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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 11 期
棕色棉 F3H-羟化酶基因的克隆与生物信息学分析
梁明炜1 刘海峰2 肖向文1 陆雪莹1 李艳红1 宋武2 鲁春芳1 李晓波1
(1中国科学院新疆理化技术研究所 新疆植物资源化学重点实验室,乌鲁木齐 830011;2中国彩棉(集团)股份有限公司,乌鲁木齐 830016)
摘 要: 根据葡萄的类黄酮 3-羟化酶(F3H)基因全长 cDNA序列 Blast所得棉花的 EST序列设计引物,以开花后 16 d
(DPA16)的新彩棉 5 号(XC-5)纤维为材料,利用 RACE和 RT-PCR技术分离得到了 2 个类黄酮 3-羟化酶基因 cDNA序列,此
2 个序列编码区完全相同,仅在 3UTR区存在片段长短的差异,推测可能是基因转录后加工方式不同所造成。克隆所获得的
棉花 F3H基因编码区全长 1 533 bp,编码 510 个氨基酸,氨基酸序列分析预测表明,该基因所编码蛋白含有一个跨膜结构域,
是一种分泌蛋白,定位于内质网上,并含有一段与细胞色素 P450 功能区相匹配的保守功能域;序列比对结果表明,棉花 F3H
基因与其他多个物种的 F3H基因在氨基酸序列上有较高的同源性;聚类分析结果表明,棉花 F3H蛋白与双子叶植物大豆的
F3H亲缘关系较为接近,而与单子叶植物高粱等作物则较远。
关键词: 类黄酮 3-羟化酶 棕色棉 RACE 序列分析
Cloning and Bioinformatics Analysis of Flavonoid 3-Hydroxylase
Gene GhF3Hin Brown Cotton (Gossypium hirsutum L.)Fibers
Liang Mingwei1 Liu Haifeng2 Xiao Xiangwen1 Lu Xueying1 Li Yanhong1 Song Wu2 Lu Chunfang1 Li Xiaobo1
(1Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,
Xinjiang Key Laboratory of Plant Resource and Natural Products Chemistry,Urumqi 830011;
2China Colored-Cotton (group)Co.,Ltd.,Urumqi 830016)
Abstract: Two full-length cDNA sequences encoding flavonoid 3-hydroxylase gene (F3H)were cloned from brown-colored cot-
ton (Gossypium hirsutum L.)cultivar“XC-5”fibers of 16 days post anthesis (DPA)by rapid amplification of cDNA ends (RACE)
and RT-PCR technique using specific primers based on the EST sequences from the blast results with the full-length cDNA of F3H in
Vitis vinifera and were named as GhF3H-1 and GhF3H-2 (GenBank accession:HM598123,HM598124). The two cDNA sequences
contain an identical opening reading frame (ORF)of 1 533 bp in length,encoding a protein of 510 amino acids. There are few differ-
ences between the two sequences except for the sequence length of the 3untranslational region (UTR) ,which might result from the
difference of post-transcriptional processing. The bioinformatics analyses showed that,the GhF3H protein,holding with a membrane
spanning domain,are located on endoplasmic reticulum and belongs to secretory proteins;in addition,it contains a conservative func-
tional domain which matches the cytochrome P450 binding domain;the GhF3H gene shows the highly homogeneity at amino acid level
in comparison to the F3H genes of several other higher plant species;the phylogenetic analysis of F3H genes from different species re-
veals that the GhF3H has closer relationship with the F3H from Glycine max than from other plant species.
Key words: Flavonoid 3-hydroxylase Brown fiber cotton Rapid amplification of cDNA ends (RACE) Sequence analysis
收稿日期:2011-04-08
基金项目:中国科学院新疆理化技术研究所博士启动资金项目,中国科学院“西部之光”人才培养计划项目(RCPY200802) ,转基因生物新品种
培育重大专项项目(2009ZX08005-027B)
作者简介:梁明炜,男,硕士,研究方向:植物分子生物学;E-mail:mingweiliang-mwl@ 163. com
通讯作者:李晓波,女,博士,研究方向:植物分子生物学;E-mail:xiaoboli@ ms. xjb. ac. cn
天然彩色棉是棉纤维自身具有天然色彩的棉
花[1]。由于在加工过程中无需染色,因此减少了对
环境的污染;其加工成的内衣,手感柔软,穿着舒适,
不含残留化学毒素,不会对人体健康产生危害。自
从彩色棉花的出现,彩棉色素的形成机制一直是研
究的热点。国内近些年也开展了彩棉纤维色素形成
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 11 期
机理方面的研究工作。华水金等[2]在对彩色棉纤
维的纤维素和色素合成特征研究结果中表明,棕色
棉花中类胡萝卜素和叶绿素很低,而苯丙氨酸氨基
脱氢酶活性和总黄酮量明显高于白棉花,推断类黄
酮素是彩棉色素的主要物质。此外,于伯龄[3]认
为,彩色棉纤维中的色素是花色苷类色素,但没有提
供可靠的依据和资料。阐明彩棉纤维色素形成的机
制有赖于色素合成相关基因的克隆和功能研究,目
前对彩棉纤维色素合成途径及调控的分子机理少有
研究报道。
类黄酮 3-羟化酶(flavonoid 3-hydroxylase,F3
H) (EC 1. 14. 13. 21)属于细胞色素 P450 单加氧
酶,是类黄酮合成途径中的 1 个关键酶。它能在辅
因子NAD(P)H和 O2的作用下,催化单加氧反应
[4],
在类黄酮途径中,F3H 分别羟基化柚皮素(naringe-
nin)、二氢莰非醇 (dihydro-kaempferol,DHK)、莰非
醇(kaempferol)和芹菜定(apigenin)的 B 环的 3位
置形成圣草酚(eriodictyol)、二氢槲皮素(dihydro-
quercetin,DHQ)、槲皮素(quercetin)和毛地黄黄酮
(luteolin) ,其中柚皮素是 F3H的最适底物[5],这些
产物都是合成花色素和原花色素的重要前体物质,
是花、果实和种皮中的重要成色物质[6],对于花青
素和原花青素的生物合成起重要作用。
为探索 F3H基因及类黄酮合成途径在彩棉纤
维色素形成中的作用,本研究通过葡萄中花色苷合
成途径中的类黄酮 3-羟化酶(F3H)基因的全长
cDNA序列,Blast搜索棉花 EST数据库,获得核心片
段,用 RACE 和 RT-PCR 技术从新疆彩棉品种新彩
棉 5 号(XC-5)纤维中克隆获得了 2 个 GhF3H基因
的全长序列,并提交 GenBank(登录号为 HM598123、
HM598124)。利用生物信息学方法对其氨基酸序列
的组成成分、理化性质、疏水性、二级结构、信号肽、
亚细胞定位、结构域、磷酸化位点和系统发生树等方
面进行较为全面的分析。这对于探明 F3H 基因在
彩棉色素形成过程中的可能功能和作用机制奠定前
期理论基础,也为利用基因工程技术对彩棉色彩性
状进行遗传改良提供了参考依据。
1 材料与方法
1. 1 材料
选择棕色棉品种(系)中的新彩棉 5 号(XC-5)
作为试验材料。2009 年 4 月种植于新疆天然彩色
棉花研究所试验基地,摘取开花后(DPA)16 d 的子
房。所取新鲜材料迅速放入液氮中,- 70℃保存。
参照热硼酸 /蛋白酶 K 法[7,8],提取 XC-5 纤维
(DPA16)的总 RNA。DNaseⅠ消化残留的 DNA 后,
以Oligo(dT)18为引物,使用 M-MLV、37℃ 温浴 2 h,
进行 RT-PCR 扩增,获得 cDNA 第一条链。
1. 2 方法
1. 2. 1 引物设计与生物信息学分析 利用 Prim-
er5. 0 进行引物设计,DNASTAR software 分析 DNA
序列,在 GenBank数据库里 BLAST分析核苷酸和蛋
白序列。蛋白质基本性质的分析使用 ExPASy(ht-
tp:/ /www. expasy. org / tools /)网站的相关生物信息
学分析软件进行。ProtParam分析分子量和等电点,
CFSSP分析蛋白二级结构,SignalP 3. 0 分析信号肽,
TMHMM进行跨膜螺旋预测,PSORT 进行亚细胞定
位预测。ScanProsite和 NCBI CDS (http:/ /www. nc-
bi. nlm. nih. gov /Structure /cdd /wrpsb. cgi)寻找结构
域及功能位点。根据 NetGlyc1. 0 进行 N-糖基化位
点预测,根据 NetPhos2. 0 进行磷酸化位点预测。利
用 ClustalX 软件 (http:/ /bips. u-strasbg. fr / fr /Docu-
mentation /ClustalX /)对基因组序列进行相似性比
较,MEGA软件 (http:/ /www. megasoftware. net /)进
行聚类分析。
1. 2. 2 GhF3H 基因的克隆与测序 根据 NCBI 上
公布的葡萄的 F3H 全长 cDNA 序列 (GenBank 的
登录号为 XM_002284129)用 tBlastn 程序(http:/ /
www. ncbi. nlm. nih. gov /blast)对棉花 EST 数据库进
行同源查询,获得同源性很高的棉花(白棉)的部分
EST序列,并根据电子拼接后的序列设计 RT-PCR
引物 M-F1、M-R1 和 M-F2、M-R2(表 1) ,用于扩增基
因片段。以 XC-5 纤维 DPA16 的 cDNA 为模板,扩
增棕色棉的 F3 H 基因片段。3 RACE 方法参照
TaKaRa公司试剂盒说明书,RACE 基因特异引物为
3-GSP1、3-GSP2(表 1)。5RACE方法参照 Invitro-
gen公司 5RACE 试剂盒说明书,基因特异引物为
5-GSP1、5-GSP2、5-GSP-3(表 1)。
PCR扩增体系为 50 μL,包括 10 × PCR Buffer,
0. 2 mmol /L dNTP,1. 5 mmol /L MgCl2,上下游引物
各 0. 2 μmol /L,1 U Taq DNA 聚合酶(宝生物)。扩
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2011 年第 11 期 梁明炜等:棕色棉 F3H-羟化酶基因的克隆与生物信息学分析
增程序:95℃预变性 3 min;94℃ 45 s,55℃ 45 s,
72℃ 1 min,35 个循环;72℃延伸 10 min。
PCR 产物经 1%琼脂糖凝胶电泳后,用鼎国
公司的胶回收试剂盒回收 DNA,连入 Promega 公
司 pGEM-T Easy 载体,鉴定后送 TaKaRa 公司
测序。
把测序所得的 3、5及中间部分序列拼接后,根
据 ORF两端序列设计引物扩增全长 ORF,PCR产物
电泳回收后,连入 pGEM-T Easy 载体,鉴定后送
TaKaRa公司测序。
表 1 F3H基因克隆测序所用引物序列
引物名称 引物序列(5 - 3) 用途
M-F1 AAGCGCCGCCGTCTGCCTCTC 核心片段 1 上游引物
M-R1 CAAGCGCCGGAATGAAGTCG 核心片段 1 下游引物
M-F2 GGGGCAAGTGATGATGGGGAAAAG 核心片段 2 上游引物
M-R2 CCGCCGGGCAAGAACCTC 核心片段 2 下游引物
3-GSP1 TTGCCCAATCTAACCTACTTCCA 3RACE上游特异性引物 1
3-GSP2 GCCGTCATCAAAGAAACCTTCC 3RACE上游特异性引物 2
5-GSP1 GGACGCTGCCACCACAA 5RACE下游特异性引物 1
5-GSP2 GCCACCACAACATCCACGA 5RACE下游特异性引物 2
5-GSP3 CCACAACATCCACGAACCC 5RACE下游特异性引物 3
ORF-F ATGGCCTCCTTTGTTCTATATTC ORF上游特异性引物
ORF-R TCAATAAGCATGCTTTGATAACC ORF下游特异性引物
2 结果
2. 1 F3H基因克隆和测序
以葡萄的 F3H全长 cDNA序列(GenBank的登
录号为 XM_002284129)为探针,在棉花 EST数据库
中获得多个同源性高的序列,对其中的 3 个 EST 序
列(GenBank 的登录号为 DT545210、CO071403 和
BG447485)进行电子拼接后,得到 1 299 bp 的片段,
用 DNA序列软件分析该片段,没有包含完整的 ORF
阅读框。根据电子拼接的序列,设计两对引物,以
XC-5 的 DPA16 纤维细胞 cDNA 为模板进行扩增,
测序得到 565 bp(靠近 5端)和 681 bp(靠近 3端)
的两个片段,整合后,得到 1 154 bp 序列,经 tBlastn
分析,同其他物种 F3H 基因高度同源,初步确认为
棉花 F3H的核心序列。
根据测序得到的核心序列,按照 RACE 试剂
盒要求分别设计 3、5 RACE 基因特异引物进行
巢式 PCR 反应扩增末端序列。3 RACE 经两轮
PCR 后扩增出 3 个片段,回收测序后分别为 629、
743 和 760 bp(图 1-A)。5RACE 经反转录和两
轮 PCR 后扩增出一个片段,回收测序为 369 bp
(图 1-B)。
A. 3RACE:M. marker;1. 3-GSP2,3-Inner扩增片段
B. 5RACE:M. marker;1. 5-GSP3,AUAP扩增片段
图 1 3RACE及 5RACE扩增 F3H基因
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 11 期
将核心片段、3-末端和 5-末端拼接后得到 3 个
序列,大小分别为 1 761、1 875 和 1 892 bp。EditSeq
分析发现,3 个序列 5端起始密码子 ATG 上游有一
同框终止密码子 TAA存在,3端有 poly(A)结构,包
含完整的 ORF,表明 3 个序列均是完整的基因全长
cDNA,又经设计 ORF 上下游引物扩增 ORF 区,测
序表明 ORF 区完全一样。这 3 个 cDNA 的编码区
完全相同,5端非编码区(5UTR)也一样,差别仅在
3端非编码区(3UTR) ,其中长为 1 761 bp的 cDNA
的 poly-A位置在另两个 cDNA的 poly-A的上游 113
bp处,推测可能是同一基因转录后加工方式不同所
造成,而长为 1 875 bp 的 cDNA 与长为 1 892 bp 的
cDNA的 poly-A 位置一样,但 poly-A 短 17 bp,推测
可能是由于此处 poly-A 容易断裂所致,因此未将长
为 1 875 bp 的 cDNA 提交 GenBank。长度为 1 761
和 1 892 bp 的两个序列,均含有一个从 97 bp 到
1 629 bp、长度为 1 533 bp 的开放阅读框,编码 510
个氨基酸,将这两个序列命名为 GhF3H-1、GhF3H-
2,分别提交 GenBank,登录号为 HM598123 和
HM598124,其 cDNA 序列及推定的氨基酸序列见
图 2。
2. 2 GhF3H蛋白保守性及结构分析
用 Expasy ProtParam 程序对 GhF3H 的氨基酸
序列进行了一级结构的分析,其理论分子量为
56. 80 kD,等电点(pI)为 9. 12,其中 Leu (L)最多,
共 63 个,占整个氨基酸的 12. 4%,其次为 Ala(A) ,
共 46 个,占 9. 0%,而 Trp (W)较少,只有 7 个,占
1. 4%,最少的是 Cys (C) ,仅有 3 个,占 0. 6%,其中
带负电荷的氨基酸有 52 个,带正电荷的氨基酸有
59 个。其不稳定指数(instability index)为 40. 66,在
酵母和大肠杆菌中的半衰期分别大于 20 h 和大于
10 h,是一个相对稳定的蛋白。脂肪族氨基酸指数
(aliphatic index)较高,达到 92. 76,这是由于其中含
有较多的亮氨酸(Leu)。总平均疏水值(grand aver-
age of hydropathicity,GRAVY)为 - 0. 096,含有 249
个疏水性氨基酸残基,是个疏水性蛋白。
通过 CFSSP 分析,GhF3H 蛋白含有 71. 8%的
Helix,38. 0%的 Sheet,9. 6%的 Turns。SignalP 信号
肽预测表明,N 端信号肽裂解位点最有可能位于氨
基酸序列的第 29 - 30 位,即 RLP-LP;但 SignalP-
HMMN预测结果是,其为信号肽的概率仅有 35. 1%,
而属于信号锚的概率为 59. 3%,其最有可能的断裂
位点在氨基酸序列上第 22 - 23 位。TMHMM 进行
跨膜螺旋预测表明,该蛋白第一个氨基酸位于胞内,
第 2 - 21 位属于跨膜螺旋,第 22 - 510 位于胞外。
PSORT进行亚细胞定位预测表明,该蛋白位于内质
网膜上的概率为 82. 0%,而位于质膜上的概率仅为
19. 0%,位于过氧化物酶体的概率为 11. 9%,位于
内质网腔中的概率为 10. 0%。综合考虑信号肽、跨
膜螺旋及亚细胞定位预测结果,可以推测该蛋白属
于 Type Ib(Nexo Ccyt)膜蛋白,N端含有一个不被切
割的信号锚,锚定于内质网膜中,C 端位于内质网腔
中,蛋白合成后经膜泡转运到细胞膜上,从而 C 端
位于胞外,因此是一种分泌蛋白。
用 NCBI CDS进行保守区预测表明,GhF3H 蛋
白含有细胞色素 P450 的保守区域,有 7 个 Trp 中有
4 个是完全保守的,3 个 Cys 是完全保守的,这对于
保证该蛋白的功能具有重要意义。用 ScanProsite进
一步预测得知,细胞色素 P450 半胱氨酸亚铁血红素
信号位于该蛋白氨基酸序列的第 439 - 449 位。细
胞色素 P450 是亚铁血红素 -硫醇盐蛋白,具有氧化
降解各种毒素和突变剂的作用,含有一段保守的血
红素结合区域(heme-binding region) ,其氨基酸序列
特征为 P-F-G-X-G-R-R-X-C-X-G,其中 Cys 作为亚
铁血红素中铁离子的第 5 个(中轴)配基,在整个
P450 家族中都是绝对保守的[9]。
NetNGlyc 1. 0 Server 分析表明,N-糖基化位点
位于第 93 和 351 位的天冬酰胺 Asn。根据 NetPhos
2. 0 Server预测,磷酸化位点共 17 个:Ser 12 个,Thr
2 个,Tyr 3 个,说明该蛋白翻译后修饰的主要方式
之一是磷酸化。
GhF3H蛋白序列与来自其他 16 个植物物种的
蛋白序列进行比对(图 3) ,其中相似性最低为高粱
(登录号为 AY675075. 1) ,与之相同氨基酸达 61%,
相似 氨 基 酸 达 77%;与 洋 葱 (登 录 号 为
AY541035. 1)之间相同氨基酸达 62%,相似氨基酸
达 76%;与拟南芥(登录号为 AF271650. 1)之间相
同氨基酸达 66%,相似氨基酸达 82%;与紫苏(登录
号为 AB045593. 1)之间相同氨基酸达 67%,相似氨
基酸达 83%;与欧洲油菜(登录号为 DQ324379. 1)
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图 2 GhF3H-1(左)、GhF3H-2(右)基因 cDNA序列及推定氨基酸序列
之间相同氨基酸达 68%,相似氨基酸达 83%;与龙
胆(登录号为 AB193313. 1)之间相同氨基酸达
68%,相似氨基酸达 83%;与番薯(登录号为
EU402465. 1)之间相同氨基酸达 69%,相似氨基酸
达 82%;与三枝九叶草(登录号为 HM011054. 1)之
间相同氨基酸达 69%,相似氨基酸达 83%;与天竺
葵(登录号为 AF315465. 1)之间相同氨基酸达
70%,相似氨基酸达 83%;与肾叶打碗花(登录号为
AB563485. 1)之间相同氨基酸达 70%,相似氨基酸
达 83%;与大丁草(登录号为 DQ218417. 1)之间
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相同氨基酸达 71%,相似氨基酸达 84%;与山竺
(登录号为 FJ197132. 1)之间相同氨基酸达 72%,
相似 氨 基 酸 达 85%;与 矮 牵 牛 (登 录 号 为
AF155332. 1)之间相同氨基酸达 73%,相似氨基
酸达 85%;与矢车菊(登录号为 FJ753550. 1)之
间相同氨基酸达 73%,相似氨基酸达 86%;与大
豆(登录号为 FJ483941. 1)之间相同氨基酸达
74%,相似氨基酸达 88%;与葡萄(登录号为
DQ786632. 2)之间的相似性最高,相同氨基酸达
77%,相似氨基酸达 87%。其中,相同氨基酸是
指在用软件 ClustalX 进行蛋白序列化比对时,在
对应位置的氨基酸完全相同;相似氨基酸指对应
位置的氨基酸虽不完全相同,但具有相近的性质
功能。
用 MEGA软件对这几个物种 F3H 进行聚类分
析,结果(图 4)表明,棉花的 F3H 蛋白与双子叶植
物大豆的 F3H 亲缘关系较为接近,而与单子叶植
物高粱等作物的 F3H较远。
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2011 年第 11 期 梁明炜等:棕色棉 F3H-羟化酶基因的克隆与生物信息学分析
图中序列号为各物种类黄酮 3-羟化酶氨基酸序列。HM598123. 1 为陆地棉(Gossypium hirsutum) ;FJ483941. 1 为大豆(Glycine
max) ;FJ197132. 1 为山竺(Garcinia mangostana) ;DQ786632. 2 为葡萄(Vitis vinifera) ;DQ218417. 1 为非洲菊(Gerbera hybrid) ;
FJ753550. 1 为矢车菊(Centaurea cyanus) ;HM011054. 1 为三枝九叶草(Epimedium sagittatum) ;EU402465. 1 为番薯(Ipomoea bata-
tas) ;AB563485. 1 为肾叶打碗花(Calystegia soldanella) ;AF155332. 1 为矮牵牛(Petunia hybrida) ;AB193313. 1 为龙胆(Gentiana tri-
flora) ;AB045593. 1 为紫苏(Perilla frutescens) ;DQ324379. 1 为欧洲油菜(Brassica napus) ;AF271650. 1 为拟南芥(Arabidopsis thali-
ana) ;AF315465. 1 为天竺葵(Pelargonium hortorum) ;AY675075. 1 为高粱(Sorghum bicolor) ;AY541035. 1 为洋葱(Allium cepa) ,下
同;下划线表示 F3H的 6 个保守区域;黑色三角形表示高度保守的亚铁血红素结合的半胱氨酸区域
图 3 来源于不同物种的类黄酮 3-羟化酶的相似性比较
图 4 不同物种类黄酮 3-羟化酶基因聚类分析
3 讨论
植物花青素是黄酮类化合物,是花卉、果实和种
皮中的重要成色物质。花青素主要包括天竺葵色
素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛色素、
锦葵色素及其衍生物[10],积累在维管植物液泡中。
不同的花色苷形成了从红色到紫色等各种不同的
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颜色。
类黄酮 3-羟化酶(F3H)是类黄酮合成途径中
的一个关键酶,它能催化合成花和种皮中的重要成
色物质———花色素和原花色素的前体,如槲皮素
(quercetin)和木犀草素(luteolin)等。
F3H 是与细胞色素 P450 相联系的膜复合体,
很难被分离;在植物中,通过用大量类似 P450 的序
列比对出与 P450 家族高度同源的保守区来克隆
F3 H 基因很困难[11,12]。直到 1999 年,Brugliera
等[13]才首次从矮牵牛(Petunia hybrida)得到 F3H
的 cDNA全长。本研究中,利用高度同源的保守区
也未直接克隆到基因全长,而通过克隆核心片段及
结合 RACE技术,得到了 2 个全长 GhF3H 基因序
列,此 2 个序列编码区完全相同,仅在 3UTR 区存
在片段长短的差异,推测可能是基因转录后加 poly-
A的方式不同所造成,而 3UTR是 miRNA通常的靶
向位点,也是许多反式作用因子的结合位点,因此推
测这可能与 mRNA的调控多样性有关。
棉花 GhF3H 基因与其他植物 F3H 基因相比
在氨基酸序列上有较高的同源性,利用生物信息学
的方法对该基因氨基酸序列分析及功能预测的结果
表明,GhF3H蛋白含有细胞色素 P450 的功能结构
域,且保守性很强,这些结构特点可能对于保证该蛋
白的功能具有重要意义。从信号肽预测、跨膜结构
域及亚细胞定位预测结果推测,该蛋白属于 Type Ib
(Nexo Ccyt)膜蛋白,N端含有一个不被切割的信号
锚,锚定于内质网膜中,C 端位于内质网腔中,蛋白
合成后经膜泡转运到细胞膜上,从而 C 端位于胞
外,因此是一种分泌蛋白。
参 考 文 献
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