褐藻甘露糖和甘露醇合成通路基因的克隆与功能分析

Carbohydrates participate widely in all kinds of cell metabolisms and are broadly involved in the synthesis of extracellular matrix and reserve substance. As a result, carbohydrates are closely related to ecological adaptation, phyletic evolution and resource utilization of algae. Alginic acid, fucoidin and mannitol are the typical products from brown algae as well as the competitive products in seaweed chemical industry. Even today there are still a lot of ambiguous but pivotal scientific problems needed to be solved. Synthetic pathways are complex and confusing while limited researches have been implemented on functional verification of genes involved, let alone the sophisticated interaction and interconversion between different products.This project surrounds the core scientific issue of the mannose and mannitol synthetic pathways within four or five important brown algae including Saccharina japonica. This project is aimed to obtain a group of novel genes with definite functions by cloning and demonstration tests of four key enzymes involved. In addition, comparative genomics associated with gene differential expression are intended for functional identification. Furthermore, this project aspires to bring the complete GDP-mannose synthetic routes to light, discussing its biological role in the accumulation and transformation of alginic acid, fucoidin and mannitol. Above all, from the perspective of geographic ecology, intensive study of functional components from brown algae can advance the exploration of evolution mechanism of phylogenesis and ecological adaptation, thus lay an elementary foundation for subsequent resource development.

糖类物质是藻类胞外骨架、生物合成与代谢、物质贮藏等重要功能成分，广泛参与到细胞各类代谢活动，与藻类生态适应、系统进化以及其资源利用密切相关。褐藻酸、岩藻多糖和甘露醇是褐藻主要的特征产物，也是海藻化工业的主要产品。但在褐藻仍然存在着合成通路不明确、基因功能仍有待实验验证、产物相互转化的条件机制不明确等关键科学问题。本项目拟围绕着海带等4～5种重要褐藻，对其甘露醇和GDP-甘露糖合成途径的4个关键酶开展基因克隆、功能验证、基因比较和表达差异研究，获得一些新的功能基因，阐明这些基因的功能，揭示GDP-甘露糖合成途径通路，研究其在褐藻酸、岩藻多糖和甘露醇合成积累及转化的生物学效应，探讨褐藻功能性成分（甘露醇、褐藻酸与岩藻多糖）合成对其系统发生和生态适应的进化机制，并为后续的资源开发利用提供基础研究依据。

糖类物质是藻类胞外骨架、生物合成与代谢、物质贮藏等重要功能成分，广泛参与到细胞各类代谢活动，与藻类生态适应、系统进化以及其资源利用密切相关。褐藻酸、岩藻多糖和甘露醇是褐藻主要的特征产物，也是海藻化工业的主要产品。但在褐藻仍然存在着合成通路不明确、基因功能仍有待实验验证、产物相互转化的条件机制不明确等关键科学问题。本项目拟围绕着海带等7种重要褐藻，对其甘露醇和GDP-甘露糖合成途径的4个关键酶编码基因 (MPI、PMM、M1PDH、M1Pase)进行基因注释，发现大量基因存在多拷贝现象；克隆获得海带中上述基因的全长序列，在Genbank中新注册7个基因。完成上述基因的生物信息学和系统进化分析，证实了进化过程中的基因复制事件，建立了海带中完整的甘露醇和GDP-甘露糖合成基因通路。通过基因重组表达和功能验证的方法证明绝大部分基因均具有相应的酶活功能。不同基因家族成员之间出现基因分化，产生活性和生化特性的差异。同时，SjaMPI4的新功能进化（进化出MPG活性）是褐藻胶和岩藻多糖硫酸酯合成通路进化的关键事件。转录表达分析显示所有基因在不同世代、组织部位均为组成型表达，可维持可维持基础的褐藻胶、岩藻多糖硫酸酯和甘露醇合成代谢。甘露醇代谢通路基因精细地调控甘露醇和果糖-6-磷酸的平衡，并进一步影响到与其紧密联系的褐藻胶/岩藻多糖通路，对于动态保持有机体内的“糖库”具有十分重要意义。海带孢子体世代（2n）的基因表达剂量高于配子体世代（n），可满足孢子体正常的生长、发育以及适应不断变化的环境需要的大量褐藻酸/岩藻多糖和甘露醇合成和代谢。海带雌、雄配子体的表达无显著性差异，提示在不同性别间这类基础物质的合成通路具有类似的调控模式。此外，胁迫条件下两个世代呈现完全不同的响应模式，进一步证明两者之间的巨大差异。褐藻酸/岩藻多糖合成共同上游基因通路和甘露醇合成通路的表达调控对于海带目藻类的大型薄壁组织体制进化具有重要的意义，同时显示出其对环境适应的重要进化学意义。