[发明专利]一种牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶基因及其编码蛋白和应用

说明书

技术领域

本发明属于基因工程技术领域，具体涉及一种脐形紫菜牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶PuGGPS蛋白及其编码基因在紫菜类胡萝卜素和叶绿素代谢中的应用。

背景技术

紫菜是一种重要的大型经济海藻，是中国、日本和韩国主要的栽培红藻之一。全世界的紫菜栽培产业年产值约13亿美元(Blouin et al. 2011)。紫菜不仅具有重要的经济价值，而且是研究植物生理、生化以及早期进化的理想材料(Waaland et al. 2004; Lin et al. 2009; Su et al. 2010)。紫菜生长在潮间带，必须耐受周期性的极端逆境(如高光、高盐、失水等)，长期的进化过程使其产生了在逆境下对光合系统的保护机制。

类胡萝卜素在高等植物中起着吸收光能和光保护双重作用。高等植物中类胡萝卜素通常整合在捕光色素复合物或者光系统的反应中心，不仅在结构上起着稳定光系统的作用 (Dall'Osto et al. 2006)，辅助叶绿素吸收光能，并且可以通过叶黄素循环机制将吸收的多余光能以热能的形式放散到空气中从而保护光系统不受光氧化损伤(Niyogi 1999; 唐婷等 2012) (Ruban et al. 2007)。虽然研究表明，红藻大多数物种都不具有叶黄素循环所需要的花药黄素和堇菜黄素(Schuber et al. 2006)，但有工作表明，红藻等以藻胆体进行光合作用的原始藻类中，仍然主要通过类胡萝卜素结合的蛋白与藻胆体核心相互作用淬灭多余光能来保护光合系统(Kirilovsky, 2007; Rakhimberdieva et al., 2007)。不仅如此，类胡萝卜素在植物体内通常积累在花、果实和根部，鲜艳的颜色可以吸引昆虫或动物作为传粉或者散播种子的媒介。此外，类胡萝卜素作为维生素A的前体，对人类和动物有很大的营养价值（Cuningham and Gantt 1998； Shumskaya and Wurtzel 2013）。而类胡萝卜素中的叶黄素和玉米黄素存在于人类和动物眼中的黄斑区域，对人类视觉感受光线变化有十分重要的作用（Handelman et al. 1998）。

牻牛儿基牻牛儿基二磷酸（GGPP）是由牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶（GGPS）催化产生的，是植物中十分重要的代谢中间产物，是类胡萝卜素、叶绿素、维生素E（生育酚）、维生素A、赤霉素、脱落酸、牻牛儿基牻牛儿基化蛋白等重要的生理生化物质合成代谢的前体物（Okada et al. 2000），并且可通过萜类合酶合成各种单萜、倍半萜和二萜等生理活性物质。对于可食用的植物如紫菜来说，可挥发的萜类物质可影响其口感和风味（伊纪峰等2009）。研究表明，拟南芥中GGPS是由小基因家族编码，共有12个，Okada et al.（2000）的研究表明只有GGPS11和GGPS7定位于质体中，并负责类胡萝卜素和叶绿素的合成代谢。有工作表明，不同的GGPS在植物中可能负责不同的GGPP代谢库。然而，在已形成沿海经济支柱产业的紫菜物种中，尚未有任何关于GGPS的报道。对以脐形紫菜为代表的紫菜物种中GGPS的发现和功能鉴定有利于未来利用基因工程技术提高紫菜中类胡萝卜素等营养成分的含量来提高紫菜的营养价值，并且通过提高萜类物质的含量改善紫菜的口感和风味，从而整体上提高紫菜的经济价值。

发明内容

本发明提供了一种牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶基因及其编码蛋白和应用，该基因转录组编码牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶，从而使紫菜中能够合成并积累类胡萝卜素。

本发明的一种牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶基因，它的核苷酸序列如序列表Seq ID No：1所示。

本发明的一种牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶基因，它的核苷酸序列为与序列表SEQ ID NO:1核苷酸序列具有80%以上同源性且编码相同功能蛋白质的多核苷酸序列。

本发明的一种牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶基因编码的蛋白，它的氨基酸序列如序列表Seq ID No：2所示。

本发明的一种牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶基因编码的蛋白，它的氨基酸序列为由序列表Seq ID No：2所述的氨基酸序列经过一个或者几个氨基酸残基的取代、缺失或者添加且具有与序列表Seq ID No：2所述的氨基酸残基序列相同活性的氨基酸序列。

本发明的牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶基因来源于脐形紫菜（Porphyra umbilicalis），名称为PuGGPS，以下该基因简称为PuGGPS。