基于转录组测序的能源植物小桐子油脂生物合成关键调控因子的克隆与功能验证

Research and development of energy plants is a strategical demand for Yunnan province and our country. Jatropha curcas L. is a sustainable energy plant with great potential for biodiesel production. In order to improve the seed's lipid content, one of the important tasks of Jatropha curcas breeding is to research the lipid biosynthesis and regulation. Based on cloned 7 structural genes such as FAD, ACP, using two populations of J. curcas with different lipid content as experimental materials, the following items are to be studied in this proposal: ① changes of transcriptomes and their analysis and comparison in J. curcas seed during seed development. ② analysis of saptio-temporal expression pattern of those key ESTs correlated with lipid biosynthesis regulation and cloning those key genes correlated with lipid biosynthesis regulation. ③Construction of seed specific promoter expression vector, and transformation into Nicotiana tabacum and J. curcas, functional characterization of those key genes correlated with lopid biosynthesis regulation, genetic transformation of J. curcas using the above-mentioned key genes correlated with lipid biosynthesis regulation to enhance their lipid biosynthesis. The research will elucidate molecular mechanism of lipid biosynthesis regulation, clone some key genes correlated with lipid biosynthesis regulation, and analyze the functional characterization of those genes. These results will be of scientific importance and great potential for application.

研究开发和利用能源植物是国家和云南省产业发展战略的需求，小桐子（Jatropha curcas L.）是具有巨大开发潜力的能源植物树种。探索植物油脂的生物合成与调控，以提高种子含油量一直是小桐子育种的重要任务之一。在项目组前期分离了小桐子FAD, ACP等个7结构基因的基础上，本项目拟以两组（各3个）含油量不同的小桐子种群为材料, 开展下列研究：①两组含油量不同的小桐子种群种子发育过程中转录组的变化与比较分析；②与小桐子油脂生物合成调控相关关键转录因子的时空表达分析及完整CDS的克隆；③种子特异表达启动子驱动的过表达载体的构建，转化烟草和小桐子，进行基因功能解析和获得转基因小桐子。本研究成果将在一定程度上揭示小桐子油脂生物合成调控的分子机制，克隆出与油脂生物合成调控相关关键基因，并进行功能解析。研究成果具有重要的科学意义和潜力巨大的应用前景。

化石能源是属于有限资源，随着全球石油需求量的与日俱增及由其引起的结构性矛盾成为全世界能源安全所面临的最大难题。清洁的可再生生物质能源的开发和利用成为能源发展的必然趋势。云南有丰富的小桐子资源，研究、开发和利用能源植物，实现生物质能源的产业化, 是国家和云南省产业发展战略的需求。本项目利用项目组收集的小桐子资源，进行如下研究：1）用气相色谱对含油量不同的小桐子完成了高含油量（3个品种）和低含油量（3个品种）种仁发育过程中的含油量的测定，然后进行转录组测序；2）克隆获得了一批与高含油量相关联的转录因子后，筛选了4个与含油量高度相关的转录因子，克隆其全长CDS，构建了过表达载体，转化了烟草、拟南芥和小桐子；3）对阳性植株种子脂肪酸含量、组分、及脂肪酸生物合成过程关键基因的表达进行了研究；4） 克隆了一批参与油脂代谢及调控的关键酶基因，并研究了其在不同器官和不同处理下的表达变化；5）克隆了一批与逆境相关的基因，并研究了其在不同器官和在不同环境处理下的表达变化。项目按照研究计划，获得了如下结果：（1）获得了不同含油 量的小桐子（3个高含油量和3个低含油量）种仁发育过程中油脂含量的变化以及整体转录组的变化情况，并获得了与含油量相关的关键转录因子；（2）针对筛选的关键转录因子，获得了4个转录因子的全长CDS，构建表达载体4套，转化烟草、拟南芥和小桐子，获得转基因阳性植株3批；（3）测定了对转基因烟草种子发育过程中脂肪酸含量、组分以及与脂肪酸生物合成与调控相关基因的变化情况，初步阐明了所获得的转录因子的功能。（4）克隆了一批与油脂代谢及逆境相关的基因，并获得了其在不同器官和不同处理下的表达特征；（5）项目发表论文11篇，其中SCI收录论文4篇，北大中文核心期刊6篇，其他论文1篇,授权1项实用新型专利。初步揭示小桐子油脂生物合成调控的分子机制，初步阐明了这些转录因子对脂肪酸合成的调控作用，为利用小桐子油脂进行生物柴油的生产奠定了较好的基础，获得了项目预期成果。