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在植物细胞或组织中,脂肪酸是中性脂类、蜡质、磷脂、糖脂和胆固醇脂等脂类化合物质前体,也是植物种子油脂的主要组成成分,为人类提供丰富的营养和能量。脂肪酸在质体中合成后运输至内质网中加工修饰合成脂质,形成油体存储于种子中或合成角质和蜡质的前体物质。因此,脂质合成过程需依赖转运蛋白实现脂肪酸在细胞器之间的转移和传递。目前,研究发现拟南芥FAX1定位于质体内膜参与质体中脂肪酸的外排,导致质体中脂质减少,促进内质网脂质含量的增加,并且花和叶中三酰甘油含量明显增加;拟南芥AtABCA9定位于内质网膜参与脂肪酸的输入,促进种子油脂的合成;三半乳糖基二酰甘油TGD蛋白TGD1-5转运蛋白复合物促进脂质从质体外膜向内膜的转移。大多数定位于细胞膜的ABCG转运蛋白转运角质或蜡质前体合成植物茎和叶表皮的蜡质,但关于ABCG亚家族蛋白是否参与细胞内脂质合成代谢途径的研究鲜有报道。本论文以脂质合成代谢途径为核心,在表型观察的基础上,借鉴于atabca9突变体筛选理论,在无蔗糖条件下,油料种子植物早期幼苗生长需依赖于种子中贮藏的脂质,筛选得到与已知atabca9突变体相似的atabcg5敏感表型。克隆得到拟南芥AtABCG5及其启动子,对拟南芥AtABCG5调控植物种子大小和脂肪酸含量的分子机理进行了深入研究,获得的主要研究成果如下:1.无糖培养基培养突变体和野生型,发现atabcg5突变体根生长受到抑制,发育迟缓;营养土中,突变体生长缓慢,开花延迟;角果生长发育过程中,突变体后期角果的种子出现发育不良;成熟后的种子中,突变体种子大多数颜色呈褐色,颗粒小、干瘪,子叶发育不全;干种子突变体千粒重比野生型低19%。结果表明AtABCG5是种子形成正常形态大小和早期幼苗正常生长过程中的重要基因。2.索式抽提法提取测定总脂质,发现干种子突变体平均每粒总脂质比野生型减少15.6%;测定拟南芥种子中脂肪酸的含量,发现abcg5突变体中TAG的C16:1、C18:1、C18:2、C18:3和C20:1分别比野生型显著降低71.8%、7.1%、17.6、26%和15.6%;实时荧光定量PCR分析突变体和野生型角果中脂质合成途径的关键基因,发现突变体中的脂质合成酶基因DGAT1、FAD3、FATA、LACS2、GPAT4、FAE1表达下调,软木脂单体转运蛋白基因AtABCG20表达下调。这些结果表明AtABCG5可能影响种子形成过程中脂肪酸和脂质的积累。3.克隆得到AtABCG5及其启动子,分析发现AtABCG5不含内含子,编码一个半分子的ABC转运蛋白,具有典型的“NBD-TMD”半分子转运蛋白结构特征,进化树分析表明该蛋白与荠菜、油菜ABCG蛋白进化关系较近;启动子ProAtABCG5具有多个MYB结合位点和ABA响应顺式元件等。4.为了探究AtABCG5组织表达特异性,将AtABCG5启动子和GUS报告基因连接,转入拟南芥(ProAtABCG5:GUS)的GUS组织化学检测显示,AtABCG5在角果发育后期(S3期)、叶片气孔、花药和茎的韧皮部表达量较高;实时荧光定量PCR分析AtABCG5基因的组织表达特异性,发现AtABCG5拟南芥各组织中均有表达,其中在叶、角果和花中表达量较高,根中表达量最低,结果表明AtABCG5可能在种子形成过程中起重要作用,以及在其他重要部位也有一定作用。5.为了确定AtABCG5转运蛋白亚细胞定位,构建植物表达载体Pro35S:AtABCG5-EGFP在烟草和拟南芥原生质体瞬时表达,利用激光共聚焦显微镜观察GFP信号,发现AtABCG5与叶绿素自发荧光重合,AtABCG5定位于叶绿体,结果暗示AtABCG5在叶绿体上行使其转运功能。6.为了阐明AtABCG5生物学功能,构建植物过表达载体pCXSN-AtABCG5转入拟南芥稳定表达,发现野生型中过量表达AtABCG5转基因拟南芥生长速度加快,提前开花,生物产量增加,表明过量表达AtABCG5促进植物的生长和生物产量的积累。7.对AtABCG5转基因和野生型进一步表型观察发现,转基因拟南芥后期角果的种子变大,且种子成熟后,千粒重比野生型增加20~40%;过量表达四个株系种子中的三酰甘油增加,其中C18:1、C18:3和C20:1分别显著提高多达37.0%、52.4%和34%。结果表明,AtABCG5过量表达增加种子大小并显著性提高种子三酰甘油和不饱和脂肪酸含量。综上所述,一方面,拟南芥AtABCG5功能缺失导致种子颗粒小颜色变深、脂质含量降低,脂质合成途径受阻,负反馈调控合成途径中的关键酶基因的表达。另一方面,AtABCG5基因在种子形成过程后期表达量较高,且蛋白定位于叶绿体,过量表达AtABCG5促进脂质和不饱和脂肪酸的积累,证明了AtABCG5参与植物种子脂质合成。本论文研究结果丰富了脂质合成途径中质体脂肪酸输出的分子机制,并为培育出高含油量、高品质的油料作物品种提供了新的理论依据与思路。