文獻(xiàn)解讀：日本落葉松GT31基因家族的全基因組鑒定和表達(dá)分析
近日，中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所孫曉梅團(tuán)隊從日本落葉松（Larix kaempferi）基因組中篩選并鑒定了14個糖基轉(zhuǎn)移酶 31（GT31 ）基因家族，為今后研究阿拉伯半乳聚糖（AG）的生物合成奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國際知名期刊《Industrial Crops & Products》（IF=5.9、一區(qū)期刊）。
AG 幾乎存在于所有高等植物的種子、葉、根、果實和木質(zhì)部中，如香蕉、柿樹、馬鈴薯和落葉松等。落葉松是 AG 的主要來源，其木材中含有 5-30% 的 AG。AG能提高機體免疫力，增強免疫抗原中單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞和自然殺傷（NK）細(xì)胞的免疫應(yīng)答活性，產(chǎn)生非特異性細(xì)胞殺傷作用，誘導(dǎo)體內(nèi)內(nèi)源性干擾素和腫瘤壞死因子的產(chǎn)生。AG 還能幫助增加腸道益生菌，調(diào)節(jié)腸道功能。目前，來自西部落葉松（Larix occidentalis Nutt.）的 AG 已經(jīng)商業(yè)化，并被美國食品與藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)為食品添加劑。
雖然不同落葉松品種中半乳糖和阿拉伯糖的比例不同，但基本結(jié)構(gòu)保持不變。從落葉松中提取的 AG 具有 β-(1,3)-半乳糖骨架和取代骨架 C6 羥基位置的 β-(1,6)-半乳糖側(cè)鏈。半乳糖基轉(zhuǎn)移酶（GalTs）已在哺乳動物中得到廣泛研究。在植物中，膜結(jié)合GalTs可參與果膠、半乳甘露聚糖、木糖、阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP）和質(zhì)體半乳脂的合成。GT31家族是一個具有β-(1,3)-GalT 活性的 CAZy（碳水化合物活性酶）家族，廣泛存在于動物、植物和一些細(xì)菌中。β-(1,3)-GalT 是一種轉(zhuǎn)化酶，能將活化的二磷酸尿苷的各種單糖轉(zhuǎn)移到糖蛋白和糖脂寡糖鏈的非還原端，從而形成獨特的 β-(1,3)-gal 連接。
目前，關(guān)于 GT31 家族的研究很少，僅有擬南芥報告了 GT31 家族在基因組中的鑒定和分析。落葉松（Larix）作為中國主要的用材樹種和生態(tài)樹種之一，對其AG的研究主要集中在化學(xué)結(jié)構(gòu)、提取工藝和臨床醫(yī)學(xué)等方面。然而，關(guān)于其合成和調(diào)控機制的研究至今尚未見報道。
本研究利用生物信息學(xué)方法從L. kaempferi基因組中鑒定了GT31 家族，并對其系統(tǒng)進(jìn)化、基因結(jié)構(gòu)、啟動子順式元件和表達(dá)模式進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，LkGT31家族共有14個完整結(jié)構(gòu)域，編碼312-685個氨基酸，分子量在35.21-78.07 kDa之間。進(jìn)化關(guān)系表明，14 個 LkGT31 可分為三個支系（支系 1、支系 7 和支系 10）。對不同組織和脫落酸（ABA）處理的表達(dá)分析表明，幾乎所有基因都在莖中高表達(dá)，并能對ABA脅迫產(chǎn)生不同程度的響應(yīng)，表明這些LkGT31基因可能與莖的生長發(fā)育和抗逆性有關(guān)。
▲ 表1 日本落葉松 LkGT31 家族的理化性質(zhì)
為了檢測 LkGalT14 能否形成同源二聚體，作者進(jìn)行了酵母雙雜交試驗以及利用博鷺騰PlantView系列植物活體成像系統(tǒng)進(jìn)行了熒光素酶互補成像檢測（LCI）。結(jié)果表明，LkGalT14可與自身相互作用，表明LkGalT14可能通過形成同源二聚體發(fā)揮作用。該研究對發(fā)現(xiàn)AG合成相關(guān)基因和加速AG合成調(diào)控機制的研究具有重要意義。
(C）熒光素酶互補成像檢測（LCI）。在煙草（N. benthamiana）葉片中瞬時表達(dá)融合了 nLUC 或 cLUC 構(gòu)建的 LkGalT14 蛋白
博鷺騰助力科研
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2023.117340
雖然不同落葉松品種中半乳糖和阿拉伯糖的比例不同，但基本結(jié)構(gòu)保持不變。從落葉松中提取的 AG 具有 β-(1,3)-半乳糖骨架和取代骨架 C6 羥基位置的 β-(1,6)-半乳糖側(cè)鏈。半乳糖基轉(zhuǎn)移酶（GalTs）已在哺乳動物中得到廣泛研究。在植物中，膜結(jié)合GalTs可參與果膠、半乳甘露聚糖、木糖、阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP）和質(zhì)體半乳脂的合成。GT31家族是一個具有β-(1,3)-GalT 活性的 CAZy（碳水化合物活性酶）家族，廣泛存在于動物、植物和一些細(xì)菌中。β-(1,3)-GalT 是一種轉(zhuǎn)化酶，能將活化的二磷酸尿苷的各種單糖轉(zhuǎn)移到糖蛋白和糖脂寡糖鏈的非還原端，從而形成獨特的 β-(1,3)-gal 連接。
目前，關(guān)于 GT31 家族的研究很少，僅有擬南芥報告了 GT31 家族在基因組中的鑒定和分析。落葉松（Larix）作為中國主要的用材樹種和生態(tài)樹種之一，對其AG的研究主要集中在化學(xué)結(jié)構(gòu)、提取工藝和臨床醫(yī)學(xué)等方面。然而，關(guān)于其合成和調(diào)控機制的研究至今尚未見報道。
本研究利用生物信息學(xué)方法從L. kaempferi基因組中鑒定了GT31 家族，并對其系統(tǒng)進(jìn)化、基因結(jié)構(gòu)、啟動子順式元件和表達(dá)模式進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，LkGT31家族共有14個完整結(jié)構(gòu)域，編碼312-685個氨基酸，分子量在35.21-78.07 kDa之間。進(jìn)化關(guān)系表明，14 個 LkGT31 可分為三個支系（支系 1、支系 7 和支系 10）。對不同組織和脫落酸（ABA）處理的表達(dá)分析表明，幾乎所有基因都在莖中高表達(dá)，并能對ABA脅迫產(chǎn)生不同程度的響應(yīng)，表明這些LkGT31基因可能與莖的生長發(fā)育和抗逆性有關(guān)。
▲ 表1 日本落葉松 LkGT31 家族的理化性質(zhì)為了檢測 LkGalT14 能否形成同源二聚體，作者進(jìn)行了酵母雙雜交試驗以及利用博鷺騰PlantView系列植物活體成像系統(tǒng)進(jìn)行了熒光素酶互補成像檢測（LCI）。結(jié)果表明，LkGalT14可與自身相互作用，表明LkGalT14可能通過形成同源二聚體發(fā)揮作用。該研究對發(fā)現(xiàn)AG合成相關(guān)基因和加速AG合成調(diào)控機制的研究具有重要意義。
▲圖1 LkGalT14 可與自身相互作用
(B) 用酵母雙雜交法分析 LkGalT14 蛋白的相互作用(C）熒光素酶互補成像檢測（LCI）。在煙草（N. benthamiana）葉片中瞬時表達(dá)融合了 nLUC 或 cLUC 構(gòu)建的 LkGalT14 蛋白
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