2個淀粉含量不同木薯品種SSⅡ基因序列及不同生育期淀粉含量比較

曾文丹　羅興錄

摘要：以高淀粉木薯品種FX 01和低淀粉木薯品種sc 124為材料，探討可溶性淀粉合成酶基因SSⅡ序列以及在不同生育期其淀粉特性的差異。結果表明：在SSⅡ，，的編碼區(qū)發(fā)現(xiàn)了2個差異位點，這2個位點的突變導致了基因編碼的蛋白發(fā)生了改變，分別由谷氨酰胺變成精氨酸和亮氨酸變成苯丙氨酸。在淀粉積累的各個時期，高淀粉木薯品種FX 01的支鏈淀粉、直鏈淀粉、總淀粉含量均顯著高于低淀粉木薯品種SC124。

關鍵詞：木薯；可溶性淀粉合成酶；基因；淀粉

中圖分類號：S533.01 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2015）05-0035-04

木薯（Manihot esculenta Crantz）別稱樹薯、木番薯，是一種富含淀粉的塊根作物，因而有“淀粉之王”“地下糧倉”等美稱，與馬鈴薯、甘薯并稱為世界三大薯類作物。近年來，由于全球環(huán)境、糧食、能源危機的不斷加劇，新興綠色能源產(chǎn)業(yè)越來越受到人們的重視。木薯作為清潔、可再生的新興生物質(zhì)能源的代表，已成為中國綠色能源發(fā)展戰(zhàn)略的新焦點。木薯淀粉中直鏈淀粉約占17%，支鏈淀粉約占83%，而高比例的支鏈淀粉可轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃缘矸?，是生產(chǎn)加工的重要原料。因此如何提高木薯支鏈淀粉的含量是研究的主要目標之一。

已有研究表明，可溶性淀粉合成酶（SSS）在α-1，4-糖苷鍵的作用下，將ADPG中的葡萄糖加到側(cè)鏈的非還原端，使支鏈淀粉的分支鏈進一步延伸和加長，因此可溶性淀粉合成酶（sss）的主要作用是參與支鏈淀粉的合成。可溶性淀粉合成酶基因（SSⅡ）負責中等長度支鏈淀粉的合成，該基因在淀粉構成中發(fā)揮著重要作用，是支鏈淀粉積累過程中的關鍵因子。本試驗中高淀粉木薯品種FX 0l是以低淀粉木薯品種SC 124為材料，經(jīng)過輻射誘變而獲得的高淀粉突變體。2個品種之間除塊根淀粉含量有較大差異外，其他農(nóng)藝性狀相似。本試驗探討高低木薯淀粉品種SSⅡ，基因序列和淀粉特性的差異，以期為木薯支鏈淀粉生物合成和分子調(diào)控的機理提供一定的理論依據(jù)。

1.材料與方法

1.1試驗材料

供試材料為高淀粉木薯品種FX 01和低淀粉木薯品種SC 124，種植于廣西大學農(nóng)學院科研教學基地。于2012年4月下種。2個品種設3次重復，隨機排列，田間管理與常規(guī)大田生產(chǎn)管理相同。

1.2取樣時間與方法

指標采樣時間于木薯塊根形成期（下種后120d）、塊根膨大期（下種岳180d）、塊根成熟期（下種岳240d）、收獲期（下種后300d）采樣。采集鮮樣后，105℃殺青30min左右，75℃烘干至恒質(zhì)量后粉樣過篩。

1.3SSⅡ基因克隆

1.3.1RNA的提取參照參照潘華清等的異硫氰酸胍一過柱法略有修改。

1.3.2引物設計根據(jù)GenkBank中木薯SSⅡ，基因（登錄號為EF667961.1）序列，設計引物。SSⅡ上游引物（p1）：5一ATGGCATTTATAGGATCACTTCCT-3；SSⅡ下游引物（p2）：5‘-TCACCACTGGTACTTGGCTGCA-3。

1.3.3 RT-PCR擴增cDNA第一鏈的合成按照M-MLV逆轉(zhuǎn)錄酶的操作說明進行，引物使用隨機引物olig（dT）18；PCR反應體系：cDNA模板1uL、p1和p2各1uL、2×Gold-Star Best Master Mix 10uL、加RNase free的ddH2O至20uL；PCR反應程序：95℃預變性10min；94℃ 30s，58℃ 30s，72℃ 60s，35個循環(huán)；再在72℃下延伸10min。擴增產(chǎn)物加核苷染料后在1.5%瓊脂糖凝膠上進行電泳檢測。用凝皎回收試劑盒回收目的條帶。

1.3.4 PCR擴增產(chǎn)物的連接及轉(zhuǎn)化

將回收的目的條帶與PUC-TA進行連接載體。連接體系：回收產(chǎn)物1uL、PUC-T載體1uL、Solution Buffer 5uL、ddHzO 3uL。將上述組分振蕩混勻，22℃連接2h。將上述連接產(chǎn)物加入到50uL的大腸桿菌DH50z感受態(tài)細胞中，隨機挑取菌液經(jīng)鑒定后送上海生物工程有限公司測序。

1.4淀粉含量的測定

淀粉含量測定參照何照范的雙波長法。支鏈淀粉、直鏈淀粉含量測定的波長參照閔義等的方法，直鏈淀粉含量測定波長為570nm，參比波長為486nm；支鏈淀粉含量測定波長為532nm，參比波長為766nm。用UV-2501型紫外分光光度計測定吸光度。

1.5數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0和Excel 2003進行數(shù)據(jù)分析。

2.結果與分析

2.1總RNA的檢測

以木薯的葉、莖、根混合樣為材料提取的總RNA進行瓊脂糖凝膠電泳（圖1），檢測RNA的質(zhì)量。本試驗提取的總RNA的28S、18S條帶清楚完整，無拖尾，且28s條帶亮度大約是18s條帶的2倍，點樣孔及附近無亮斑，表明RNA完整性好，無蛋白質(zhì)和多糖等雜質(zhì)污染。核酸蛋白檢測儀測定RNA的純度和濃度，D260nm/D280nm的平均值為1.87，濃度為3100ng/uL。數(shù)據(jù)表明所提取的RNA純度較高，能夠滿足后續(xù)試驗的要求。

2.2RT-PCR擴增產(chǎn)物的鑒定

以逆轉(zhuǎn)錄所得的cDNA為模板，加引物p1、p2進行PCR擴增。將擴增產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測，如圖2所示。PCR產(chǎn)物大小約為2 200bp，PCR產(chǎn)物大小與預期目的片段大小符合。

將擴增獲得的SSⅡ基因與T載體連接，并轉(zhuǎn)化到大腸桿菌DH5a感受態(tài)細胞中。從轉(zhuǎn)化后的平板隨機挑選單菌落震蕩培養(yǎng)3～4 h后進行菌液PCR檢測。如圖3、圖4所示菌液擴增片段大小為2200bp，與RT-PCR結果一致，表明為陽性克隆。將陽性菌液送往上海生物工程技術服務有限公司進行測序比對。

2.3 FX 01和SC 124中SSⅡ序列的差異分析

在引物和PCR條件不變的情況下，以cDNA為模板，進行PCR擴增。凝膠電泳結果顯示，從FX 01和SC 124中擴增的條帶大小相同，表明SSII在FX 01和sc 124中大小相同。通過測序分析，發(fā)現(xiàn)在SSII的編碼區(qū)存在2個位點差異，分別在+272和+1800處，其中+272處SC 124為A，而FX 01則突變?yōu)镚；在+1800上，SC 124為G，而FX 01突變?yōu)門（圖5），這2個位點的突變導致了基因編碼的蛋白也發(fā)生了改變，分別由谷氨酰胺變成精氨酸、由亮氨酸變成苯丙氨酸（圖6），蛋白由極性變成非極性。

2.4木薯塊根淀粉含量的變化

FX 01和SC 124直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量的變化均是隨著生育期的推移而不斷增加（表1）。整個生育期內(nèi)，F(xiàn)X 01塊根直鏈淀粉、支鏈淀粉及總淀粉含量均高于SC124。在木薯塊根形成期，高低木薯品種FX 01與SC 124塊根的直鏈淀粉、支鏈淀粉及總淀粉含量差異均不顯著，而在木薯的塊根快速膨大期、塊根成熟期及收獲期，F(xiàn)X 01塊根直鏈淀粉、支鏈淀粉及總淀粉含量均極顯著高于SC 124。

3.討論與結論

SS基因在支鏈淀粉合成中起著重要的作用，研究表明，如果SS基因發(fā)生突變或通過轉(zhuǎn)入反義SS基因，該基因的結構將發(fā)生改變，從而引起可溶性淀粉合成酶的活性降低，最終導致支鏈淀粉含量也隨之變化。譚彩霞等通過RNAi技術轉(zhuǎn)化馬鈴薯，其結果表明馬鈴薯中淀粉粒的結構和形態(tài)也隨之發(fā)生了改變，與此同時馬鈴薯中SSN基因的表達量減少，從而使SSS酶活性也受到影響，最終造成直鏈淀粉含量上升而支鏈淀粉含量卻迅速下降。對擬南芥SSIV突變體的研究發(fā)現(xiàn)其淀粉含量有所減少但支鏈淀粉和直鏈淀粉的比例并未發(fā)生變化，鏈長分布也未發(fā)生改變。王平榮等用EMS誘變獲得的突變體植株中，有3個突變體的OsDVR堿基突變位點和數(shù)目不同，從而導致編碼蛋白的氨基酸發(fā)生突變，造成了它們在葉綠素含量、葉綠素組成、植株表型以及主要農(nóng)藝性狀和單株產(chǎn)量極顯著差異。

本試驗中，在SSⅡ的編碼區(qū)發(fā)現(xiàn)了2個位點差異，在+272上，SC 124為A，而FX 01則突變?yōu)镚；在+1800上，SC124為G，而FX01突變?yōu)門，這2個位點的突變導致了密碼子發(fā)生改變從而導致其編碼的氨基酸發(fā)生變化，分別由谷氨酰胺變成精氨酸、由亮氨酸變成苯丙氨酸，最終導致蛋白由極性變成非極性。這可能是導致從塊根形成期到收獲期，高淀粉木薯品種FX 01的支鏈淀粉、直鏈淀粉、總淀粉含量均顯著高于低淀粉品種SCl24的原因之一。至于其他淀粉合成關鍵酶基因有何變化還有待進一步研究。