摘要：木质素是微管植物细胞壁的一种重要组分，具有增加植物细胞和组织的机械强度，保证水分及营养物质在植物体内的长距离运输，与纤维素共同作用阻止病原微生物的入侵，增强植物对各种生物及非生物胁迫的防御能力等功能。为探明杨树木质素合成途径的分子机制，笔者采用生物信息学手段，首次系统的分析了杨树木质素合成途径中10种关键酶基因的序列、系统发生关系。基因结构分析表明每种关键酶都有自己的结构特征，其中双或多拷贝基因外显子与内含子个数高度保守。蛋白序列分析表明每种关键酶具有相似的序列特性，但C4H、F5H和C3H酶分享p450结构域和相似的保守基序组成模式，CCoAMT酶和COMT酶分享O-methyltransferase结构域和相似的保守基因序列组成模式。系统进化树分析显示，杨树53个木质素合成关键酶基因被分为10个类群，其中4CL/CCR/COMT类群能被进一步分为2个亚类群。这些结果为进一步研究杨树及其它植物木质素合成关键酶基因的功能及其关键氨基酸位点提供了有利的线索。

关键词：杨树;木质素;生物信息学;基因

Identification and analysis of genes encoding key enzymes involved in lignin biosynthesis in Populus trichocarpa

Abstract: Lignin is an important group of plant cell wall microtubules, has increased the mechanical strength of the plant cell and tissue, ensure water and nutrients in long distance transport in plants, and cellulose together to prevent the invasion of pathogenic microorganisms and enhance plant to a variety of biotic and abiotic stress defense ability. In order to explore the molecular mechanism of lignin biosynthesis pathway, the author first analyzed the sequence and phylogenetic relationship of 10 key enzymes in the lignin biosynthesis pathway. Gene structure analysis showed that each key enzyme had its own structural characteristics, and the double or multi copy gene exon and intron number were highly conserved. Protein sequence analysis showed the similar sequence characteristics for each of the key enzymes, but C4H, F5H and C3H enzymes share P450 domain and similar conserved amino acid sequence component model, CCoAMT enzyme and COMT enzyme share O-methyltransferase domain and similar to the conserved gene sequence component model. Phylogenetic tree analysis showed that 53 key enzymes of lignin biosynthesis were pided into 10 groups, and the 4CL/CCR/COMT group could be further pided into 2 sub groups. These results provide useful clues for further study on the function of key enzymes in the synthesis of lignin from poplar and other plants and the key amino acid sites.

Keywords: Poplar; Lignin; Bioinformatics; gene

目录

摘要 1

1引言 2

2材料与方法 4

2.1物种选择与数据下载.4

2.2杨树木质素合成关键酶的聚类分析 4

2.3杨树木质素合成关键酶的基因结构分析 4

2.4杨树木质素合成关键酶基因的染色体定位 4

2.5杨树木质素合成关键酶基因的表达分析 5

3结果与分析 5

3.1杨树木质素合成关键酶基因鉴定 5

3.2杨树与拟南芥木质素合成关键酶的聚类关系 7

3.3杨树木质素合成关键酶的基因结构特征 8

3.4杨树木质素合成关键酶基因的染色体位置 10

3.5杨树木质素合成关键酶基因的表达规律 11

4讨论与结论 13

参考文献 15

附录 17

致谢 18

杨树木质素合成关键酶基因的鉴定与分析

1引言

木质素(lignin)是一种由肉桂醇等单体聚合而成的酚类多聚体，是维管植物细胞壁的重要组分，主要沉积在输导组织(如导管或管胞)，机械组织(如纤维厚壁组织等)和保护组织(如表皮)的细胞次生壁中，在陆生维管植物的进化过程中起关键作用，具有非常重要的生物学功能。木质素分子与细胞壁中的纤维素、半纤维素等多糖分子相互交联，增加了植物细胞和组织的机械强度；其疏水性使植物细胞不易透水，利于水分及营养物质在植物体内的长距离运输与保存；木质素与纤维素共同形成了天然的物理屏障能有效阻止各种病原微生物的入侵，增强了植物对各种生物及非生物胁迫的防御能力[1-2]。在木本植物中，木质素占25%，是世界上第二位最丰富的有机物(第一位是纤维素)。然而，木质素的存在也严重影响了木质纤维的开发利用，如造纸业中，必须使用大量化学药品去除木质素，加大了造纸成本，严重污染了环境；饲草中的高木质素含量则影响牲畜的消化吸收，降低了饲草的营养价值；随着化石能源的日益枯竭，生物质能源的研究与应用已引起各国政府的普遍关注，利用木质纤维生产燃料乙醇是未来发展的一个重要方向，而木质素的存在是木质纤维应用的主要限制因素。木质素的生物合成是在一系列酶催化下使苯丙氨酸逐步转化为木质素单体，最终聚合成木质素的过程[3-7]。此途径分为四部分即四类木质素合成过程：H-木质素合成、G-木质素合成和5-OH木质素合成、S-木质素合成。木质素单体的含量、组成及总木质素含量随植物种类不同而不同。木质素合成共分为三个阶段，第一阶段是由L-phenylalanine到P-Coumaricacid，该反应为多种次生代谢途径所共同拥有，本阶段参与催化的酶的有PAL、C4H；第二阶段是由P-Coumaricacid经过一系列催化到P-Coumaryalcohol、Caffeylalcohol、5-hydroxyconiferylalcohol和Sinapylalcohol四种木质素单体的过程，本阶段为木质素合成的关键阶段，由4CL、CCR、F5H、C3H、COMT、CCoAOMT、CAD、CCR和HCT共同调控；第三阶段由P-Coumaryalcohol、Caffeylalcohol、5-hydroxyconiferylalcohol和Sinapylalcohol分别氧化聚合为P-hydroxyphenyllignin、Guaiacylignin、5-hydroxyconiferyllignin和Syringyllignin，此阶段为木质素合成最后阶段由氧化聚合酶参与[8]。对于杨树木质素合成途径中的10种关键酶，本文详细阐述了他们的基因分子特征、序列特征、进化模式，为利用转基因技术来调控植物体中木质素的含量及其化学组成提供思路(图1)。木质素代谢途径模式图