一种易降解植物细胞壁的分子设计及应用

技术领域

本发明涉及基因工程领域，具体而言是一种通过在转基因植物中构建2-苯乙醇合成通路以降低木质素合成的方法和应用。

背景技术

木质纤维生物质(biomass)是地球上最丰富的可再生资源。其转化产品丰富，可转化为生物燃料及生物基化学品等多种产品。随着矿物资源的日益短缺, 以及使用石油等矿物资源所带来的环境污染和气候恶化，纤维生物质资源的开发利用已在世界范围内引起了广泛的关注。木质素是木质纤维生物质的主要成分之一，其存在一直是限制纤维生物质高效转化利用的主要屏障。以前的研究结果证明，通过基因工程技术改变能源植物木质素的含量和成分能够显著降低原材料预处理强度，同时提高纤维素的降解效率和生物乙醇的发酵产量。因此，开发高效转化利用的新型纤维生物质能源植物是解决生物质利用困难的关键瓶颈之一，具有重要的应用价值。

木质素(lignin)是高等植物细胞壁的重要组分，是一类组成和结构十分复杂的芳香类聚合物，主要有H-木质素、S-木质素和G-木质素3种主要的木质素类型。木质素的合成代谢途径在双子叶植物中被广泛深入地研究。其生物合成以苯丙氨酸为起始底物, 进入苯丙酸途径，经过一系列反应合成羟基肉桂酸类化合物，最终生成3种主要木质素单体。目前，国内外关于木质素合成途径和遗传调控的研究，主要集中于双子叶植物。木质素单体合成途径的10个酶基因（PAL、C4H、HCT、C3H、CES、4CL、CCoAOMT、CCR、F5H、COMT和CAD）的功能在拟南芥中已经基本研究清楚，其中许多关键基因已应用于植物木质素生物合成调控。

目前的植物木质素基因工程的研究策略主要是通过调控木质素合成关键基因的表达实现木质素含量的降低或组成结构的改变，从而使木质素更易于去除, 进而利于纤维生物质的转化利用。为了给木质素分子改良提供更多选择和策略，本发明以木质素合成的起始底物苯丙氨酸为切入点，在拟南芥中构建一条2-苯乙醇合成的途径，希望通过2-苯乙醇的合成与木质素合成竞争起始底物苯丙氨酸，引起碳代谢的分流，实现转基因植物中木质素合成的减少。

2-苯乙醇是一种具有玫瑰花香的芳香醇，作为香料广泛应用于日化、轻工和食品等领域。其合成途径在酿酒酵母都得到了较深入的研究，植物中2-苯乙醇合成研究相对较少，在植物中存在三条不同途径。与木质素合成相似，酵母和植物中2-苯乙醇的合成都是以苯丙氨酸作为起始底物。目前在拟南芥中，尚未有2-苯乙醇合成的报道。

发明内容

本发明旨在提供一种通过在植物中构建一条2-苯乙醇合成通路，与木质素合成竞争底物苯丙氨酸，从而降低植物木质素含量的代谢途径改造方法及应用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种2-苯乙醇合成通路，其特征在于：所述合成通路包含2-苯乙醇合成通路的两个关键基因，分别是矮牵牛的苯乙醛合成酶基因PAAS (DQ243784)和番茄苯乙醛还原酶基因LePAR1(NM_001247894)。

一种2-苯乙醇合成通路应用，其特征在于：所述2-苯乙醇合成通路在降低植物茎秆木质素含量以提高纤维生物质转化效率的应用。

一种2-苯乙醇合成通路的植物表达载体，植物表达载体包含两个目的基因表达框，分别具有两个组成型启动子，以及二者控制的2-苯乙醇合成通路的关键基因（PAAS和LePAR1）。

所述载体还包含载体T-DNA区中用于筛选转基因植物的标记基因。

所述组成型启动子分别为CaMV35S启动子和pROLD启动子。

所述2-苯乙醇合成通路分别为来源于矮牵牛的苯乙醛合成酶基因PAAS和番茄苯乙醛还原酶基因LePAR1。

所述植物为拟南芥。

所述植物表达载体在降低植物茎秆木质素含量以提高纤维生物质转化效率的应用。

本发明所具有的优点：

本发明构建了2-苯乙醇合成通路的植物表达载体，包含用所述载体转化的拟南芥，以及在拟南芥中降低木质素合成的方法。而利用本发明描述的方法对拟南芥木质素合成进行系统的代谢工程改造，使得植物木质素含量下降约11%，茎秆细胞壁提取物酶解释放葡萄糖效率显著提高，同时对转基因植株的正常生长没有影响，其具有较大的研究价值和应用潜力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的2-苯乙醇合成通路的植物表达载体的构建示意图。

图2为本发明实施例提供的转化2-苯乙醇合成通路的拟南芥转基因植株。其中，对照（Control）为转入空载体的转基因拟南芥。

图3为本发明实施例提供的RT-PCR分析PAAS和LePAR1在转基因拟南芥中的表达水平示意图。其中，对照（Control）为转入空载体的转基因拟南芥；1，2，3，4和5代表为转基因拟南芥株系。拟南芥ACTIN2基因用作内参。

图4为本发明实施例提供的转化2-苯乙醇合成通路的拟南芥转基因植株茎横切面的木质素间苯三酚染色分析。其中，对照（Control）为转入空载体的转基因拟南芥；PAAS&LePAR1-OE为PAAS和LePAR1过表达株系。Bar = 200 μm。

图5为本发明实施例提供的转化2-苯乙醇合成通路的拟南芥转基因植株茎木质素含量测定。其中，对照（Control）为转入空载体的转基因拟南芥；PAAS&LePAR1-OE为PAAS和LePAR1过表达株系。*表示差异显著（P < 0.05）。

图6为本发明实施例提供的纤维素酶水解拟南芥茎细胞壁提取物的效率分析。其中，对照（Control）为转入空载体的转基因拟南芥；PAAS&LePAR1-OE为PAAS和LePAR1过表达株系。

具体实施方式

本实验所涉及的药品均购自Sigma公司、Fermentas公司、Thermo Fisher公司、上海生工公司。具体实验操作依据《分子克隆》。

实施例1 2-苯乙醇合成通路的植物表达载体的构建：

1. 2-苯乙醇合成通路基因：矮牵牛苯乙醛合成酶基因PAAS和番茄苯乙醛还原酶基因LePAR1的克隆

为了在植物中构建2-苯乙醇合成通路，根据对植物中2-苯乙醇合成通路的报道，选择矮牵牛苯乙醛合成酶基因PAAS(DQ243784)和番茄苯乙醛还原酶基因LePAR1(NM_001247894)构建2-苯乙醇合成通路。取矮牵牛( Petunia hybrida)盛开花瓣及番茄（Solanum lycopersicum）完全成熟果实，利用CTAB法分别提取其总RNA，搜索GenBank获得二者的全长cDNA序列，分别设计基因特异引物，利用RT-PCR技术扩增PAAS和LePAR1的基因全长cDNA;最后将二者连入pMD19-T中测序。扩增条件为：95℃ 5 min 预变性；94 30 s, 55 ℃ 40s, 72 ℃ 1 min, 35个循环；72 ℃ 8 min 片段延伸。扩增引物为：

PAAScDNAF: 5’- ATGGATACTATCAAAATCAACC- 3’；

PAAScDNAR: 5’- CTACGCATTCAGCATCATAGTTG-3’；

LePAR1cDNAF: 5’-ATGAGTGTGACAGCGAAAACAGTG- 3’；

LePAR1cDNAR: 5’-TTACATAGAAGATGAACCTCC-3’；

2. 2-苯乙醇合成通路的植物表达载体的构建

先将PAAS和LePAR1基因全长cDNA分别连接到入门克隆pEN-L4-2-L3和pGWC-T 载体中，测序正确后，利用Gateway 技术 （Invitrogen公司说明书），通过基因重组将其插入到 pK7m34GW2-8m21GW3载体中，从而得到含有PAAS和LePAR1基因共同过表达的2-苯乙醇合成通路植物表达载体（参见图1）。

实施例2 构建2-苯乙醇合成通路降低植物木质素合成的应用：

 1. 农杆菌介导转化拟南芥

将植物表达载体转化农杆菌，挑取鉴定阳性的克隆，过夜培养，至OD=2.0。将过夜培养的300ml菌液离心，室温离心收菌，并用150ml转化Buffer重悬（转化Buffer：0.5%蔗糖溶液含有0.02% Silwet）。将拟南芥花序倒置浸入菌液中，尽量使全部的花序都浸入菌液中，反复浸入5-6次，然后将拟南芥倒放于接水盘中，用保鲜膜覆盖，于培养间（22℃）过夜，然后正常培养。转化一周以后，可以再重新转化一次，常规管理至种子成熟。种子收获后，自然晾干，经表面消毒，铺于含有25ug/ml的卡那霉素的1/2MS平板上，筛选阳性植株。

2. 转基因植株分子鉴定

取生长4周的候选转基因拟南芥叶片，利用CTAB法提取其总RNA，用 DNAase I（Sigma 公司）去除可能污染的基因组DNA，然后利用反转录试剂盒（Fermentas公司）反转录成第一链cDNA。 以PAAScDNAF/R和LePAR1cDNAF/R为引物，利用RT-PCR法检测其相对于对照植株（转化pK7m34GW2-8m21GW3空载体）的表达水平。扩增条件为：95 ℃ 5 min 预变性；94 30 s, 55 ℃ 40s, 72 ℃ 1 min, 28个循环；72 ℃ 8 min 片段延伸。拟南芥ACTIN2基因用作内参。结果如图3所示，5个代表性转基因植株中PAAS和LePAR1基因的表达量比对照植株明显要高，表明这两个基因已经整合到转基因植株中，初步实现了2-苯乙醇合成通路构建。

3.利用乙酰溴法测定转基因植株茎秆木质素的含量。具体步骤为：

（1） 材料的选取及细胞壁成分提取： 收集7-8周左右的对照及转基因植株的基部茎（地上部分约5cm），将材料冻干后研磨成细粉，使用70%的乙醇抽提3次，沉淀再用氯仿-甲醇抽提1次，沉淀使用丙酮悬浮后吹干，称重，最后再碾磨成细粉；

（2） 取约2mg细胞壁提取物，加入乙酰溴溶液，50℃反应3h，冷却至室温，再加入氢氧化钠和新配置的盐酸羟胺溶液，用冰醋酸调整体积至2ml，取200μl测定280nm的吸光度，使用下列公式计算木质素含量：木质素含量(%)=ABSL*2ml*100%/Coeff*0.539cm*weight(mg)；ABSL：吸光度，Coeff=15.69。

4.利用石蜡切片观察转基因拟南芥茎木质素含量变化。具体步骤为：

（1） 材料的选取及固定：利用锋利刀片取6个月植株茎基部0.5 cm, 置于4%多聚甲醛固定液中真空抽气2 h, 直到材料沉于管底, 4℃过夜；

（2） 脱水及透明：将上述过夜处理的植株茎的基部用1倍PBS清洗一次，乙醇梯度脱水[乙醇梯度比例为10%、30%、50%、80%、90%乙醇（体积百分比）]后，利用无水乙醇(A)和二甲苯(B)按比例进行浸透，其体积比例分别为A/B=3/1, A/B=1/1, A/B=1/3和B，每步比例渗透1 h；

（3） 浸蜡及包埋：渗透处理后利用二甲苯(B)和石蜡(C)按比例进行蜡浸，其体积比例分别为B/C=3/1, B/C=1/1, B/C=1/3和C,每步浸蜡3 h，而后62℃烘箱中进行；

（4） 切片、展片及烘片：利用LeicaRM2235切片机(Leica 公司)将材料切成8μm的薄片, 置于42℃水浴锅中展片1-2 min，使之吸附于世泰REF188105粘附载玻片(世泰公司)上, 37℃烘片2天；

（5） 脱蜡、二甲苯及染色：将附着有材料的载玻片置于二甲苯中脱蜡5min，脱蜡后, 利用无水乙醇(A)和二甲苯(B)按比例进行梯度洗脱脱水，梯度比例为：A(无水乙醇) /B(二甲苯)=1/1, A, 95 %A, 85 % A, 75 % A, 50 % A, 30 % A（体积百分比），最后在0.5 % TBO染液中染色15 s；

（6） 脱水及封片：将清水洗过的玻片依次在30 % A, 50 % A,75 % A,85 % A,95 % A,A及B中脱水至二甲苯中, 每步30 s, 随后利用加拿大树胶将其封存；

（7） 切片的观察：利用OLYMPUS DX51光学显微镜(Olympus公司)进行观察, 拍照（参见图4）。

实施例3 构建2-苯乙醇合成通路提高植物细胞壁酶解糖化效率的应用

利用纤维素酶水解拟南芥茎细胞壁提取物的效率分析。具体步骤为：

（1） 将细胞壁提取物分为两个处理组，第一组直接使用纤维素酶（Cellulose）和葡萄糖苷酶（β-glucosidase）处理，分别取对照和转基因植株细胞壁提取物20mg酶解处理24小时，分别于1,3,6,24小时取酶解产物500ul，测定水解产物中葡萄糖含量；

（2） 第二组取细胞壁提取物首先使用热水（121℃）处理1小时，然后使用纤维素酶和葡萄糖苷酶处理分别于1,3,6,24小时取样测定酶解产物中葡萄糖含量。按照葡萄糖测定试剂盒(氧化酶法) 说明书操作，计算每克发酵样品中葡萄糖含量。