灵芝基因沉默体系的建立及NADPH氧化酶基因家族功能分析

论文摘要

灵芝（Ganoderma lucidum）是著名的大型药用真菌,具有极高的营养价值和药用价值,在我国和东南亚国家有着悠久的应用历史。灵芝三萜类化合物是灵芝的主要药用成分之一,具有抗氧化、抗病毒、降血压和抗肿瘤等活性。灵芝三萜含量的多少是目前衡量灵芝质量高低的重要指标。最近灵芝基因组测序工作已经完成,为从分子遗传学水平研究灵芝三萜生物合成等灵芝基础生物学研究提供数据支持,有利于推动灵芝成为一种新型模式药用真菌,增加其科研和商业价值。但是,灵芝中缺乏简便有效的反向遗传学体系,限制了人们对灵芝功能基因组学研究的进展,影响了其药用价值的开发。因此,本研究将从灵芝基因沉默体系的建立,并应用该体系对NADPH氧化酶基因家族功能研究来探讨灵芝三萜调控机制。主要分为以下几个方面：（一）灵芝沉默体系建立：RNA干扰技术（RNAi）作为一种常见的反向遗传学基因操作技术被广泛应用在动物、植物和微生物功能基因组学研究领域。在本课题研究中,首先通过基于电击转化不完全酶解灵芝原生质体的方法建立了灵芝中简便快捷的转基因技术,成功的将外源绿色荧光蛋白转入灵芝中。通过抗生素抗性传代、标记基因PCR检测、绿色荧光检测等手段确定了该方法能够进行外源基因表达,为灵芝RNAi技术的建立提供转基因操作平台。进一步在灵芝中通过BLAST对比分析发现具有Dicer同源蛋白,暗示灵芝可能具有RNAi的机制,利用灵芝内源乳清酸核苷-5’-单磷酸脱羧酶基因（ura3）作为反向筛选标记,构建四种沉默载体（颈环结构沉默载体,正向沉默载体,反向沉默载体以及正反双向启动子沉默载体）并基于此转基因方法实现了对灵芝内源基因的沉默。通过系统的比对以上四种沉默方法,发现四种沉默方法都不同程度的下调了ura3基因的表达,其中双向启动子沉默不仅载体构建方便并且能够获得最高的沉默效率（达到81.9%）。利用这种双向启动子沉默载体以及ura3的反向筛选特性,进而建立了灵芝的共沉默体系,发现共沉默基因（ura3和laccase1）转录水平的下调是有一定相关性的,这提高了基因沉默的筛选效率。该反向遗传体系的建立有助于深入研究灵芝中单基因或多基因的功能,为本课题接下来对NADPH氧化酶基因家族的功能研究提供技术支持。（二）对NADPH氧化酶功能的分析：NADPH氧化酶（Nox）是一类与活性氧（ROS）合成有关的酶,最近有研究表明其在植物与动物中有多种重要的生物学作用,但是,在丝状真菌特别是大型担子菌中Nox的具体功能还没有完全被了解。在本课题研究中,根据灵芝基因组测序序列,鉴定出NADPH氧化酶基因的两种Nox亚型（NoxA和NoxB）和一种Nox调控基因NoxR。采用正反双启动子RNA沉默的方法研究Nox家族功能。通过沉默NoxA,NoxB和NoxR基因的表达,并对其表型研究,发现这个基因家族在ROS的合成,调控灵芝三萜的生物合成、子实体发育以及抗氧化胁迫等方面有重要作用。Nox沉默菌株表现出ROS积累降低,灵芝三萜生物合成下调,子实体发育受阻以及对H202耐受性降低等表型。（三）Nox对钙信号的调控机制研究：动植物中,ROS被报道能够与钙信号通路进行互作,激活钙通道,增加钙离子向胞内的流入进而影响钙信号传递。其中,钙离子作为生物体内重要的第二信使参与多种生物学功能,但是此类信号调控机制在真菌中鲜有报道。为了验证灵芝中Nox产生的ROS能否对钙信号产生影响,本课题检测了Nox沉默菌株中胞内钙离子含量,发现Nox沉默转化子中胞内钙离子水平显著降低。对其调控机理研究发现,灵芝中ROS影响胞内钙离子水平是通过激活钙通道增加钙流入实现的,同时结合转录水平分析了灵芝中37个钙信号基因响应ROS的表达情况,发现大多数钙离子信号基因在ROS刺激早期被激活表达,而在刺激后期多数被下调表达。通过对Nox沉默转化子中钙信号基因的转录进一步分析,发现钙信号基因转录能够受到Nox沉默影响。进一步研究发现Nox调控灵芝三萜生物合成及菌丝分叉是通过钙信号实现的,阻断钙信号将导致ROS的调控效果消失。综上所述,本研究突出了在灵芝中NADPH氧化酶在灵芝ROS和钙信号交互中的作用,与动物植物中一样,在细胞的生理过程中Nox产生的ROS可以激活钙信号。这些结果为发现鉴定真菌中ROS信号和Ca2+信号网络交互的潜在机制提供了有利的机会,暗示了在动物、植物和微生物共同享有一个保守的信号交互机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号和縮略语说明
• 第一章 文献综述
• 第一节 灵芝及其药用价值研究进展
• 1.1 灵芝三萜的化学结构研究
• 1.2 灵芝三萜的药理作用研究
• 第二节 灵芝三萜的生物合成研究
• 2.1 灵芝三萜生物合成途径
• 2.2 灵芝基因组解析
• 2.3 环境因素对灵芝三萜含量的影响
• 第三节 RNA干扰技术
• 3.1 RNA干扰技术概述
• 3.2 RNA干扰在丝状真菌中的应用
• 3.3 RNA干扰作为工具的优劣及前景展望
• 第四节 NADPH氧化酶对生长发育、次级代谢的影响
• 4.1 NADPH氧化酶概述
• 4.2 NADPH氧化酶在细胞分化和功能上的作用
• 4.3 发展与展望
• 第五节 本论文的研究意义及主要内容
• 5.1 研究意义
• 5.2 研究内容
• 第二章 灵芝基因沉默体系的建立
• 前言
• 第一节 灵芝电转化体系的建立
• 1 实验材料
• 2 实验方法
• 3 结果分析
• 第二节 灵芝RNAi沉默载体的构建及转化
• 1 实验材料
• 2 实验方法
• 3 结果分析
• 第三节 多基因沉默体系的建立
• 1 实验材料
• 2 实验方法
• 3 结果分析
• 4 本章讨论
• 第三章 灵芝Nox基因家族功能分析
• 前言
• 1 实验材料
• 1.1 菌株、质粒、试剂
• 1.2 菌株培养
• 2 实验方法
• 2.1 NADPH氧化酶基因克隆及测序
• 2.2 生物信息学分析序列特征
• 2.3 NADPH氧化酶基因沉默载体的构建及转化
• 2.4 转化子的验证
• 2.5 Real time PCR检测基因转录水平
• 2.6 胞内ROS检测
• 2.7 三萜测定方法
• 2.8 灵芝袋栽培养
• 3 实验分析
• 3.1 灵芝NADPH氧化酶功能域及进化树分析
• 3.2 灵芝NADPH氧化酶基因沉默转化子筛选
• 3.3 灵芝NADPH氧化酶基因沉默突变体ROS生成受阻
• 3.4 灵芝NADPH氧化酶基因通过ROS调控三萜生物合成
• 3.5 子实体形成中NADPH氧化酶基因是必需的
• 3.6 灵芝NADPH氧化酶基因沉默菌株对过氧化氢耐受性降低
• 4 本章讨论
• 2+信号通路调控灵芝三萜和菌丝分叉'>第四章 NADPH氧化酶产生的ROS通过激活Ca²⁺信号通路调控灵芝三萜和菌丝分叉
• 前言
• 1 实验材料
• 1.1 菌株、质粒、试剂
• 1.2 菌株培养
• 2 实验方法
• 2+荧光检测'>2.1 胞内Ca²⁺荧光检测
• 2+动态检测'>2.2 胞内Ca²⁺动态检测
• 2+信号通路基因的预测'>2.3 灵芝Ca²⁺信号通路基因的预测
• 2+信号通路基因响应ROS检测'>2.4 Ca²⁺信号通路基因响应ROS检测
• 2.5 三萜测定方法
• 2.6 菌丝分叉检测
• 3 结果分析
• 2+浓度的检测'>3.1 NADPH氧化酶基因沉默菌株中Ca²⁺浓度的检测
• 3.2 NADPH氧化酶产生的ROS激活钙离子通道
• 2+信号通路基因响应ROS刺激'>3.3 灵芝Ca²⁺信号通路基因响应ROS刺激
• 2+信号通路基因转录的影响'>3.4 NADPH氧化酶基因沉默对Ca²⁺信号通路基因转录的影响
• 2+信号通路调控灵芝三萜生物合成'>3.5 NADPH氧化酶产生的ROS通过Ca²⁺信号通路调控灵芝三萜生物合成
• 3.6 NADPH氧化酶基因沉默对菌丝分叉的影响
• 4 本章讨论
• 全文总结
• 参考文献
• 创新点
• 文章发表情况
• 附录Ⅰ
• 附录Ⅱ
• 致谢