[发明专利]枸杞牦牛儿基牦牛儿焦磷酸合成酶基因及其编码的蛋白质和应用

说明书

技术领域

 本发明涉及一种枸杞牦牛儿基牦牛儿焦磷酸合成酶基因及其编码的蛋白质和应用，具体为枸杞（Lycium chinense Miller）中牦牛儿基牦牛儿焦磷酸合成酶基因LmGGPS2的克隆。

背景技术

牦牛儿基牦牛儿焦磷酸( GGPP) 是生物界普遍存在的重要中间代谢产物. 在植物中，GGPP参与叶绿素、类胡萝卜素、赤霉素、质体醌、维生素E、单萜和苯醌等产物的合成，对植物光合作用、生长发育和产品品质等有重要影响。 该产物由GGPS 直接催化合成。GGPP不仅是类胡萝卜素生物合成的最直接的前体物质，还是植物体内赤霉素、叶绿素和质体醌等前体物质。GGPP 的合成是类胡萝卜素合成中的限速过程。通过一系列的酶促反应，产生的西红柿红素不仅赋予西红柿鲜艳的色泽，而且具有重要的营养保健价值。医学研究表明，血清中高含量的西红柿红素可显着地降低各种癌症的发病率，血液中的西红柿红素含量与前列腺癌、消化道癌、乳腺癌、肺癌、膀胱癌、皮肤癌等多种癌症的发生几率呈负相关，研究表明人体中高西红柿红素含量能显着的降低前列腺癌的发生几率。西红柿红素保护心脑血管的作用主要是通过其抗氧化作用, 降低血清脂质和低密度脂蛋白的过氧化作用, 从而减少动脉硬化和冠心病的发病率，高西红柿红素的摄入能显着的降低心脑血管疾病的发病几率。西红柿红素还具有提高免疫力、延缓衰老等作用。

西红柿红素能够猝灭单线态氧、清除自由基，防止蛋白质和 DNA 受到氧的破坏等作用。西红柿红素清除单线态氧的能力是目前常用抗氧化剂维生素 E 的 10 倍，β-胡萝卜素的 2 倍。西红柿红素分子在所有类胡萝卜素中含有的共轭双键的数量最多，其淬灭单线态氧速率常数是维生素 E 的 100 倍，是抗氧化能力最强的类胡萝卜素。西红柿红素的化学结构决定了其具有很强的去除活性氧和自由基的能力,是一种有效的抗氧化剂。而且类胡萝卜素，尤其是β-胡萝卜素能抑制、清除体内自由基，可以延缓衰老和预防肿瘤、血栓、动脉粥样硬化等疾病。类胡萝卜素能增加免疫系统中B细胞的活力、消灭外源入侵的病原菌，能提高淋巴辅助T细胞的活力，协助B细胞产生抗体，并提高其它免疫组分的活性；还能增加自然杀伤细胞的数目，以消除机体内被感染的细胞或癌细胞。

在植物中，GGPS基因与其它酶共同作用下生成二萜、四萜和多萜化合物。GGPS是合成二萜、四萜和多萜的关键酶。烟草萜类化合物与烟叶香气密切相关，它们不但作为重要的烟草香气前体物存在于烟叶中，而且在烟气中也发现了烟叶中具有的大部分类萜化合物。如二萜是叶面腺体胶质分泌物的主要组成成分，其主要成分是西柏三烯二醇，它的降解产物茄酮及其衍生物是重要的香味物质；四萜化合物类胡萝卜素是烟叶中重要的致香物前体物，其降解产物如大马酮、紫罗兰酮、巨豆三烯酮等是烟叶中重要致香成分。在我国烟叶生产中，增加烟叶萜类化合物含量，特别是与香气品质密切相关的香气前体物质如二萜、类胡萝卜素等在烟叶中的积累，可增加烟叶香气量，改善烟叶香气品质。因此，研究转基因GGPS烟草具有重要意义。

植物类胡萝卜素合成的步骤如下：3-甲基-3，5-二羟基戊酸(MVA)在酶的催化作用下合成异戊烯焦磷酸(IPP)，异戊烯焦磷酸(IPP)首先在异戊烯焦磷酸异构酶（IPI）的作用下生成带有丙烯基结构的同分异构体二甲基丙烯焦磷酸（DMAPP）, 它是异戊稀合成途径中必需的前体物质，DMAPP 和 IPP 经过连续的缩合依次生成牦牛儿基焦磷酸（GPS）、法呢基焦磷酸（FPP）、牦牛儿基牦牛儿基焦磷酸（GGPP）。两分子的 GGPP 由八氢西红柿红素合成酶（PSY）催化聚合成八氢西红柿红素。八氢西红柿红素经过连续的脱氢反应生成顺式结构的原西红柿红素（prolycopene），原西红柿红素在胡萝卜素异构酶（CRTISO）的作用下异构成反式结构西红柿红素。西红柿红素随后相应环化酶的催化下，生成 a、β-胡萝卜素，并进一步生成其它类型的色素（Tanaka et al., 2008）。

随着人类对西红柿红素和类胡萝卜素药用价值及医疗保健作用的不断发现，对西红柿红素和类胡萝卜素的种类和产量的需求也将越来越大，然而，西红柿红素类胡萝卜素很难用化学方法合成。现代分子生物学研究手段的发展，使得西红柿红素和类胡萝卜素生物合成途径中的一系列关键酶的基因被陆续分离鉴定，为通过DNA重组技术和遗传工程调控生产西红柿红素和类胡萝卜素开辟了道路，特别是通过类胡萝卜素基因工程获得“金色水稻”和“金油菜”，极大地增强了人们开展植物类胡萝卜素基因工程的信心。