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Cloning and Expression Analysis of the SmGGPPS3 Gene from Salvia miltiorrhiza

丹参SmGGPPS3基因的克隆及表达分析



全 文 :植物科学学报  2014ꎬ 32(1): 50~ 57
Plant Science Journal
    DOI:10􀆰 3724 / SP􀆰 J􀆰 1142􀆰 2014􀆰 10050
丹参 SmGGPPS3基因的克隆及表达分析
化文平1ꎬ2ꎬ 宋双红1ꎬ 智 媛1ꎬ 王喆之1∗
(1. 药用资源与天然药物化学教育部重点实验室ꎬ 西北濒危药材资源开发国家工程实验室ꎬ 陕西师范大学ꎬ 西安 710062ꎻ
2. 陕西学前师范学院生物科学与技术系ꎬ 西安 710062)
摘  要: 香叶基香叶基焦磷酸合酶(Geranylgeranyl pyrophosphate synthaseꎬ GGPPS)是植物细胞二萜类物质
合成的重要调节靶点ꎮ 本研究从药用植物丹参中克隆了一条新的 GGPPS 基因 (SmGGPPS3)ꎬ 基因全长
2908 bpꎬ 包含一个 931 bp的内含子和一个 960 bp的编码序列ꎮ 推测的氨基酸序列与蓖麻、 橡胶、 拟南芥等植
物 GGPPS一致性达到 67%以上ꎮ 实时定量 PCR 结果显示ꎬ SmGGPPS3 基因在丹参不同发育时期不同器官中
表达差异显著ꎬ 同时受茉莉酸甲酯和病原菌的诱导ꎮ 遗传互补实验也表明ꎬ SmGGPPS3编码蛋白具有 GGPP合
酶的活性ꎮ
关键词: 丹参ꎻ 香叶基香叶基焦磷酸合酶(GGPPS)ꎻ 基因克隆ꎻ 基因表达
中图分类号: Q943􀆰 2          文献标识码: A          文章编号: 2095 ̄0837(2014)01 ̄0050 ̄08
      收稿日期: 2013 ̄07 ̄22ꎬ 修回日期: 2013 ̄09 ̄28ꎮ
  基金项目: 陕西省教育厅项目(12JK0833)ꎻ 陕西省博士后科研项目ꎻ 陕西学前师范学院基金(11KJ007)ꎮ
  作者简介: 化文平(1980-)ꎬ 男ꎬ 博士ꎬ 讲师ꎬ 从事药用植物生物技术研究(E ̄mail: huawenping@126􀆰 com)ꎮ
  ∗通讯作者(Author for correspondence􀆰 E ̄mail: zzwang@snnu􀆰 edu􀆰 cn)ꎮ
Cloning and Expression Analysis of the SmGGPPS3
Gene from Salvia miltiorrhiza
HUA Wen ̄Ping1ꎬ2ꎬ SONG Shuang ̄Hong1ꎬ ZHI Yuan1ꎬ WANG Zhe ̄Zhi1∗
(1. Key Laboratory of the Ministry of Education for Medicinal Resources and Natural Pharmaceutical Chemistryꎬ National Engineering
Laboratory for Resource Development of Endangered Crude Drugs in Northwest of Chinaꎬ Shaanxi Normal Universityꎬ Xi􀆳anꎬ
710062ꎬ Chinaꎻ 2. Department of Life Sciences and Technologyꎬ Shaanxi Xueqian Normal Universityꎬ Xi􀆳an 710100ꎬ China)
Abstract: Geranylgeranyl pyrophosphate synthase (GGPPS) is an important target site for
regulating diterpenoid biosynthesis in plant cells. Nowꎬ a novel geranylgeranyl pyrophosphate
synthase gene (SmGGPPS3) was cloned from the medicinal plant Salvia miltiorrhiza. The full ̄
length SmGGPPS3 consists of 2908 nucleotidesꎬ including a 931 ̄bp intron and one 960 ̄bp
ORF encoding region. The deduced protein of SmGGPPS3 showed more than 67% similarity
with GGPPSs from Ricinus communisꎬ rubber and Arabidopsis. Quantitative RT ̄PCR analysis
revealed that SmGGPPS3 was significantly expressed in different development stages and
different tissues examinedꎬ and could be induced by methyl jasmonate(MeJA) and pathogens.
Furthermoreꎬ the genetic complementation expression of SmGGPPS3 in Escherichia coli
revealed that SmGGPPS3 encoded a functional GGPP synthase.
Key words: Salvia miltiorrhizaꎻ GGPPSꎻ Gene cloneꎻ Gene expression
    香叶基香叶基焦磷酸合酶 (Geranylgeranyl
pyrophosphate synthaseꎬ geranylgeranyl diphos ̄
phate synthaseꎬ GGPPS) (EC: 2􀆰 5􀆰 1􀆰 29)ꎬ 又
称牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶ꎬ 催化 1分子法尼
基焦磷酸(Farnesyl diphosphateꎬ FPP)和 3 分子
异戊烯基焦磷酸( Isopentenyl diphosphateꎬ IPP)
缩合生成 20 碳的香叶基香叶基焦磷酸 (Gera ̄
nylgeranyl pyrophosphateꎬ GGPP )ꎬ 为赤霉素
类、 二萜类、 胡萝卜素类、 醌和维生素 E 侧链等
物质骨架结构的合成提供了起始前体物[1]ꎮ 同时ꎬ
它还能催化 DMAPP 或 GPP(C10)作为烯丙基单
体的转移反应ꎬ 实现蛋白的异戊二烯化(prenyla ̄
tion) [2]ꎮ GGPP是多种次生代谢物的前体物质ꎬ
且在模式植物拟南芥的研究中发现细胞中 GGPP
物质的含量制约着拟南芥二萜类物质的合成[3]ꎬ
GGPPS作为 GGPP合成的最后步骤的调控酶ꎬ 调
控着植物代谢中碳流的方向ꎬ 是二萜类物质合成途
径中的一个关键酶ꎮ 目前ꎬ 已在多个物种中开展了
该基因的克隆和功能分析ꎮ
丹参酮是大宗药材丹参中的一类主要活性成
分ꎬ 包含以丹参酮ⅡA 为主的 40 余种二萜醌类化
合物ꎬ 具有扩张血管和保护心肌等功效ꎬ 在临床上
被广泛应用于心血管疾病的治疗[4ꎬ5]ꎮ 近年来ꎬ 研
究发现丹参酮还具有抗氧化、 抗炎、 抗菌、 抗肿瘤
等药理作用ꎬ 并已广泛应用于各种临床治疗[6ꎬ7]ꎮ
随着丹参市场需求的日益增加ꎬ 通过基因工程等调
控手段改造丹参酮合成途径ꎬ 提高丹参酮类物质含
量ꎬ 已成为丹参育种和缓解丹参资源压力的重要途
径ꎮ
在丹参中对二萜类的重要调控位点 GGPPSꎬ
也已进行了大量的研究ꎬ 并成功克隆了丹参 GG ̄
PPS基因家族的 SmGGPPS1 和 SmGGPPS2 两个
成员的编码基因[8-10]ꎬ 前人对 SmGGPPS1 和
SmGGPPS2基因结构、 表达及蛋白活性进行了研
究ꎬ 发现 SmGGPPS1和 SmGGPS2可能分别主要
参与叶绿素等物质的合成和花中花青素的合
成[8-10]ꎮ 在丹参高通量转录组测序数据库[11]中ꎬ
我们发现了另一条 GGPPS 编码基因 (命名为:
SmGGPPS3)ꎮ 本研究对 SmGGPPS3 的全长序列
进行了克隆ꎬ 并对其表达模式和 GGPP 合酶活性
进行了分析ꎬ 以期为进一步研究丹参 GGPPS 基因
在丹参酮等二萜类物质合成中的作用奠定基础ꎮ
1  材料与方法
1􀆰 1  材料
丹参(Salvia miltiorrhiza Bunge)种子采自陕西
商洛ꎬ 种植于人工气候箱(宁波ꎬ RXZ2500D) 内ꎬ
培养条件为: 光照强度 150 μmol􀅰m-2􀅰s-1ꎬ 光周
期为光照 16 h /黑暗 8 hꎻ 温度(25±2)℃ꎬ 湿度
48%ꎮ 对种子萌发后 2 d、 2 周、 2 个月以及花期
(一年生)的植株分别取材ꎬ 作为萌芽期、 幼苗期、
生长期和花期的实验材料ꎮ 花期的丹参分别取根、
茎、 叶和花ꎮ 取幼苗期的材料用于 MeJA和菌的诱
导处理ꎮ 上述材料取材后均液氮速冻并 -80℃
储藏ꎮ
RNA提取试剂盒和 DNase等购自 OMEGA公
司ꎻ SYBR Green Ⅱ Premix Ex Taq、 pMD19 ̄T
simple vector和反转录试剂盒购自 TaKaRa 生物
公司ꎻ 甘蓝黑腐病黄单胞菌 (Xanthomonas cam
pestris pv. campestrisꎬ XC)和大肠杆菌 DH5α
均由本实验室保存ꎻ pACCR25AcrtE 及 pBH(含
mouse GGPPS 基因 ) 质粒由德国 Universität
Konstanz 大学的 Sandmann 博士赠送ꎮ pBlue ̄
script ⅡSK(-)空载质粒由 pBH 质粒改造而成ꎮ
1􀆰 2  方法
1􀆰 2􀆰 1  SmGGPPS3基因的克隆
经 Blast X分析发现ꎬ 在丹参高通量转录组数
据中 unigene53005(488 bp)与蓖麻 GGPPS 基因
编码蛋白序列存在很高的相似性ꎬ 将序列命名为
SmGGPPS3ꎮ 依据此序列设计 BD walking 引物
(见表 1)ꎬ 扩增 SmGGPPS3 基因的两端未知序
列ꎮ 以 CTAB法提取丹参基因组 DNA[12]ꎬ 并构建
BD Genome WalkerTM文库[13]ꎮ
每一次染色体步移包含两个独立的 PCR 扩
增ꎬ 每一个扩增由两步 PCR 反应组成ꎮ 具体流
程包括: Primary PCR 反应以接头引物 AP1 和特
异引物 GSP1 为引物ꎬ 文库 DNA 为模板ꎬ 反应
程序为: 扩增 7 个循环(94℃变性 25 sꎬ 70℃延
伸 3 min)ꎬ 而后再扩增 32 个循环 ( 94℃变性
25 sꎬ 67℃延伸 3 min)ꎻ 第二轮 PCR 反应以 10
倍稀释的 Primary PCR 反应产物为模板ꎬ 以接头
引物 AP2 和特异引物 GSP2 为引物进行扩增ꎬ 扩
增程序为: 扩增 5 个循环(94℃变性 25 sꎬ 70℃
延伸 3 min)ꎬ 而后再扩增 20 个循环(94℃变性
25 sꎬ 67℃延伸 3 min)ꎮ 第二轮 PCR 产物经过
纯化ꎬ 连接到 pMD19  ̄T 载体ꎬ 转入 DH5α 菌克
隆后ꎬ 送上海生工生物工程技术服务有限公司进
行测序ꎮ
15  第 1期                        化文平等: 丹参 SmGGPPS3基因的克隆及表达分析
表 1  SmGGPPS3基因 5′和 3′序列克隆所用引物
Table 1  Primers used for cloning the 5′ and 3′ regions of the SmGGPPS3 gene
引物  Primer 引物序列  Primer sequences
接头引物
Adaptor primer
AP1
AP2
5′ ̄GTAATACGACTCACTATAGGGC ̄3′
5′ ̄ACTATAGGGCACGAGTGGT ̄3′
3′端引物
For 3′ end
GSP1
GSP2
5′ ̄ACGAAACTGCAGCCGGAGGAGAAGGAT ̄3′
5′ ̄TGTATGGAGTCGAGAAAGCGATGGAGGT ̄3′
5′端第一轮引物
First amplification
GSP1
GSP2
5′ ̄CTCATCATCTGAAGCACCGGCGAGTAGG ̄3′
5′ ̄CTCCACAGACAGCAGAGCACTGGCCCAT ̄3′
5′ 端第二轮引物
Second amplification
GSP1
GSP2
5′ ̄AAGTGGGATGGTTGCCAGCATACGAA  ̄3′
5′ ̄GATTGCCTAGTTCAAGCAAAGTTGGACGT  ̄3′
    测序序列经 CAP 3 程序(http: / / pbil. univ ̄
lyon1. fr / cap3. php)拼接ꎬ 得到 2908 bp 长的片
段ꎬ 包含 891 bp的 5′端序列和完整的 ORFꎮ 依据
该 gDNA序列ꎬ 我们设计以下引物扩增得到 SmG ̄
GPPS3 基因的全长ꎬ 引物序列为: G3S ̄S: 5′ ̄
GTGGATCCTATGTTTGCTGCCGAAGGTCAC ̄3′
(下划线为 Bam HⅠ酶切位点)和 G3S ̄R: 5′ ̄
AAATATGCGGCCGCAACCAATCAGAAGCCAAT ̄
3′(下划线为 Not Ⅰ酶切位点)ꎮ
1􀆰 2􀆰 2  序列分析
利用 DNAStar 软件及 ProtParam 等在线工具
进行核酸及氨基酸序列的理化性质分析、 开放阅读
框(Open reading frameꎬ ORF)的查找和翻译ꎻ
核酸及氨基酸序列的同源性分析和多序列比对采用
Blast ( http: / / blast. ncbi. nlm. nih. gov / Blast.
cgi) 和 Clustal W ( http: / / blast. ncbi. nlm. nih.
gov / Blast. cgi)在线工具完成ꎻ 蛋白质信号肽的预
测、 跨膜结构域和亚细胞定位等分析主要采用在线工
具 SignalP 3􀆰 0 server(http: / / www. cbs. dtu. dk /
services / SignalP / )、 TMHMM ( http: / / www. cbs.
dtu. dk / services / TMHMM ̄2􀆰 0/ )和 Psort ( http: / /
www. psort. org / )完成ꎻ 蛋白质二级结构的预测
利用 SOPMA在线工具完成ꎮ
1􀆰 2􀆰 3  SmGGPPS3编码蛋白GGPP合酶活性检测
将含 SmGGPPS3基因的 T载体质粒经由 Bam
HⅠ和 NotⅠ双酶切后与 pBluescript Ⅱ SK(-)质
粒相连ꎮ 将连接产物转入 E. coli DH5αꎬ 随机挑
选所得阳性克隆ꎬ 于新鲜 LB 培养基(含 50 mg / L
的氨苄青霉素 Amp)中培养ꎬ 经菌落 PCR 检测挑
选阳性克隆并提取质粒 DNAꎮ 所获得的质粒标记
为 pBGGPPSꎮ 将 pBGGPPS 质粒分别与 pAC ̄
CR25ΔcrtE质粒和 pBH (含 human GGPPS基因)
转化大肠杆菌 E. coli DH5αꎬ 在含有氨苄青霉素
(Ampꎬ 50 mg / L)和氯霉素 (Chlꎬ 25 mg / L)的
LB平板上 37℃筛选培养 16~18 hꎮ 挑取单菌落在
含有以上两种抗生素的两种培养基上继代培养12~
14 h后ꎬ 在含 Chl 抗生素 LB 固体培养基上划线ꎬ
28℃恒温培养 2~3 d 后观察菌线颜色变化ꎮ 选用
含质粒 pACCR25ΔcrtE、 pACCR25ΔcrtE +pBlue ̄
script Ⅱ SK(空载)的菌株为阴性对照ꎻ 含 pAC ̄
CR25ΔcrtE + pBH 和 pACCR25ΔcrtE + pBG (含
SmGGPPS1基因)的菌株为阳性对照ꎮ
1􀆰 2􀆰 4  表达模式检测
用OMGEA公司的RNA提取试剂盒提取丹参各
样品的总 RNAꎬ 第一条链 cDNA合成严格按照反转
录试剂盒 PrimeScript® RT reagent Kit(TaKaRa)说
明书合成ꎮ 合成的样品 cDNA稀释 50倍后为模板进
行实时荧光定量 PCR反应ꎮ 以持家基因 β ̄actin 为
内参 ( β ̄actinF: 5′ ̄AGGAACCACCGATCCAGA ̄
CA ̄3′ 和 β ̄actinR: 5′ ̄GGTGCCCTGAGGTCCT ̄
GTT ̄3′)ꎬ 检测 SmGGPPS3 基因的表达量ꎮ 采用
Primer Premier 5􀆰 0 设计荧光定量 PCR 扩增引物
(F: 5′ ̄GGCCAGTGCTCTGCTGTCTGTG ̄3′和 R: 5′ ̄
TCGGCCACCTCCATCGCTT ̄3′)ꎮ PCR 反应程序
为: 95℃ 3 minꎻ 95℃ 10 sꎬ 60℃ 30 sꎬ 40 个循
环ꎮ 每个样品 3 个重复ꎮ 数据分析采用比较
“2-ΔΔCt”的方法[14]ꎮ 采用 SPSS 13􀆰 0 中 one ̄way
ANOVA方法进行单因素方差分析ꎬ 利用 Tukey
test分析各样品间基因表达差异的显著性ꎬ 并以不
同字母符号标识样品间显著性差异(p<0􀆰 05)ꎮ
25 植 物 科 学 学 报 第 32卷 
2  结果
2􀆰 1  SmGGPPS3基因的克隆及分析
对我们获得的丹参高通量转录组数据进行分析
发现ꎬ 除 SmGGPPS1 和 SmGGPPS2 外ꎬ uni ̄
gene53005(488 bp)与蓖麻(Ricinus communisꎬ
EEF32584)、 橡胶(Hevea brasiliensisꎬ BAF98303)
等植物 GGPPS 序列具有较高的一致性(>70%)ꎮ
利用 BD walking 和 RT ̄PCR 的方法ꎬ 我们分别从
丹参 gDNA和 cDNA水平获得了丹参 SmGGPPS3
基因全长序列ꎬ gDNA 长 2908 bpꎬ 包含一个
931 bp的内含子和 891 bp的 5′端序列ꎻ 克隆得到
cDNA序列全长 1051 bpꎬ 包含 960 bp 的 ORFꎬ
编码 319 个氨基酸ꎬ 编码蛋白理论分子量为
34􀆰 93 kDꎬ 等电点 pI 5􀆰 39ꎮ 采用 Blastp 程序分
析 SmGGPPS3 基因编码氨基酸ꎬ 发现其与蓖麻
(EEF32584)、 橡胶 (BAF98303)、 拟南芥 AtG ̄
GPS3(A. thalianaꎬ AAA81879􀆰1)等植物 GGPPS
同源氨基酸序列的一致性分别为 78%、 76%、
67%ꎬ 而与丹参 SmGGPPS1 和 SmGGPPS2 的一
致性仅为 42%和 40%ꎮ
将 SmGGPPS3 推导的氨基酸序列与 SmGG ̄
PPS1 和 SmGGPPS2 序列进行多序列比对分析
发现(见图1) ꎬ推导的SmGGPPS3氨基酸序列同
所有比对序列中的一致、 保守、 半保守的氨基酸位点分别用星号(∗)、 冒号(:)和点( .)标识ꎬ 两个富含 Asp
的功能域用粗线标识ꎮ
Identicalꎬ conserved and semi ̄conserved residues in all aligned sequences are indicated by asterisks(∗)ꎬ
colons(:)ꎬ and dots( .)ꎬ respectively. The two Asp ̄rich domains are marked by bold lines(━) .
图 1  丹参 SmGGPPS推导氨基酸多序列比对结果
Fig􀆰 1  Multi ̄alignment results of SmGGPPS deduced amino acid sequences
35  第 1期                        化文平等: 丹参 SmGGPPS3基因的克隆及表达分析
SmGGPPS1和 SmGGPPS2一样ꎬ 都含有 GGPPS
蛋白富含天冬氨酸 (Aspꎬ D)的两个特征结构:
(1) [LIVM] (2) ̄x ̄D ̄D ̄x(2ꎬ4) ̄D ̄x(4) ̄R ̄R ̄[GH]
对应序列: LIHDDLPCMDD DPSRRGꎻ (2) [LIVM ̄
FY] ̄G ̄x(2) ̄[FYL] ̄Q ̄[LIVM] ̄x ̄D ̄D ̄[LIVMFY] ̄x ̄
[DNG]对应序列: VGILYEVVDDIR(X 代表任意氨
基酸)ꎮ
TargetP 1􀆰 1 Server[15]和 SignalP 3􀆰 0 Server[16]
等软件分析结果显示ꎬ SmGGPPS3 为非分泌性蛋
白(Non ̄secretory protein)ꎻ MitoProt Ⅱ服务器[17]
分析结果显示该蛋白定位于线粒体中(mitochon ̄
dria可信度: 0􀆰 925)ꎮ
采用 SOPMA 在线程序[18]对 SmGGPPS3 的
预测结果显示ꎬ SmGGPPS3 的二级结构包含: α
螺旋(60􀆰 19%)、 不规则卷曲(28􀆰 84%)、 β 转角
(5􀆰 64%)和 β片层(5􀆰 3%)ꎮ 可见 SmGGPPS3 蛋
白主要是由螺旋和不规则卷曲组成ꎮ
2􀆰 2  GGPP合酶活性检测
类胡萝卜素是生物体内一类重要的二萜类物
质ꎮ 将噬夏孢欧文氏菌(Erwinia uredovora)中类
胡萝卜素合成相关的基因簇(crt gene)[crtB(phy ̄
toene synthase)、 crtE (GGPP synthase )、 crtI
(phytoene desaturase)、 crtX ( zeaxanthin β ̄glu ̄
cosidase)、 crtY ( lycopene cyclase) 和 crtZ ( β ̄
carotene hydroxylase)]构建于同一载体ꎬ 在大肠
杆菌宿主中可产生桔黄色类胡萝卜素[19]ꎮ pAC ̄
CAR25ΔcrtE 质粒包含除 crtE 以外的 5 个 crt 基
因ꎬ 可用于检测未知基因是否具有 GGPP 合酶活
性[20]ꎮ 采用遗传互补的方法ꎬ 用 SmGGPPS3 基
因在大肠杆菌中进行表达ꎬ 在 pACCR25ΔcrtE 质
粒存在情况下ꎬ 生长 2 d后的大肠杆菌呈现桔黄色
(图 2)ꎮ 说明 SmGGPPS3与 crtE基因具有类似的
功能ꎬ 可以互补 pACCR25ΔcrtE 质粒中缺失的
crtE基因ꎬ 在大肠杆菌中产生类胡萝卜素ꎮ 证明
SmGGPPS3为具有 GGPP合酶功能的活性基因ꎮ
2􀆰 3  SmGGPPS3 在丹参不同发育时期、 不同器
官中的表达
qPCR检测在丹参不同发育时期ꎬ 不同器官中
SmGGPPS3 都有不同程度表达ꎮ 实验结果显示
SmGGPPS3在丹参萌芽期表达较低ꎬ 在幼苗期和
A: pACCR25ΔcrtEꎻ B: pACCR25ΔcrtE + pBHꎻ C: pAC ̄
CR25ΔcrtE + pBGGPPS1ꎻ D: pACCR25ΔcrtE + pBGG ̄
PPS3ꎻ E: pACCR25ΔcrtE + pBluescript Ⅱ SK(-) .
pBH contains human GGPPSꎻ pBGGPPS1 contains SmGG ̄
PPS1.
图 2  SmGGPPS3功能互补实验结果
Fig􀆰 2  Genetic complementation expression
of SmGGPPS3 in E. coli
生长期的丹参植株中表达较高ꎻ 而在花期丹参中各
个器官中都有表达ꎬ 但在根中表达最高ꎬ 其次为
茎、 叶ꎬ 花中最低ꎬ 且低于其他各个时期的平均量
(图 3)ꎮ 可见ꎬ SmGGPPS3 在丹参中呈组成型表
达ꎬ 但以根中为主ꎮ
2. 4  SmGGPPS3在MeJA和 XC诱导下的表达
已有研究证明红豆杉 Taxus baccata、 番茄
Solanum lycopersicum和冷杉 Picea abies 等多个
物种中的 GGPPS基因均可被 MeJA 和其衍生物诱
导表达[21ꎬ22]ꎮ 本研究采用 5 mmol / L MeJA溶液处
理丹参 48 h后ꎬ SmGGPPS3表达量达到检测时间
段的最大值ꎬ 与对照(0 h)相比表达变化显著ꎬ 约
为对照的 2倍(图 4: A)ꎬ 在我们前期研究中也曾
发现 MeJA对 SmGGPPS1同样具有诱导效应ꎮ 此
外ꎬ 用黑腐病病原菌(XC)处理 48 h 后ꎬ SmGG ̄
PPS3表达量约达到对照的 3 倍ꎬ 显著高于对照
(0 h)(图 4: B)ꎮ 可见ꎬ SmGGPPS3 同 SmGG ̄
PPS1一样ꎬ 也有可能参与丹参对逆境胁迫的响
应ꎮ
3  讨论
GGPP在相应的二萜类产物合成中起着重要的
调控作用ꎬ如红豆杉悬浮细胞中TmGGPPS活性
45 植 物 科 学 学 报 第 32卷 
相同字母表示组间差异不显著(p>0􀆰 05)ꎬ 不同字母表
示组间差异显著ꎮ
Mean designated by the same letter do not differ sig ̄
nificantly(p>0􀆰 05)ꎬ Means designated by the differ ̄
ent letters show differ significantly .
图 3  SmGGPPS3在丹参不同发育时期和
不同器官中的表达
Fig􀆰 3  Expression patterns of SmGGPPS3 in
different growth stages and organs
图 4  SmGGPPS3在 MeJA(A)和 XC(B)诱导下的表达
Fig􀆰 4  Expression pattern of SmGGPPS3 under
treatments by MeJA(A) or XC(B)
的增加ꎬ 可提高紫杉醇产量[23]ꎮ 我们在丹参中过
表达 SmGGPPS1同样使得丹参酮ⅡA 的含量提高
了一倍(数据尚未发表)ꎮ 然而ꎬ 萜类的合成往往
在不同的细胞器中完成ꎬ 如类胡萝卜素、 赤霉素、
ABA、 叶绿素等二萜类物质的合成是在质体中ꎻ 蛋
白质的香叶酰香叶酰化和聚戊烯醇的合成则在细胞
质中ꎻ 多萜醇的合成则在线粒体中[24]ꎮ 同时ꎬ 由
于萜类物质种类多ꎬ 在植物组织中分布不同ꎬ 且在
抗虫害、 病害等方面具有重要作用ꎬ 在进化压力选
择下造成不同的萜类合酶家族成员在不同的细胞器
中合成不同的萜类产物[25]ꎮ 如ꎬ AtGGPS3主要定
位于拟南芥根部ꎬ 可能参与赤霉素等二萜类物质的
合成ꎻ AtGGPS4 与 AtGGPS2 蛋白主要定位于根
微管组织和雌蕊中ꎬ 可能主要参与蛋白质的香叶酰
香叶酰化ꎬ 而不是参与萜类的合成ꎻ AtGGPS6 的
启动子活性很弱ꎬ 在各组织中几乎检测不到ꎬ 可能
仅在特定的胁迫环境下表达ꎻ AtGGPS1 在多个器
官中都有表达ꎬ 是拟南芥中二萜类物质合成的主要
酶[26]ꎮ
前期的研究ꎬ 已从丹参中克隆得到 2 条 GG ̄
PPS基因[8-10]ꎮ 其中 SmGGPPS1存在于质体类细
胞器中ꎬ 主要在丹参叶中表达ꎻ 在丹参毛状根中过
表达 SmGGPPS1 后ꎬ 丹参酮类的含量降低[8-10]ꎮ
本研究在丹参正常植株中过表达 SmGGPPS1 后同
样发现ꎬ 在丹参酮含量增加的同时叶绿素含量大量
增加ꎬ 推测 SmGGPPS1可能主要参与叶绿素等物
质的合成ꎮ SmGGPS2主要在成熟植株的根和花中
表达ꎬ 推测其主要参与花中花青素的合成[8]ꎮ 本
研究克隆得到的 GGPPS3 基因编码蛋白与蓖麻、
橡胶、 拟南芥等植物 GGPPS的一致性远高于其与
SmGGPPS1或 SmGGPPS2 的一致性ꎬ 预示着其
可能发挥不同的功能ꎮ GGPPS3 基因编码蛋白与
SmGGPPS1和 SmGGPPS2 一样ꎬ 都含有转异戊
烯基转移酶家族的两个特征结构域ꎮ 第二个结构域
中最后的一位氨基酸(精氨酸(R))与特征结构域
中的[DNG]虽有所变化ꎬ 但酶活性检测显示该编
码蛋白仍具有 GGPP 合酶的活性ꎬ 表明该位点氨
基酸残基在该结构域中未起决定作用ꎮ 但与 SmG ̄
GPPS1和 SmGGPPS2 的表达相比ꎬ SmGGPPS3
在各个组织中普遍表达ꎬ 组织器官的特异性表达没
有前两条基因的强ꎮ 表达分布类似于拟南芥中的
AtGGPS1蛋白[26]ꎬ 推测其可能是丹参中二萜类物
55  第 1期                        化文平等: 丹参 SmGGPPS3基因的克隆及表达分析
质合成的主要合酶ꎮ 另外ꎬ SmGGPPS3 在根部的
表达最高ꎬ 这与丹参中丹参酮类物质主要在丹参根
部分布的特点类似ꎬ 预示其很可能在丹参酮的合成
中起着关键的作用ꎮ
参考文献:
[ 1 ]   Kojima Nꎬ Sitthithaworn Wꎬ Viroonchatapan Eꎬ
Suh DYꎬ Iwanami Nꎬ Hayashi Tꎬ Sankaw U.
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(责任编辑: 张 平)
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