油菜长链脂酰辅酶A合成酶基因BnLACS9参与叶绿素的生物合成

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叶绿素在植物的光合作用中具有重要的作用,它能够吸收光能通过光合作用将光能转化为化学能。本文报告了一个甘蓝型油菜中的长链酯酰辅酶合成酶基因BnLACS9,它能够通过影响叶片甘油脂合成所需的底物脂酰辅酶A的合成调控甘油脂的合成,影响叶绿体类囊体的结构,进而影响叶绿素的合成。蛋白序列比对表明BnLACS9与拟南芥的长链酯酰辅酶A合成酶基因AtLACS9具有高度的同源性。AtLACS9定位在叶绿体上,是主要的叶绿体LACS,AtLACS9与AtLACS1在拟南芥种子油脂合成中具有重叠互补的作用,但AtLACS9的拟南芥突变体与正常的植株没有不同的表型。本研究发现过表达BnLACS9能增加TAG的含量,这与AtLACS9在拟南芥中的功能一致,而过表达BnLACS9能提高叶绿素的含量是一个新发现。  将BnLACS9基因导入到LACS缺陷型酵母YB525中发现该基因能够互补LACS缺陷型酵母的表型,说明该基因具有LACS的活性,是一个LACS家族基因。在烟草以及油菜中对该基因表达的蛋白进行亚细胞定位分析,结果表明该基因表达的蛋白位于叶绿体的外膜,叶绿体外膜是LACS催化脂肪酸形成脂酰辅酶A主要部位,说明BnLACS9可能参与脂肪酸的催化。在烟草叶片中过量表达BnLACS9,发现叶片中CoA、单半乳糖脂的含量增加,说明在烟草中BnLACS9发挥了其LACS的功能。甘蓝型油菜中BnLACS9的表达模式分析表明BnLACS9主要在油菜的幼叶、花等脂合成比较旺盛的部位表达。在甘蓝型油菜中过表达BnLACS9,叶片叶绿体基粒片层数目、叶绿素含量提高。单半乳糖脂是叶绿体基粒片层形成的关键脂,薄层层析检测叶片脂含量表明叶片的单半乳糖脂的含量明显增加。  过表达BnLACS9甘蓝型油菜的叶片转录本测序结果分析,表明过表达BnLACS9上调了脂酰辅酶A的合成,脂酰辅酶A作为脂合成的底物上调脂合成调控基因的表达,导致甘油脂含量的提高。甘油脂的含量增加,为叶绿体基粒片层膜的形成提供了足够的原料,增加了叶绿体类囊体基粒片层数目。而叶绿素的合成发生在类囊体基粒片层,因此在过表达BnLACS9的植株中叶绿素的含量提高。该结果表明:BnLACS9是脂质合成过程的正调控因子,BnLACS9通过上调脂质的合成,增加叶绿体基粒的片层数目,上调叶绿素的合成。另一方面,转录组的结果分析表明BnLACS9也上调了叶绿素合成过程的关键调控基因进而促进了叶绿素的合成。  叶绿素的含量与植物的光合作用速率、植株的干物质积累有直接的关系。过表达BnLACS9的甘蓝型油菜叶片净光合速率、植株干重、种子的含油量等明显提高。本论文研究了BnLACS9的功能,在植物脂质合成、叶绿素合成、叶绿体发育等方面的研究提供了新的思路。同时,也为改善植物农艺性状,提高植物的生物量提供了新的方向和理论基础。
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