橡胶树乳管蔗糖利用关键转化酶基因的筛选与功能分析

在橡胶树中，橡胶生物合成是以蔗糖为原料在特化的乳管细胞中进行，并为该细胞的主要代谢活动；乳管的细胞质称为胶乳，是橡胶生产的收获产品。研究证明，中碱性转化酶是控制胶乳蔗糖代谢和影响胶乳产量的关键酶。在我们20126条非均一胶乳EST文库的基础上，克隆了其中仅有的三个中碱性转化酶基因的cDNA（已获得两个全长），并进行一些相关研究。本项目拟从转录、翻译与酶活水平研究所克隆转化酶基因的表达特性，特别是产量调控手段（乙烯利刺激和割胶）的影响，以及在不同产胶特性橡胶品种间的表达差异，以明确其表达调控与胶乳产量调控的关系，并筛选关键基因；同时，通过胶乳中转化酶的分离纯化和酶学特性研究，进一步确认调控胶乳蔗糖代谢的关键转化酶。项目结果将为橡胶树定向分子改良提供重要的靶标基因，有助于揭示乳管蔗糖利用的分子调控，为人工调控胶乳生产、充分挖掘产胶潜力提供理论依据。因而，该项目兼具理论研究价值与生产应用前景。

在橡胶树中，橡胶生物合成是以蔗糖为原料在特化的乳管（细胞）中进行；乳管的细胞质称为胶乳，系橡胶生产的收获产品，其三分之一为橡胶烃。与其它大多数作物的收获方式不同，橡胶树每隔2~3天就收获胶乳（割胶）一次，因而乳管中蔗糖的供给与降解利用效率是影响胶乳再生和橡胶产量形成的关键环节。在前期研究中，我们鉴定了决定乳管蔗糖供给的关键蔗糖转运蛋白基因HbSUT3（Tang et al., 2010, Plant Cell Environ.），本项目的主要目标是确定决定乳管蔗糖降解的关键基因。国外早期研究证明（Tupy, 1969, Planta; Tupy & Primot, 1982, J. Exp. Bot.），中碱性转化酶是控制橡胶树胶乳蔗糖降解的关键酶，但尚无其编码基因及表达调控的相关研究报道。在本项目研究中，我们在国际上率先分离鉴定了负责乳管蔗糖降解利用的关键中碱性转化酶基因HbNIN2，相关结果发表在植物学一流期刊《New Phytologist》(Liu et al., 2015)上，这是橡胶树研究领域自2010年以来发表的影响因子最高的论文。为全面了解乳管蔗糖的代谢调控，我们适度拓宽了项目研究的内容，初步分析了其它可能参与橡胶树胶乳蔗糖代谢调控的基因，首次从基因的表达调控层面证明蔗糖合酶是胶乳中蔗糖降解利用的负调控因子，结果发表在知名生化与分子生物学期刊《FEBS Journal》（Xiao et al., 2014）上。项目结果为全面揭示乳管蔗糖代谢的分子调控奠定了良好基础，为橡胶产量形成的碳库分配调控机制研究提供了前期工作基础，为橡胶高产定向分子改良提供了可靠靶标基因。