廣藿香α—淀粉酶PcAMY1基因克隆和序列分析

歐陽蒲月等

摘 要 為了解廣藿香對淀粉的利用，克隆了廣藿香（Pogostemon cablin）的α-淀粉酶（alpha-amylase，AMY）基因，對其進行相關生物信息學分析。搜索本課題組建立的廣藿香轉錄組數據庫，獲得AMY基因全長序列，并設計全長引物進行PCR驗證；利用生物信息學軟件對AMY基因進行生物信息學分析。本研究獲得的廣藿香AMY基因命名為PcAMY1基因（GenBank登錄號為KC862311），該基因全長1 420 bp，編碼422個氨基酸。基于生物信息軟件分析了PcAMY1基因編碼蛋白的理化特性。系統進化樹分析結果表明，PcAMY1基因與牽牛（Ipomoea nil）的AMY序列同源性最高，與赤豆（Vigna angularis）、菜豆（haseolus vulgaris）、蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）等植物次之，與自然進化關系保持一致。PcAMY1基因在廣藿香嫩莖、成熟莖、老莖、 嫩葉、成熟葉、老葉中均有表達，但在老莖中表達量最高。成功克隆到廣藿香PcAMY1基因，并對其進行相關生物信息學與基因表達分析。

關鍵詞 廣藿香；α-淀粉酶；PcAMY1基因；基因克隆；生物信息學分析

中圖分類號 R282.12 文獻標識碼 A

Cloning and Analysis of Alpha-amylase（PcAMY1）

Gene in Pogostmen cablin

OUYANG Puyue1， LIU Yongliang2， WANG Ying3， YAN Zhen1 *

1 Guangdong Food and Drug Vocational College， Guangzhou， Guangdong 510520， China

2 Wuhan Botanical Garden， Chinese Academy of Sciences， Wuhan， Hubei 430074， China

3 South China Botanical Garden， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou， Guangdong 510650， China

Abstract Objective In order to understand the using process of starch in Pogostemon cablin， an alpha-amylase gene PcAMY1 was cloned and analyzed bioinformatically. Methods The full length AMY gene sequence was retrieved from transcriptomic database of P. cablin， the full length primer was designed for PCR verification， and PcAMY1 gene was analyzed using several bioinformatical softwares. Results PcAMY1（NCBI accession， KC862311）contained1 420 bp length of open reading frame（ORF）and encoded 422 amino acids postulated. Additionally， the physical and chemical properties of PcAMY1-coded protein were analyzed by bioinformatical softwares. Phylogenetic analysis showed that PcAMY1 was tightly clustered with AMY genes in Ipomoea nil， Vigna angularis， and haseolus vulgaris， which is consistent to the phylogenetic relationship of species. The expression level of PcAMY1 was most abundantly in P. cablin old stem， followed by mature leaf， that for other organs was low. Conclusion PcAMY1 is successfully coloned and molecularly characterized. The results would lay a fundamental foundation for P. cablin researches.

Key words Pogostemon cablin（Blanco）Benth； Alpha-amylase； PcAMY1 gene； Gene cloning； Bioinformatical analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.04.022

植物和光合微生物如藍藻、真菌等可直接利用光合作用合成淀粉并儲存在體內，動物和非光合微生物則只能利用現成的淀粉。淀粉的利用必須具有能催化α-1，4-糖苷鍵的淀粉酶，即α-amylase（AMY）。從低等的細菌、真菌到高植物體內都含有α-淀粉酶。目前對于α-淀粉酶（AMY）基因的研究已在細菌、真菌、植物、動物中均有報道[1-7]。國內對AMY基因的研究主要集中在動物和菌類植物方面[1-3]。國外對AMY基因的研究，主要集中在淀粉含量高的植物如百合、郁金香、風信子及谷類植物等[4-7]，并進行了AMY基因克隆、表達及分析方面的研究，結果表明，AMY基因在種子萌發、球根作為繁殖器官兩方面[8-13]發揮了重要的作用。

廣藿香[Pogostemon cablin（Blanco）benth]為唇形科剌蕊草屬植物，以全草入藥。味辛，性微溫，歸脾、胃、肺經。廣藿香原產于菲律賓、馬來西亞、印度等國家，自宋代傳入中國已有1000余年歷史[14]，是中成藥/醫藥、香料/化妝品等的主要原料。近年來，每年國內市場廣藿香揮發油需求量約220 t而年產量僅為40～50 t，出現了嚴重的供需矛盾。因此，加速推進廣藿香萜類物質生物合成的分子機制研究，提高廣藿香萜類物質尤其是廣藿香醇含量，是當前廣藿香研究的重要課題。最新藥理藥效研究表明，廣藿香提取物中的萜類化合物具有殺錐蟲[15]、殺螨[16]、抗流感病毒[17]等活性。值得注意的是：植物體內萜類化合物的合成主要前體物質是糖，且糖經過糖酵解途徑、以及MEP和/或MVA等途徑合成種類繁多的萜類物質[18]。而α-淀粉酶（EC 3.2.1.1）在淀粉水解過程扮演重要角色，從而有利于其他酶類參與該降解過程，最終將淀粉降解為生物可利用的單糖[19]。由此可見，α-淀粉酶水解淀粉產生單糖是大量合成廣藿香萜類物質的關鍵酶。

鑒于α-淀粉酶在萜類物質合成的重要性，目前廣藿香的AMY基因的克隆與蛋白結構和功能方面的研究未見報道。本研究組利用前期研究中獲得了大量的廣藿香轉錄組信息，挖掘到一條AMY基因序列；并采用PCR技術克隆廣藿香PcAMY1基因全長序列、對其理化性質進行了生物信息學分析；采用RealtimePCR技術對其不同時期不同部位進行了PcAMY1基因表達分析，為豐富廣藿香的分子生物學信息奠定了基礎，并希望能在后期調控AMY基因，以期為廣藿香更深入的研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

本實驗材料采自于廣東食品藥品職業學院藥用植物標本園廣藿香栽培地。選取海南廣藿香展開幼葉及成熟黃褐色葉，迅速放入裝有液氮的保溫瓶中，后置于-75 ℃冰箱保存備用。

1.2 方法

1.2.1 總RNA 的提取 取-75 ℃保存的幼葉及成熟葉，在180～200 ℃烘烤過的研缽中用液氮將其充分研磨，迅速倒入DEPC處理過2.3.5 PcAMY1基因不同組織表達分析 實時熒光定量PCR檢測到PcAMY1基因在廣藿香的嫩莖、成熟莖、老莖、 嫩葉、成熟葉、老葉中均有表達，但老莖中表達量最高（圖8）。

3 討論與結論

本研究成功克隆了廣藿香的α-淀粉酶（PcAMY1）基因，其cDNA全長1 420 bp，編碼422個氨基酸，并對其測序并進行了相關的生物信息學分析[22]。α-淀粉酶具有水解淀粉產生單糖的功能[18]，而萜類物質是由單糖經過糖酵解、MVA、MEP途徑而合成的[19]；因而α-淀粉酶在源頭上起到調控著萜類物質代謝流大小的作用。實時定量PCR的結果發現PcAMY1基因在廣藿香的嫩莖、成熟莖、老莖、嫩葉、成熟葉、老葉中均有表達說明該基因表達存在普遍性，而葉的3個時期中成熟葉表達最高，成熟葉大，顏色綠，α-淀粉在光合作用中起著非常大的作用；莖的3個時期中老莖表達最高，3種不同時期的莖，嫩莖、成熟莖、老莖相比，老莖的纖維含量最高，成熟莖次之，嫩莖含纖維最少，這說明α-淀粉酶在纖維的形成中可能起著一定的作用。目前在其它物種中尚未有AMY基因的表達研究。

基于AMY基因利用NJ法構建的12個不同物種間的進化樹表明PcAMY1基因與牽牛（Ipomoea nil）的AMY序列同源性最高，與赤豆（Vigna angularis）、菜豆（haseolus vulgaris）、蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）等植物次之。與關系最近的牽牛均為合瓣花，較近的均為雙子葉植物，再與較遠的為單子葉植物集成一類。這與植物發育進化一致。序列比對和系統發育樹分析表明，本研究克隆得到的PcAMY1基因與NCBI數據庫中登陸的其他物種的α-淀粉酶基因具有很高的同源性和較近的親緣關系。廣藿香的PcAMY1基因克隆及生物信息學分析研究，旨在豐富廣藿香的分子生物學信息奠定基礎，并在后期的對AMY基因進行功能剖析，以期為廣藿香更深入的研究奠定基礎。

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