橡膠草分子生物學(xué)研究進(jìn)展及展望

羅成華 閆潔

(1.新疆石河子工程技術(shù)學(xué)校 新疆石河子 832003;2.石河子大學(xué) 新疆石河子 832003)

*通訊作者:閆潔。

橡膠草,菊科蒲公英屬多年生宿根型草本植物,全球三大產(chǎn)膠植物之一。其根葉有乳管組織,所產(chǎn)橡膠結(jié)構(gòu)和性能與普通橡膠樹膠乳類似,所產(chǎn)橡膠在多年生植株根內(nèi)含量高達(dá)20%,因而具有極好的開發(fā)前景。同時,作為一種產(chǎn)橡膠植物,橡膠草也能作為一種模式植物來研究橡膠樹膠乳的產(chǎn)生機(jī)理。國內(nèi)外學(xué)者對其分子生物學(xué)的相關(guān)研究始于二十一世紀(jì),目前,主要集中于對其橡膠合成相關(guān)基因及產(chǎn)橡膠顆粒蛋白等方面的研究。

1 橡膠草順式異戊二烯轉(zhuǎn)移酶基因TkCPT1-3的克隆與定性

Thomas Schmidt等[1]基于一些其它植物已知CPT基因的多重序列,克隆出cDNA末端,將這些全長cDNA序列分別命名為TkCPT1-3,并證明這3種蛋白質(zhì)促進(jìn)了橡膠草體內(nèi)膠乳的生物合成。

2 橡膠草產(chǎn)橡膠顆粒蛋白基因TkSRPP1-5的克隆與定性

Thomas Schmidt等[1]利用RT-PCR技術(shù),從橡膠草膠乳中獲得了TkSRPP1-5的五個全長cDNA。分析發(fā)現(xiàn)這5種蛋白質(zhì)的氨基酸序列呈保守性,最高相似度為66%,而最低相似度也高達(dá)41%。

3 TkCPT和TkSRPP基因在橡膠草組織內(nèi)的空間表達(dá)分析

Thomas Schmidt等[1]比較了上述8個基因在橡膠草膠乳、根、葉柄、花、葉中的表達(dá)情況。結(jié)果表明,TkSRPP2在葉柄和根中表達(dá)情況微弱,而在膠乳、葉片和花中表達(dá)量相當(dāng),另外4個基因則主要在膠乳中表達(dá)。此外,TkSRPP3只在根中表達(dá)微弱;TkSRPP4在葉柄、根和花中表達(dá)水平較低。

4 TkSRPP和TkCPT基因在橡膠草組織內(nèi)的時序表達(dá)分析

Thomas Schmidt等[1]還研究了上述8個基因在橡膠草體內(nèi)的時序表達(dá)情況,結(jié)果表明,在2周時,TkCPT2高水平表達(dá),其余的4種基因則低水平表達(dá),然后在4-6周時輕微地高水平表達(dá)。除TkSRPP1、3的表達(dá)水平有輕微降低趨勢外,其余基因在12周時均能呈高水平表達(dá)。TkCPT1基因在4-6周時表達(dá)強烈,而TkCPT3在此時間段則低水平表達(dá),此外,TkCPT2基因在2周時未表達(dá),但此后表達(dá)呈逐漸增加趨勢,到12周時強烈表達(dá)。

在橡膠草膠乳中,主要有這8個基因中的5個(TkSRPP2,TkCPT2、3除外)表達(dá),且在橡膠草種子萌發(fā)4-6周這個時間段,表達(dá)量明顯呈增加趨勢,研究者在此時間段正好能首次從橡膠草中提取出高質(zhì)量的橡膠,這說明至少上述5種基因與橡膠的生物合成有關(guān)。

5 橡膠顆粒體外生物合成活力研究

Thomas Schmidt等[2]研究表明,橡膠草轉(zhuǎn)橡膠顆粒橡膠體外合成酶活性大約為0.2pmol/min.mg,該酶的最適Mg2+濃度為4-5mM,此外,橡膠顆粒在試管中最高只能合成分子量為2500kDa的聚異戊二烯鏈,這說明橡膠在體外只能部分合成。

6 橡膠草中多酚氧化酶對膠乳凝聚的分子生物學(xué)研究

Daniela Wahler等[3]研究發(fā)現(xiàn)橡膠草膠乳中存在著高豐度的多酚氧化酶(PPO),進(jìn)一步研究表明,殘留的PPO活性與其膠乳凝結(jié)速率之間存在著明顯關(guān)系,這表明在橡膠草繳入的凝結(jié)和褐化過程中,其中所含的PPO起著重要作用。

7 橡膠草分子生物學(xué)研究意義及展望

目前國內(nèi)外對橡膠草主要集中于分子生物學(xué)及生理特征方面的研究,而對其高頻再生體系及遺傳轉(zhuǎn)化方面的研究較少。鑒于此,研究者今后應(yīng)集中于建立橡膠草高頻再生體系,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化研究,從而建立橡膠草的遺傳轉(zhuǎn)化體系,研究其產(chǎn)膠機(jī)理、改良膠乳的性狀、提高植株的抗逆性、并以橡膠草為模式植物對橡膠樹生物合成相關(guān)基因進(jìn)行功能研究等,因而具有極高的應(yīng)用及研究價值。

[1]Thomas Schmidt,Andrea Hillebrand,David Wurbs.Molecular Cloning and Characterization of Rubber Biosynthetic Genes from Taraxacum kokaghyz[J].Plant Molecular Biology Reports,2010,28:277-284.

[2]Thomas Schmidt,Malte Lenders,Andrea Hillebrand.Characterization of rubber particles and rubber chain elongation in Taraxacum koksaghyz[J].BMC Biochemistry,2010,11:11-21.

[3]Daniela Wahler,Christian Schulze Gronover,Carlin Richter.Polyphen-oloxidase Silencing Affects Latex Coagulation in Taraxacum Species[J].Plant Physiology,2009,151:334-346.