基于密码子优化策略的杨树外源基因高效表达机制研究

Sustainable and high expression of exogenous gene is particularly important because of a long growth cycle of woody plant. Woody poplar, a kind of typical species is adopted as subject in this study. Codon optimization software codonNX developed by the project team was utilized for the genetic design; green fluorescent protein poplar protoplast transient expression system was used as the detection technique to analyze some parameters such as relationship between codon usage pattern and expression, influence of poplar gene intron sequences on expression. Furthermore, this paper describes an investigation of the mechanism of exogenous gene expression efficiency in poplar, explores codon optimized genes critical factor in the design process and builds a woody plant poplar exogenous gene codon optimization system which establishes a theoretical foundations for high expression of excellent foreign genes and cultivation of new varieties.

林木植物生长周期长，外源基因的持续高效表达尤为重要。本课题以木本植物模式树种杨树为研究对象，应用生物信息学方法对杨树最优密码子进行分析，采用项目组自主开发的密码子优化软件codonNX，对增强型绿色荧光蛋白（EGFP）进行多个基因设计，用gateway技术构建载体，通过聚乙二醇转化方法转化杨树原生质体细胞，用杨树原生质体绿色荧光蛋白瞬时表达系统为检测技术手段，重点研究杨树密码子优化策略与表达之间的关系，在此基础上，我们将分析外源高效表达的基因序列特征及其侧翼序列特征对表达的影响，探讨外源基因在杨树中表达效率的机制，探索基因设计过程中密码子优化关键因素，建立和完善木本植物杨树外源基因密码子优化体系，为利用优良外源基因在杨树中高效表达进而培育杨树新品种奠定理论基础。

林木植物生长周期长，外源基因的持续高效表达尤为重要。本课题以木本植物模式树种杨树为研究对象，应用生物信息学方法对杨树最优密码子进行分析，使用我们自主开发的系统CodonNX,我们对增强型绿色荧光蛋白（EGFP）进行多个基因设计，用gateway技术构建载体，通过聚乙二醇转化方法转化杨树原生质体细胞，用杨树原生质体绿色荧光蛋白瞬时表达系统为检测技术手段，重点研究杨树密码子优化策略与表达之间的关系。在分析密码子优化与基因表达的同时，本项目改变了以往在基因序列优化中，手动调节GC含量、使用最优密码子、避免重复序列以减少么mRNA二级结构不稳定性，逐一调整的方法，而这些元素以往有些互相之间是冲突的，创新性的引用了改进型的遗传算法进行多目标优化的方法，并建立基于遗传算法的机器学习模型，开发了多目标寻优新算法，并为木本植物密码子优化提供了全新的实用工具CodonPlant，软件使用C++开发，运算效率高，脚本使用perl语言编码，源代码开放，便于二次开发，源代码发布在：https://github.com/xuchenidea/CodonPlant.git 并在Galaxy上建立平台，无需注册，即可在网站上直接使用,网站为http://120.79.60.226:8080/。我们目前以申请了三个发明专利，其中相关两篇英文文章处于在投阶段。