甜瓜蔗糖磷酸合成酶基因的功能鉴定与分析

论文摘要

甜瓜是一种重要的园艺植物,由于具有良好的口感和丰富的营养,因此深受广大群众热爱,并在全国各地广泛栽培。但是我国甜瓜的品质相对较差,经济效益不高,我国已经加入WTO,甜瓜市场面临着国际化的竞争,提高甜瓜品质的任务迫在眉睫。含糖量是甜瓜品质的重要指标之一,它不仅影响甜瓜的口感和着色,还是合成有机酸、维生素、类胡萝卜素等营养成分的基础物质,因此研究甜瓜糖分积累机理对改善甜瓜品质具有重要意义。甜瓜中的可溶性糖主要包括蔗糖、果糖、葡萄糖,而成熟甜瓜中60%以上的可溶性糖是蔗糖,因此蔗糖含量的高低决定了甜瓜的品质。影响蔗糖代谢的酶主要有蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SS）、酸性转化酶（AI）和中性转化酶（NI） ,其中SPS活性的提高和AI活性的降低是蔗糖积累的首要条件,改变SPS的活性可能会改变蔗糖的代谢模式。SPS对光合产物在蔗糖和淀粉之间的分配具有重要的调控作用,另外,SPS还参与了植物的光合作用。因此,利用现代分子生物学的方法改变蔗糖代谢酶的活性对甜瓜品质育种具有重要的意义。本研究在前期工作（克隆SPS基因、构建表达载体、遗传转化）的基础上获得了转反义SPS基因和正义SPS基因的甜瓜株系,并对其后代进行了SPS基因功能的鉴定,为改善甜瓜品质奠定了基础。研究的主要结果如下:1.测定了转正反义SPS基因的甜瓜植株与对照不同发育期的生长势,结果表明,转反义SPS基因的甜瓜株系生长势（包括株高、茎粗、叶面积）明显变弱,而转正义SPS基因的株系生长势均比对照强。2.对转正反义SPS基因的甜瓜植株与对照不同发育期的净光合速率进行了测定,结果表明,转反义SPS基因的株系的净光合速率均比对照低,然后对叶绿体超微结构的观察发现转基因株系中的叶绿体大部分受到破坏,这可能是造成净光合速率降低的重要原因;转正义SPS基因的株系中的净光合速率比对照高,尤其是T-5株系,通过观察叶绿体超微结构发现,尽管T-5株系中每个基粒中的基粒片层数少于对照,但T-5株系每个细胞中的叶绿体个数大于对照,因此,其光合性能要比对照强。3.对转基因株系和对照植株果实不同发育期的蔗糖、果糖、葡萄糖及SPS活性进行了测定,结果表明,转反义SPS基因株系的果实SPS活性各个发育期均低于对照,而转正义SPS基因株系的果实SPS活性均高于对照;此外,转反义SPS基因的果实蔗糖含量各个发育期都有不同程度的降低,而转正义SPS基因的果实蔗糖含量各个时期都高于对照,成熟果实中T-5株系的果实蔗糖含量比对照提高22%。以上结果表明SPS活性的高低是蔗糖积累的关键因素和必要前提。4.通过测定转基因果实与对照果实的发育速度,结果表明,与对照相比,整个生长发育期,转反义基因的果实生长较为缓慢,至果实成熟时,转基因株系T-1和T-2单果重分别比对照降低25%和18%;转正义基因的果实生长较快,尤其是T-5株系,成熟果实的单果重比对照提高26.4%。因为蔗糖是植物生长发育的基础物质,是许多代谢反应的底物,因此可以说明叶片中蔗糖含量的高低影响了甜瓜果实的生长发育。5.通过测定反义株系与对照植株叶片中蔗糖/淀粉比率日变化,阐明了SPS在碳水化合物合成方向方面的重要作用。研究结果表明,SPS活性在对照及转基因株系叶片中的活性均随着光强的变化而变化,呈现一个单峰趋势,均在12:00时达到最大值,叶片中蔗糖含量的变化趋势与SPS活性基本一致,而淀粉含量的变化趋势是:T-1、T-2株系淀粉含量大体趋势一直升高,而对照叶片中淀粉含量则是前期稍降低后升高的趋势,因此蔗糖/淀粉比率均呈现先升高后降低的趋势,而对照中蔗糖/淀粉比率要高于转基因株系。由此可以说明,SPS在调控蔗糖和淀粉合成方向方面起到重要作用,SPS活性升高会促进碳水化合物向蔗糖方向合成,而抑制淀粉的积累。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 前言
• 1.1 SPS 的基本特性
• 1.2 SPS 在不同物种间的多样性
• 1.3 蛋白质磷酸化调节SPS 活性
• 1.3.1 光暗调节SPS 活性
• 1.3.2 渗透胁迫的激活作用
• 1.4 SPS 在蔗糖代谢中的作用
• 1.5 SPS 基因的分类
• 1.6 SPS 基因的表达情况
• 1.7 SPS 基因在植物生长中的主要功能
• 1.7.1 SPS 基因对植株生长量方面的影响
• 1.7.2 SPS 基因对碳水化合物分配的影响
• 1.7.3 SPS 参与细胞分化与纤维细胞壁合成
• 1.7.4 SPS 可提高瓜果的品质
• 1.7.5 SPS 与果实成熟衰老的关系
• 1.8 SPS 活性的昼夜节律变化及与净光合速率的关系
• 1.8.1 SPS 活性的昼夜节律变化
• 1.8.2 SPS 活性与净光合速率的关系
• 1.9 本研究的目的与意义
• 2 材料与方法
• 2.1 试验材料、试剂及试验仪器
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 转基因植株的获得
• 2.2.2 栽培管理
• 2.2.3 转基因植株生长势指标的测定
• 2.2.4 转基因植株光合特性指标测定
• 2.2.5 果实不同发育期单果重的动态变化
• 2.2.6 转基因甜瓜果实不同发育期的SPS 基因表达量
• 2.2.7 转基因甜瓜果实不同发育期的SPS 活性测定
• 2.2.8 转基因甜瓜果实不同发育期葡萄糖、果糖和蔗糖含量测定
• 2.2.9 成熟转基因甜瓜果实的糖酸比测定
• 2.2.10 成熟转基因甜瓜果实中淀粉含量的测定
• 2.2.11 成熟转反义SPS 基因果实与对照果实乙烯释放量测定
• 2.2.12 转反义SPS 基因甜瓜净光合速率日变化
• 2.2.13 转反义SPS 基因甜瓜叶片中SPS 基因表达量日变化
• 2.2.14 转反义SPS 基因甜瓜叶片中SPS 活性日变化
• 2.2.15 转反义SPS 基因甜瓜叶片中各单糖含量日变化
• 2.2.16 转反义SPS 基因甜瓜叶片中淀粉含量日变化
• 2.2.17 反义株系与对照不同叶龄的SPS 基因表达量、酶活性及蔗糖
• 2.2.18 数据分析
• 3 结果与分析
• 3.1 SPS 基因对甜瓜生长势的影响
• 3.1.1 反义抑制SPS 基因表达对甜瓜生长势的影响
• 3.1.2 过量表达SPS 基因对甜瓜生长势的影响
• 3.2 SPS 基因对甜瓜光合特性的影响
• 3.2.1 反义抑制SPS 基因表达对甜瓜净光合速率的影响
• 3.2.2 过量表达SPS 基因对甜瓜净光合速率的影响
• 3.2.3 反义抑制SPS 基因表达对叶绿体结构的影响
• 3.3 SPS 基因对果实不同发育期SPS 基因的相对表达量及酶活性的影响
• 3.3.1 反义抑制SPS 基因表达对果实不同发育期SPS 基因的相对表达量的影响
• 3.3.2 过量表达SPS 基因对果实不同发育期SPS 基因的相对表达量的影响
• 3.3.3 反义抑制SPS 基因表达对果实不同发育期SPS 活性的影响
• 3.3.4 过量表达SPS 基因对果实不同发育期SPS 活性的影响
• 3.4 SPS 基因对果实不同发育期各糖含量的影响
• 3.4.1 反义抑制SPS 基因表达对果实不同发育期各糖含量的影响
• 3.4.2 过量表达SPS 基因对果实不同发育期各糖含量的影响
• 3.5 SPS 基因对果实不同发育期单果重的影响
• 3.5.1 反义抑制SPS 基因表达对果实不同发育期果实单果重的影响
• 3.5.2 过量表达SPS 基因对果实不同发育期果实单果重的影响
• 3.6 果实形态指标及品质指标的变化
• 3.6.1 转反义SPS 基因果实与对照果实形态指标及可溶性固形物含量比较
• 3.6.2 转反义SPS 基因果实与对照果实糖酸比的比较
• 3.6.3 转反义SPS 基因果实与对照果实中淀粉含量的比较
• 3.6.4 转反义SPS 基因果实与对照果实中乙烯释放量的比较
• 3.7 反义株系与对照光合速率、SPS 基因表达量、酶活性、糖含量等的日变化
• 3.7.1 转反义SPS 基因株系与对照植株净光合速率日变化比较
• 3.7.2 转反义SPS 基因株系与对照植株SPS 基因表达量的日变化
• 3.7.3 转反义SPS 基因株系与对照植株SPS 活性的日变化
• 3.7.4 转反义SPS 基因株系与对照植株各糖含量的日变化
• 3.7.5 转反义SPS 基因株系与对照植株淀粉含量及蔗糖/淀粉比率的日变化
• 3.8 反义株系与对照不同叶片中SPS 基因表达量、酶活性及蔗糖/淀粉比率的差异
• 3.8.1 反义株系与对照新叶、功能叶、老叶中SPS 基因表达量日变化比较
• 3.8.2 转反义SPS 基因株系与对照新叶、功能叶、老叶中SPS 活性日变化比较
• 3.8.3 转反义SPS 基因株系与对照新叶、功能叶、老叶中蔗糖
• 4 讨论
• 4.1 SPS 与光合特性和甜瓜植株生长发育的关系
• 4.1.1 SPS 与光合特性的关系
• 4.1.2 SPS 与甜瓜植株生长发育的关系
• 4.2 SPS 与蔗糖积累和淀粉合成的关系
• 4.3 SPS 活性调节
• 4.3.1 SPS 活性昼夜节律变化
• 4.3.2 不同叶龄叶片中SPS 活性变化
• 4.3.3 SPS 活性的时空变化
• 4.4 蔗糖含量与果实成熟的关系
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文情况
• 博士学位论文内容简介及自评