龙须菜中海藻糖和琼胶合成途径的激素调控作用研究

Gracilariopsis lemaneiformis (Rhodophyta), a kind of macroalga with an important economic value, has been cultivated widely in China coast. It is mainly used for agar extraction, and also can be used as abalone feed and human food. The main storage polysaccharide in G. lemaneiformis is agar, and trehalose is related to the stress resistence. Preliminary studies have shown that phytohormone brassinolide can improve the stress resistance, and affect the agar yield in G. lemaneiformis. Do these two kinds of polysaccharides transform under different stress conditions such as high temperature, and does the phytohormone regulate their gene expression pattern and regulate two kinds of polysaccharides? These questions are both important for the algal growth and agar accumulation. So the main contents will covered as the following: (1) Cloning and expressing genes for the trehalose metabolism, and exploring its expression pattern under adverse stress and brassinolide treatments. (2)Study on genes related to agar synthesis pathway and their expression pattern under adverse stress conditions and brassinolide treatments. (3) Uncovering the gene expression of trehalose and agar under different adverse stress, and the relationship between their transformation and the environments, phytohormone treatments. The project is not only useful for research to understand the effects of phytohormones on regulating the synthesis of trehalose and agar, but also will be helpful to improve the stress resistance and agar content of G. lemaneiformis in summer.

龙须菜是我国大面积养殖的一种经济红藻，主要用来生产琼胶、饲喂鲍鱼和食用。琼胶是龙须菜中的主要储存多糖，海藻糖则与其抗逆性相关。前期研究表明，植物激素油菜素内酯可提高龙须菜的抗逆性和琼胶产量。在高温等逆境胁迫下龙须菜中两种糖之间是否可以相互转化，油菜素内酯对两者的合成是否发挥了某种调节作用，是影响逆境龙须菜生长和琼胶含量的重要问题。本项目针对以上问题拟开展如下研究工作：（1）克隆龙须菜中海藻糖代谢相关基因并进行表达，分析在逆境胁迫和油菜素内酯作用下海藻糖代谢基因的表达规律。（2）克隆龙须菜中琼胶合成途径关键基因，并研究其在逆境和油菜素内酯作用下的表达规律。（3）揭示典型逆境胁迫下龙须菜海藻糖和琼胶合成基因的表达及其与环境条件和植物激素调控之间的关系。本工作有助于理解油菜素内酯等植物激素在龙须菜糖类合成和转化中的调控作用，有助于提高夏季高温天气龙须菜的抗逆性和琼胶含量。

龙须菜是我国大规模栽培的经济海藻，含有丰富的琼胶和海藻糖，主要用做琼胶提取和鲍鱼的饵料。本项目研究了海藻糖和琼胶等糖类与油菜素内酯等植物激素在龙须菜抗逆胁迫中的作用及其机理。主要结果如下：（1）从龙须菜基因组里筛选到28条海藻糖和琼胶代谢酶的编码基因，克隆了11条基因全序列。（2）高温可促进海藻糖-6-磷酸合成酶（TPS）活性和TPS3基因表达，抑制海藻糖酶（TRE）活性，促进海藻糖、红藻糖苷和甘露醇的积累。海藻糖及其代谢酶在抗逆胁迫中发挥了重要作用，海藻糖代谢酶的激活比海藻糖更直接地参与了高盐和渗透胁迫的应答。（3）10 mmol/L海藻糖可有效缓解高温对龙须菜的胁迫作用，其机制为促进TPS和TRE活性，增加总藻胆蛋白含量、SOD活性，降低丙二醛含量、脂氧合酶活性，同时促进水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）的积累。（4）琼胶合成途径中的尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPase）和甘露糖磷酸变位酶（PMM）与琼胶含量呈现较高的相关性，可以用来指示琼胶含量的变化。对龙须菜的生长、琼胶含量、琼胶合成相关酶研究发现低盐培养条件可提高龙须菜琼胶产量，而高盐培养可促进海藻糖的积累。（5）0.4 mg/L的24-表油菜素内酯（EBR）使龙须菜的生长速度提高1.70倍（3d），促进海藻糖、甘露醇、水杨酸、茉莉酸的积累，降低丙二醛含量，并显著影响了61种代谢物的含量变化。EBR显著促进了TPS1和TPS3基因表达，促进了UGpase、PGM（3h）的表达水平。（6）50 μmol/L 脱落酸能显著促进龙须菜的生长（1.75倍），提高脯氨酸、海藻糖和可溶性糖等含量。共发表相关论文14篇，国际会议报告1个，培养研究生6人。该研究阐明了海藻糖、油菜素内酯、脱落酸在龙须菜逆境胁迫中的重要作用，为龙须菜抗逆育种提供了重要信息。