全 文 :广 西 植 物 Guihaia Nov.2013,33(6):852-858 http://journal.gxzw.gxib.cn
DOI:10.3969/j.issn.1000G3142.2013.06.024
周长富,姚小华,林萍,等.基于转录组测序对油茶角鲨烯合酶基因的克隆及分析[J].广西植物,2013,33(6):852-858
ZhouCF,YaoXH,LinP,etal.SqualenesynthasegenecloningandanalysisofCamelliaoleiferabasedonRNAGSeq[J].Guihaia,2013,33(6):
852-858
基于转录组测序对油茶角鲨烯合酶基因的克隆及分析
周长富,姚小华∗,林 萍,王开良,常 君
(中国林业科学研究院 亚热带林业研究所,浙江 富阳311400)
摘 要:油茶是中国重要的木本油料树种,而角鲨烯在茶籽油中含量多少是茶油品质的重要指标,为提高油茶
角鲨烯含量,以油茶种子转录组测序为基础,根据Unigene设计SQS基因RACE引物,克隆出基因全长共1490
bp,开放阅读框1266bp,编码422个氨基酸,将氨基酸序列与其他植物SQS进行比对,构建进化树,分析物种间
进化关系,进行蛋白质的生物信息学分析,包括蛋白质结构特点、理化性质、氨基酸组成及稳定性分析;跨膜区域
分析;信号肽识别位点;磷酸化位点;二级结构及功能;结构域分析.通过转录组测序和荧光实时定量分析了
SQS基因在油茶种子发育各时期表达量变化规律,并提取各时期油脂,测定角鲨烯含量,发现两种基因表达量分
析方法的结果有一致的变化趋势,且与各月份间角鲨烯含量有相同的变化规律.证明了转录组测序的有效性,
并推测油茶角鲨烯合酶基因的表达量变化与角鲨烯含量的多少有直接关系,为后续从分子手段提高茶籽油中角
鲨烯含量提供了理论基础.
关键词:油茶;角鲨烯合酶;转录组测序;生物信息学分析;基因表达;角鲨烯含量
中图分类号:Q751 文献标识码:A 文章编号:1000G3142(2013)06G0852G07
Squalenesynthasegenecloningandanalysisof
CameliaoleiferabasedonRNAGSeq
ZHOUChangGFu,YAOXiaoGHua∗,LINPing,WANGKaiGLiang,CHANGJun
(ResearchInstituteofSubtropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,Fuyang311400,China)
Abstract:Camelliaoleiferaisaveryimportantwoodyoiltree,thecontentofsqualeneisoneofmostimportantfactor
toevaluatequalityofintheC.oleiferaoil,toincreasethecontentofsqualenefrommolecularbiologymethod.ChanG
gesofSQSrelatedUnigeneamongseedsdevelopmentwereanalyzedbasedonRNAGSeq,changesofthesuqaleneconG
tentinC.oleiferaoilamongseeddevelopmentalsotested.Theresultshowedthesamevariationlaw.SoSQSgene
RACEprimersweredesignedaccordingtoUnigene,andthefullengthSQSofC.oleiferawascloned,including
1490bpnucleotide,andtheORFis1266bplong,encoding422aminoacidssequence,whichwasblastedwiththatof
otherplants,thephylogenetictreeweremappedandanalyzed.ThenbioGinformaticsofSQSwerestudied,including
structure,physicochemicalproperties,aminoacidcomposition,andtransGmembranedomain,signalpeptiderecogniG
tion,phosphorylationsites,functionofsecondarystructureanddomainanalysis.Thegeneexpressionchangesfrom
AugusttoOctoberweresimilartothoseofsqualenecontentinseeds.Itisconcludedthatthegenesequenceencodes
tobeSQSofC.oleiferatheoreticaly,whichwasabasisforthefurtherstudyoffunctionalverificationandimproG
vingsuqalenecontentinC.oleiferaseedoil.
收稿日期:2013G03G03 修回日期:2013G06G04
基金项目:国家科技支撑课题(2009BADB1B01);国家科技支撑项目(2009BADB1B00)
作者简介:周长富(1983G),男,湖南浏阳人,在读博士研究生,从事经济林育种研究,(EGmail)zhouchangfu55@126.com.
∗通讯作者:姚小华,研究员,博士生导师,从事经济林研究,(EGmail)yaoxh168@163.com.
Keywords:Camelliaoleifera;SQS;RNAGSeq;bioinformaticsanalysis;geneexpression;squalenecontents
普通油茶(Camelliaoleifera)隶属于山茶科
(Theaceae)山茶属(Camellia),中国南方重要的木
本食用油料树种.茶油营养成分丰富,脂肪酸结构
合理,不饱和脂肪酸含量达90%以上,优于橄榄油,
是一种健康型高级食用油(庄瑞林,2008).油茶一
年种植,多年收获,且耐贫瘠,广泛分布在目前在中
国南方11个省市,是一种重要的木本油料作物,为
有效破解我国食用油供应紧张、保障粮油安全起到
了积极作用,同时也是南方广阔干旱、贫瘠、板结、强
酸性红壤地区的良好生态树种(何方等,2002).
茶籽油中含有丰富的活性物质,如αG生育酚、
甾醇、维生素等对油茶籽油营养保健作用以及油脂
的稳定性起着重要的作用.此外茶籽油中还含有较
高的角鲨烯含量,角鲨烯具有提高体内超氧化物歧
化酶(SOD)活性、增强机体免疫能力、改善性功能、
抗衰老、抗肿瘤等多种生理功能,是一种无毒性的具
有防病治病作用的生物活性物质,目前在生物保健
药的应用、化妆品生产得到很大的应用,其机构如图
1(赵振东等,2004).
图1 角鲨烯结构
Fig.1 Structureofsqualene
角鲨烯(squalene)为类固醇生物合成途径中重
要的物质,是在角鲨烯鲨烯合酶(squalenesynG
thetase,SQS)的作用下催化两分子的法呢基二磷酸
结合成角鲨烯,然后在各种酶的作用下继续生成甾
醇、三萜类化合物.法呢基二磷酸是很多代谢合成
的底物,如半萜、二萜、三萜、甾醇等,因此鲨烯合酶
处于由法呢基二磷酸形成甾醇、三萜等化合物的分
支起点,催化甾醇和三萜类化合物合成的起始步骤,
其含量和活性决定了后续产物的产量,因此油茶中
角鲨烯合酶代谢活性将最终关系到茶油中角鲨烯产
量多少(图2).目前对模式生物酵母(Jenningset
al.,1991;Mookhtiaretal.,1994;Kennedyetal.,
1999)、拟南芥(Nakashimaetal.,1995;Kribiet
al.,2004)SQS基因有较深入的研究,鲨烯合酶基因
突变对于酵母是致死的,必须依靠外源添加麦角固
醇才能存活,在烟草细胞培养物中加入真菌诱导子,
角鲨烯合酶的酶活性迅速降低,甾醇的生物合成和
积累受到抑制.目前已在多种植物中克隆并鉴定了
SQS基因,包括人参(Kimetal.,2011)、甘草(卢虹
玉等,2007)、葡萄(郑祥正,2007)、三七(吴耀生等,
2007)、北柴胡(隋春等,2010)、黄芪(李振秋等,
2011)、青蒿(Jingetal.,2010)等.
图2 角鲨烯相关代谢途径
Fig.2 Metabolicpathwayofsqualene
当前油茶产业正以较快的速度发展,油茶品种
改良也更加受到科研工作者的重视,但目前油茶品
种培育主要侧重油茶产量和含油率的提高,对油茶
品质关注较少,且油茶品种基本是通过选优,进行无
性系测定后,选择出高产品种.然而良种选育受到
资源和环境的限制,目前已全国范围内进行多次的
选优,油茶良种选育基本进入了瓶颈期,采用杂交、
倍性育种和分子生物学手段不断提高油茶产量和品
质是将来油茶品种改良的发展方向,本研究以角鲨
烯合成关键基因角鲨烯合酶基因为研究对象,进行
基因克隆及序列分析,为今后进一步利用角鲨烯合
酶改良油茶品质打下基础.
1 材料与方法
1.1材料
研究材料采自浙江省金华市东方红试验林场6
3586期 周长富等:基于转录组测序对油茶角鲨烯合酶基因的克隆及分析
年生油茶林.分别于5~10月下旬采集 “长林4
号”品种的种子,及时剥取种仁,保存于液氮中备用.
1.2RNA提取及cDNA的合成
采用trizol法分别提取6个时期植物材料的
RNA,采用Nanodrop2000及琼脂糖凝胶电泳检测
RNA质量,保证RNA样品浓度≥400ng/μL,28S:
18S大于1.8;每个月份分别以RNA为模板,用inG
vitrogenSuperScriptTMFirstGStrandSynthesisSysG
temforRTGPCR进行一链反转录用于荧光实时定
量.基于转录组测序分析,8月份角鲨烯合酶表达
量最高,因此将8月份样品用clontech公司的
SMARTerTMRACEcDNAAmplificationKit试剂
进行一链反转录用于角鲨烯合酶基因的克隆.
1.3角鲨烯合酶基因的克隆
将转录组测序结果的油茶角鲨烯合酶基因cDG
NA 片段进行 blastn,设计5′RACE 引物为 5′G
GACCACGCCTCATTTTTACAACACCTCG3′,巢
式引物为5′GTACCACATGAAA AATGCCAGTG
CACGGTG3′;3′RACE 为 5′GCAGAGGTGTTGG
TAAAAATGAGGCGTGGG3′,巢 式 引 物 5′GCTG
GCTTTTTCGGAGCTTGGGAGAGGTTG3′.
第一轮PCR以反转录的cDNA为模板,采用
touchdown程序进行反应:①5cycles:94℃30s,72
℃3min;②5cycles:70℃30s,72℃3min;③27
cycles:94℃30s,68℃30s,72℃3min.第二轮
巢式PCR以第一轮PCR产物为模板,用巢式引物
进行反应,程序与第一轮一样.
1.4同源性分析及聚类分析
将克隆的油茶SQS基因编码区翻译成氨基酸序
列,采用ClustalX软件,对目前已经克隆SQS的植物
进行氨基酸序列进行了比对,并构建了SQS蛋白的
系统进化树,分析各物种SQS进行相似度大小.
1.5角鲨烯合酶基因生物信息学分析
选择生物学软件或网络服务器有针对性地进行
分析.用ProtParam 对基因编码的蛋白质结构特
点、理化性质、氨基酸组成及稳定性分析;用 TMG
pred工具分析跨膜区域分析;用signalP分析信号
肽识别位点;采用NetPhos2.0软件磷酸化位点;根
据 PredictProtein 工 具 二 级 结 构 及 功 能;interG
ProScan为分析工具结构域分析.
1.6基因表达量分析及油茶角鲨烯含量相关分析
以 Tublin alphaG3(TUBαG3)(引 物:FP:
5′GCCATGCC TTGGATCACATTTG3′;RP:5′G
TGGGGCCATTAATGTAGACGG3′)和 celulose
synthetaseA (CESA)(引物:FP:5′GAAGGACG
CGCTGATACTCGAAG3′;RP:5′GACACCATGG
GCCTGGAAATAAG3′)为内参,设计SQS的实时
定量引物(FP:5′GTTTCGCCCTCGTAATTCAACG
3′;RP:5′GCATGAAAAATGCCAGTCACG),在
ABI7300RealTimePCRSystem(AppliedBiosysG
tems,FosterCity.CA,USA)进行荧光实时定量,
反应体积为20μL,(10μL2×SYBRPremixEx
TaqTM (Takara,Tokyo,Japan),0.4μL50×RO×
referencedye,2μL稀释15倍的一链cDNA,10
μmol/L上下游引物各0.4μL和6.8μL超纯水).
反应程序为:at95℃,30s;95℃for5sand60℃
for34s40个循环,然后60~95℃做溶解曲线,每
0.3℃读取一次.
对转录组测序结果进行分析,比较 RPKM
(ReadsPerkbperMilionreads)在个月份间变化
情况.
RPKM=
106C
NL/103
设RPKM(A)为UnigeneA的表达量,则C 为
唯一比对到 UnigeneA的reads数,N 为唯一比对
到所有 Unigene的总reads数,L 为 UnigeneA的
碱基数.RPKM 法能消除基因长度和测序量差异
对计算基因表达的影响,计算得到的基因表达量可
直接用于比较不同样品间的基因表达差异(MorG
tazavietal.,2008).
由于7月份之前果实很难提取出油脂,所欲将
8~10月的油茶种子烘干后正己烷提取种仁粗脂
肪,皂化油茶粗脂肪后,用气相色谱检测角鲨烯含量
(钟冬连等,2011).
2 结果与分析
2.1角鲨烯合酶基因的克隆
以cDNA为模板进行5′和3′端RACE,结果如
图3.3′端长556bp,5′端长488bp,然后重新设计
SQS上下游引物(分别为FP:5′GTCTACATTCGTG
GTCCGTCTCG3′;RP:5′GTGAGTTGAACTGCG
CAATCAGG3′),最后连接成完整的油茶角鲨烯合
酶基 因 cDNA 全 长 1490bp(genebank 编 号
JX290207),5′非编码区165bp,3′非编码区231bp
(不包括polyA),开放阅读框1266bp,编码422个
458 广 西 植 物 33卷
氨基酸.
图3 油茶SQS基因1%琼脂电泳图
(左到右分别为:3′端RACE、5′端RACE和全长)
Fig.3 1% AgargelelectrophoresisofSQSgene
2.2氨基酸序列同源性和聚类分析
利用DNAstar将油茶SQS基因核苷酸序列开
放阅读框翻译为氨基酸序列,全长421个氨基酸序
列(图4).
将油茶SQS氨基酸序列与其他植物序列进行
比对,通过比对发现各物种SQS间有85.46%的一
致性,其中8个长度大于5个氨基酸序列完全一致
(阴影区),最长为200~238共37个氨基酸,从381
~422为高度可变区(框格区),一致性非常低.图5
是各物种SQS系统发育树,从结果可以发现油茶与
柿的相似度最高,达到88%,其次是葡萄和蓖麻,相
似度为87%和86%,与豆科的百脉根、大豆、黄芪、
甘草、苜蓿相似度为85%,与三七、人参、北柴胡、刺
五加、葱木等五加科物种的相似度为84%,与番茄、
马铃薯、墨西哥辣椒、烟草、睡茄等茄科物种相似度
为82%、与远志科的远志相似度为81%,与唇形科
的丹参相似度80%、与石竹科的金铁锁、锦葵科的
陆地棉、菊科的黄花蒿和青蒿相似度为79%,十字
花科的拟南芥相似度为77%.
图4 氨基酸序列
Fig.4 Aminoacidsequence
2.3油茶角鲨烯合酶结构分析
2.3.1蛋白质理化性质分析 利用ProtParam对油茶
SQS进行理化性质分析,分析结果表明油茶SQS由
422个氨基酸组成,50个负电荷氨基酸,52个正电荷
氨基酸,其他319个氨基酸为中性,分 子 式 为
C2160H3403N569O612S31,分子量为48129.0,等电点是7.9
(碱性氨基酸多于酸性氨基酸);其中亮氨酸43个含
量最高,占总量的10.2%,丝氨酸仅有4个,占总量的
0.9%;不稳定系数为46.72,大于40,较不稳定.
2.3.2跨膜区分析 利用TMpred工具分析油茶角
鲨烯合酶,发现该酶有两个跨膜区域,分别为289~
311和393~415个氨基酸残基,中间的312~392
个氨基酸残基位于膜内,其他氨基酸残基位于膜外
(图6).
2.3.3信号肽识别位点分析 利用signalP3.0采用
neuralnetworks(NN)方法对油茶SQS氨基酸序列
进行信号肽可能性分析,原始剪切 位 点 分 值
(Cscore)最高在第53个氨基酸位置,分值为0.121,
综合剪切点分值(Yscore)在也第53个氨基酸处最
大,为0.120,信号肽分值(Sscore)最大在第49个氨
基酸位置,为0.150,第1~52个氨基酸的平均
Sscore为0.108,1~52个氨基酸平均信号肽与最大
剪接位点分值的平均为0.113,未达到阈值0.45,因
此推断油茶SQS蛋白没有信号肽,不是分泌型蛋白
(图7).
2.3.4磷酸化位点分析 采用NetPhos2.0软件分析
SQS氨基酸中的丝氨酸(Serine)、苏氨酸(Threonine)
和酪氨酸(Tyrosine)翻译后一般磷酸化位点修饰.分
析结果表明,油茶SQS蛋白丝氨酸磷酸化位点11个
(第48、187、196、198、256、288、336、356、365、377、385
位),苏氨酸磷酸化位点5个(第78、83、161、325、334
位),酪氨酸磷酸化位点5个(第15、165、243、280、394
位),序列中磷酸化位点见图8.
2.3.5二级结构及功能分析 根据PredictProtein工
具,分析出油茶角鲨烯71%为螺旋结构,1.4%为直
链,27.6%为loop环.共有12个可能的二硫键形
成位点.
亚细胞定位于内质网膜上,参与甾醇生物合成、
5586期 周长富等:基于转录组测序对油茶角鲨烯合酶基因的克隆及分析
图5 SQS系统进化树
Fig.5 PhylogenetictreeofSQS
图6 油茶SQS跨膜区分析
Fig.6 TransmembraneregionofSQSinC.oleifer
异戊二烯生物合成、类固醇生物合成和脂类生物合
成的过程,也定位于细胞外参与分泌途径.
图7 油茶SQS信号肽识别位点分析
Fig.7 SignalpeptiderecognitionsitesofSQSinC.oleifera
图8 油茶SQS磷酸化位点分析
Fig.8 PhosphorylationsitesofSQSinC.oleifera
共检测出7种蛋白质功能位点,分别为354位
(NKSD)和395(NSTL)位起始的4个氨基酸为N糖
基化位点(NGglycosylationsite),382(KRKS)位起始4
个氨基酸的cAMP、cGMP依赖的蛋白磷酸激酶位点
(cAMPGandcGMPGdependentproteinkinasephosphoG
rylationsite),144(TMR)、256(SVK)和325(TAK)位
3个氨基酸起始的蛋白激酶C磷酸化位点(CaseinkiG
naseIIphosphorylationsite),78(TVED)、161(TIDD)、
187(SGSE)、334(TMSD)和365(SRLE)位起始4个氨
基酸的络蛋白激酶II磷酸化位点,第9(KHPDDF)位
起7 个 氨 基 酸 始 的 络 氨 酸 激 酶 磷 酸 化 位 点,
2(GSLGAI)、148(GAGMAK)、177(GLGLSK)位起
始6个的氨基酸N酰基化位点,最显著的功能位点
是168(YCHYVAGLVGLGLSKL)为起始的16个氨
基酸鲨烯、番茄红素合成酶位点.
2.3.6结构域分析 结构域是蛋白序列的功能、结构
和进化单元 ,本文以interProScan为分析工具,进
行序列比对方法分析油茶角鲨烯合酶结构域.
通过结构域分析,油茶SQS氨基酸序列有两个
主要功能结构域,45~321号氨基酸序列的鲨烯/茄
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红素合成酶结构域,其中168~183具有极高的保守
性;394~414号氨基酸序列为跨膜结构域(图9).
2.4角鲨烯合酶基因表达量变化分析
对油茶种子7~10月份转录组测序分析,共检
测出两条角鲨烯合酶相关 unigene,分别是 uniG
gene29947和unigene63559.表达量情况如图10,
两个unigene各月份表达量变化趋势完全一致,从
7~8月份逐渐升高,从8~10月一直下降.以
CESA和TUBαG3为内参对SQS进行荧光实时定
量的两个结果基本一致,结果表明,5~6月份稍微
降低,然后一直上升,到8月份达到最高峰,再逐步
下降,直到10月种子成熟.结果表明荧光实时定量
和转录组测序从7月开始,变化趋势基本一致.
提取8~10月份油茶籽种仁的油脂,并检测油
脂中角鲨烯含量,分析结果如图11.从图11中可
以看出,8月份角鲨烯含量为2591μg/g,9月为
1239μg/g,10月份成熟时为326μg/g.随着种子
成熟,角鲨烯含量呈下降趋势.
图9 油茶SQS结构域功能分析
Fig.9 DomainsofSQSinC.oleifera
图10 油茶种子各月份SQS表达变化图 A.以CESA、TUBαG3及两个内参平均后的SQS荧光
实时定量相对表达量;B.转录组测序结果中两个unigenesRPKM值.
Fig.10 SQSexpressionofC.oleiferaseedsfrom MaytoOctober
3 结论与讨论
油茶SQS基因克隆是基于油茶种子各生长期
转录组测序结果为基础,转录组测序出两条SQS相
关的unigene,通过比对,两者具有重叠部分,且克隆
出全长SQS后发现,两条unigene都能完全比对到
SQS上,说明提取RNA过程中,可能存在RNA断
裂,或测序不完全、拼接不对等原因,导致转录组测
序结果中不同的unigene其实为只是cDNA中不完
全的一部分.
通过氨基酸序列比对,发现8个长度大于5个
氨基酸序列的完全保守区域,这也与功能位点和结
构域分析得到应正,大部分功能位点都定位在高度
保守的区域,其中典型的功能位点鲨烯、番茄红素合
成酶位点长度为16个氨基酸,比对的30个物种中
这16个氨基酸序列完全一致.
对分属五桠果、蔷薇、石竹和菊亚纲的15个科30
个物种SQS进行系统进化树分析,按科分类,SQS进
化树与形态分类学中物种亲缘关系结果基本吻合,以
87.5%相似度为分割点,可将30个物种划分为14类,
除油茶与柿外,其他13类各为一个科,油茶和柿同属
于五桠果亚纲,且在分类系统中,柿科为山茶科有很
近的亲缘关系,因此油茶SQS与柿SQS同源性也最
高,划为一类.按照亚纲来分类,SQS与形态学分类
有较大的分歧,油茶所属的五桠果亚纲与蔷薇亚纲葡
萄、豆科和五加科物种的SQS相似度很高,但与五桠
果亚纲的绞股蓝、陆地棉和拟南芥却相似度相对较
低.推测SQS在进化过程中速度与形态上不完全一
致,但同属科的物种SQS保守性很高,进化极慢.
7586期 周长富等:基于转录组测序对油茶角鲨烯合酶基因的克隆及分析
图11 8~10月油茶油脂中角鲨烯含量
Fig.11 SuqlanencontentsfromAugusttoOctober
inC.oleiferaseedsoil
通过对油茶SQS生物信息学分析,发现油茶
SQS是一种中性偏酸性的蛋白质,稳定性不高,C端
有一段跨膜区域,附着与膜上,主要的功能位点和结
构域都在膜外起作用,功能蛋白,N端没有信号肽识
别位点,不属于分泌性蛋白,共有21个可能的磷酸
化修饰位点,从而敏感可逆调节油茶SQS在不同组
织,不同时期发挥功能大小.
通过油茶种子转录组测序SQSunigene的RPG
KM值及荧光实时定量相对表达量的变化趋势基本
吻合,间接说明油茶种子转录组测序有效性.与角
鲨烯浓度变化规律比较表明,从8~10月份基因表
达量与角鲨烯浓度变化完全一致,说明角鲨烯含量
的大小很大程度由SQS基因表达来决定,后期应人
工构建油茶SQS基因不同的表达载体,转化到模式
生物中,以超表达和干扰的形式控制基因表达,进一
步确定油茶SQS基因的功能及表达模式.
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