHCPS2(即CD486555),与细菌诱导的脂氧合酶一起增加棉根中的表达。这使得GHCPS2使得少数潜在的防御相关基因之一诱导的受感染的根和编码蛋白质如谷胱甘肽S-转移酶(GST)18和硝基丙烷二氧化酶(硝基丙烷DiOxygenase)的引用的应激相关基因的其中一种相关基因[48].

结论

我们发现,GhCPS1和2都有助于棉花种子中CFA的积累;但根和茎中积累的CFA主要是GhCPS1。本文提供的信息在两种不同的生物技术应用中有潜在的用途。同时针对GhCPS1和2进行抑制,以降低作为动物饲料的棉籽粕中的CPE含量是非常理想的。相反,为了促进CPA的积累以作为石油化工原料,我们的数据表明GhCPS1是生产工厂中外源表达的最佳选择。

参考文献

  1. 1。

    维克里JR:从10周植物的家庭特别提及环丙烯和Dihydrosterculic酸籽油脂肪酸组成。J AM Oil Chem SoC。1980,57:87-91。10.1007 / BF02674370。

    CAS文章谷歌学者

  2. 2.

    小种子油中异常脂肪酸的结构和发生。中国生物医学工程杂志,1998,19:119-153。10.1016 / 0163 - 7827(80) 90002 - 8。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  3. 3.

    6种银莲花属植物种子油脂肪酸组成及其与环丙烷和环丙烯酸的关系脂质。1982,17:1-10。10.1007 / BF02535115。

    CAS文章谷歌学者

  4. 4.

    Vickery JR,Whitfield FB,Ford GL,Kennett BH:裸子植物种子和叶油的脂肪酸组成。J AM Oil Chem SoC。1984,61:573-575。10.1007 / BF02677035。

    CAS文章谷歌学者

  5. 5。

    Gaydou EM,Ralaimanarivo A,JP比安基尼:荔枝(荔枝-chinensis)的种子油的脂肪酸Cyclopropanoic - 酸 - 一个再认识。j农业食品化学。1993年,41:886-890。10.1021 / jf00030a009。

    CAS文章谷歌学者

  6. 6。

    细菌膜脂中环丙烷环的形成。中华微生物学杂志,2003,22(3):441 -441。

    PubMedCAS公共医学中心谷歌学者

  7. 7。

    陈志强,陈志强,陈志强。真菌酸的结构、生物合成和生理功能研究进展。中国生物医学工程杂志,1998,37:143-179。10.1016 / s0163 - 7827(98) 00008 - 3。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  8. 8.

    宝X,Katz S,Pollard M,Ohlrogge J:植物中的碳环脂肪酸:生物化学和分子遗传表征的糖尿病植物脂肪酸合成。美国国家科学院学报。2002,99:7172-7177。10.1073 / pnas.092152999。

    PubMedCAS公共医学中心文章谷歌学者

  9. 9.

    Bao X, Thelen JJ, Bonaventure G, Ohlrogge JB: Sterculia foetida环丙烷脂肪酸合成酶的研究。中国生物医学工程学报。10.1074 / jbc.M212464200。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  10. 10。

    Rahman MD, Ziering DL, Mannarelli SJ, Swartz KL, Huang DS, Pascal RA:含硫硬脂酸类似物对原生动物Crithidia fasculata生长和脂肪酸生物合成的影响。中华医学杂志。1988,31:1656-1659。10.1021 / jm00403a029。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  11. 11.

    乔治KM,袁媛,谢尔曼DR,巴里CE:对结核分枝杆菌环丙烷菌酸生物合成。识别和CMAS-2的功能性分析。J Biol Chem。1995年,270:27292-27298。10.1074 / jbc.270.45.27292。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  12. 12.

    袁玉英,陈志强,陈志强,等。结核分枝杆菌中甲氧基和环丙基菌酸的合成机理。美国国家科学院学报。1996年,93:12828 - 12833。10.1073 / pnas.93.23.12828。

    PubMedCAS公共医学中心文章谷歌学者

  13. 13.

    Glickman MS, Cox JS, Jacobs WR:一种新的分枝杆菌酸环丙烷合成酶对结核分枝杆菌的粘附、持久性和毒力是必需的。生物化学学报。2000,5:717-727。10.1016 / s1097 - 2765(00) 80250 - 6。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  14. 14.

    Glickman MS:结核分枝杆菌mmaA2基因编码α -霉菌酸远端环丙烷合酶。中国生物医学工程学报。2003,27(6):744 - 749。10.1074 / jbc.M212458200。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  15. 15.

    黄建平,黄建平,黄建平。结核分枝杆菌分枝酸环丙烷合成酶的晶体结构。中国生物医学工程杂志。2002,27(4):559- 569。10.1074 / jbc.M111698200。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  16. 16。

    COURTOIS F,PLOUX O:大肠杆菌环丙烷脂肪酸合成酶:是碳酸氢盐离子的有源 - 位点底座吗?生物化学。2005,44:13583-13590。10.1021 / bi051159x。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  17. 17。

    二氢甾醇酸是龙葵籽油的主要脂肪酸成分。油脂。1969,4:317-10.1007/BF02530999。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  18. 18。

    鸡肝中环丙烯脂肪酸和硬脂酸脱饱和的环位。脂类。1972,7:335-338。10.1007 / BF02532651。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  19. 19.

    王志强,王志强,王志强:亚甲基十六烯酸对夜蛾性信息素合成的直接抑制作用。中华内分泌杂志,1996,37:1503-1509。

    PubMedCAS谷歌学者

  20. 20.

    环丙烯脂肪酸对鸡肝中硬脂酸去饱和的抑制作用。脂质。1967,2:419-423。10.1007 / BF02531857。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  21. 21。

    王志强,王志强,王志强,等。甾醇酸对乳红球菌(Rhodococcus opacus) PD630脂质生物合成的影响及脂肪酸去饱和缺陷突变体的分离。微生物微生物学杂志,2000,190:45-50。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  22. 22。

    菲尔普斯RA,Shenstone FS,凯默勒AR,埃文斯RJ:一些衍生物的生物效应:环丙烯化合物的综述。幼禽科学。1965年,44:358-394。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  23. 23。

    页AM,Sturdivant CA,Lunt的DK,史密斯SB:膳食全棉籽压下脂肪生成,但有在牛的皮下脂肪组织上硬脂酰辅酶去饱和酶活性无影响。小样生物化学生理学乙生物化学分子生物学杂志。1997年,118:79-84。10.1016 / S0305-0491(97)00027-8。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  24. 24.

    Kai Y,Pryde EH:从Sterculia油生产分枝链脂肪酸。J AM Oil Chem SoC。1982,59:300-305。10.1007 / bf02662231。

    CAS文章谷歌学者

  25. 25.

    Pidkowich MS, Nguyen HT, Heilmann I, Ischebeck T, Shanklin J:调节种子-酮酰基-酰基载体蛋白合酶II水平将温和的种子油的成分转化为类似棕榈的热带油。美国国家科学院学报。2007年,104:4742 - 4747。10.1073 / pnas.0611141104。

    PubMedCAS公共医学中心文章谷歌学者

  26. 26.

    克拉夫SJ,弯曲AF:花卉浸:拟南芥的农杆菌介导的转化的简化方法。工厂J.998,16:735-743。10.1046 / J.1365-313x.1998.00343.x。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  27. 27.

    Lu C,康J:通过农杆菌介导的转化产生潜在油癌Camelina Sativa的转基因植物。植物细胞代表2008,27:273-278。10.1007 / S00299-007-0454-0。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  28. 28。

    Thompson JD,HIGGINS DG,Gibson TJ:Clustal W:通过序列加权,位置特定的间隙惩罚和重量矩阵选择提高逐行多序列对准的灵敏度。核酸RES。1994年,22:4673-4680。10.1093 / NAR / 22.222.4673。

    PubMedCAS公共医学中心文章谷歌学者

  29. 29。

    田村K,达德利Ĵ,巾帼不让须眉女,库马尔S:MEGA4:分子进化遗传学分析(MEGA)软件4.0版。mol Biol Evol。2007年,24:1596年至1599年。10.1093 / molbev / msm092。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  30. 30.

    王志强,王志强:系统发育树重建的一种新方法。生物科学进展,2017,32(4):457 - 461。

    PubMedCAS谷歌学者

  31. 31.

    TreeView:在个人电脑上显示系统进化树的应用程序。中国生物医学工程学报。1996,12:353 -358。

    PubMedCAS谷歌学者

  32. 32.

    Wu YR, Llewellyn DJ, Dennis ES:一种快速、简便的从棉花(Gossypium hirsutum L.)组织中分离优质RNA的方法。植物学报2002,20:213-218。10.1007 / BF02782456。

    CAS文章谷歌学者

  33. 33。

    Broadwater JA, Whittle E, Shanklin J:去饱和和羟基化。拟南芥FAD2的148和324残基除底物链长外,对催化特异性的划分也有重要影响。中国生物医学工程杂志。2002,27(4):457 - 461。10.1074 / jbc.M200231200。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  34. 34。

    王志强,王志强,王志强,等。三烷基硫氢氧化物和三烷基硒氢氧化物的热解烷基化反应。肛门Lett. 1982, 15: 841-850。

    CAS文章谷歌学者

  35. 35。

    克里斯蒂WW,(主编):脂质Analyalysis:隔离,分离,鉴定和脂质的结构分析。第3版。布里奇沃特,英格兰:油性出版社,2003。

    谷歌学者

  36. 36.

    天冬氨酸/异天冬氨酸蛋白甲基转移酶(D-天冬氨酸/ l -异天冬氨酸蛋白甲基转移酶)的序列。蛋白质、DNA、RNA和小分子s -腺苷蛋氨酸依赖性甲基转移酶的常见序列基序。中国生物化学杂志。

    PubMedCAS谷歌学者

  37. 37.

    Haydock SF,Dowson Ja,Dhillon N,Roberts Ga,Cortes J,Leadlay PF:Carchopopyspora红斑狼疮中涉及红霉素生物合成中所涉及的基因的克隆和序列分析:EryG与S-腺苷甲硫氨酸依赖性甲基转移酶之间的序列相似性。Mol Gen Genet。1991,230:120-128。10.1007 / BF00290659。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  38. 38.

    Laustr R,Trautner Ta,Noyer-Weidner M:特异性特异性II型DNA甲基转移酶。具有可变目标识别结构域的保守酶核心。J Mol Biol。1989,206:305-312。10.1016 / 0022-2836(89)90480-4。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  39. 39.

    在功能相关蛋白组中发现序列基序。美国国家科学院学报。1990年,87:826 - 830。10.1073 / pnas.87.2.826。

    PubMedCAS公共医学中心文章谷歌学者

  40. 40。

    Budin-Verneuil A,Maguin E,Auffray Y,Ehrlich SD,Pichereau V:低pH下乳酸乳酸乳酸乳酸乳酸乳酸乳糖脂肪酸合成酶基因的转录分析。有限元微生物吧。2005,250:189-194。10.1016 / J.Femsle.2005.07.007。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  41. 41.

    Grandvalet C,阿萨德-加西亚JS,储-KY S,Tollot男,古佐Ĵ,GrestiĴ,Tourdot-马雷夏R:变化膜脂组合物在乙醇和酸适应性酒酒球菌细胞:通过异源的基因CFA表征互补。微生物学。2008年,154:2611年至2619年。10.1099 / mic.0.2007 / 016238-0。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  42. 42.

    GUILLOT A,奥维斯d,Mistou MY:脂肪酸膜组合物和乳酸乳甘氨酸甜菜碱传输的激活球菌进行渗透胁迫。int J食物微生物。2000,55:47-51。10.1016 / s0168-1605(00)00193-8。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  43. 43.

    Monteoli-Vasanchez男,拉莫斯Cormenzana A,罗素NJ:盐度和相容性溶质对环丙烷脂肪酸假单胞菌halosaccharolytica生物合成的影响。J Gen microbiol。1993年,139:1877至1884年。

    CAS文章谷歌学者

  44. 44.

    杜波依-布里索奈,马兰芝,陈志强:绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442)对季铵类化合物抗性的影响。微生物学报。2001,106:97-110。

    PubMedCAS谷歌学者

  45. 45。

    关键词:环丙烷,顺、反、环丙烷,脂肪酸,膜流动性生命科学。2007,7:67-74。10.1002 / elsc.200620168。

    CAS文章谷歌学者

  46. 46。

    柯伊伯PJC,Stuiver B:环丙脂肪酸相对于早熟在植物春季和耐旱性。植物理性。1972年,49:307-309。10.1104 / pp.49.3.307。

    PubMedCAS公共医学中心文章谷歌学者

  47. 47。

    环丙烯脂肪酸对真菌生长和脂质组成的影响。脂质。1988,23:248-252。10.1007 / BF02535466。

    PubMedCAS文章谷歌学者

  48. 48.

    关键词:尖孢镰刀菌,棉花,下胚轴,基因表达谱植物营养与肥料学报,2004,17(6):654-667。10.1094 / MPMI.2004.17.6.654。

    PubMedCAS文章谷歌学者

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确认

感谢布鲁克海文国家实验室的Carl Andre博士对我们的手稿进行了关键性的阅读,感谢密歇根州立大学的John Ohlorogge教授对SfCPS基因的研究,感谢北德克萨斯大学的Kent Chapman教授为我们提供了棉花种子,以及唐纳德·丹佛斯植物科学中心的凯文·卢特克先生,他帮助了BY2的转型。这项工作得到了美国能源部基础能源科学办公室(JS)和美国国家科学基金会(Grant DBI 0701919) (RR和X-HY)的支持。

作者信息

隶属关系

作者

通讯作者

对应于约翰·尚克林

附加信息

作者的贡献

JS构思并提供了研究的初步设计。X-HY和RR进行了这项研究。所有作者都参与了手稿的准备,并阅读并批准了最终的手稿。

电子辅料

12870 _2011_888_moesm1_esm.docx

附加文件1:CPS的序列对齐。来自不同生物的CPS氨基酸序列比对(DOCX 22 KB)

12870 _2011_888_moesm2_esm.doc

附加文件2:QPCR实验/ MIQE。公布定量实时PCR实验的最低信息(DOC 81 KB)

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于,XH。,拉瓦特,R。&尚克林,J.表征和棉花环丙烷脂肪酸合酶家族的分析以及它们与环丙烷脂肪酸合成的贡献。BMC植物杂志11,97(2011)。https://doi.org/10.1186/1471-2229-11-97

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  • 环丙
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