馬鈴薯PGA1 基因的克隆及序列分析

閆建俊，白云鳳，左靜靜，裴成成，左 敏

（山西省農業科學院作物科學研究所，山西太原030031）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）為茄科植物，是世界四大重要糧食作物之一，其具有種植范圍廣、產量高、適應性強、營養物質豐富且易消化吸收等特點。2015 年，隨著馬鈴薯主糧化戰略的啟動，馬鈴薯的生產與加工在人們的日常生活和國民經濟中具有舉足輕重的作用。但馬鈴薯塊莖中普遍存在一類具有澀味、帶毒性的糖苷生物堿，其已被公認為是人類食物中最嚴重的有毒物質之一[1]。塊莖中的生物堿主要是由光照、低溫以及機械損傷等產生[2]，當塊莖中糖苷生物堿含量超過一定的閾值時，馬鈴薯的食味性和食用安全性便會受到嚴重影響，其食用、飼用及加工品質也隨之降低[3]。

糖苷生物堿又常被稱為甾體糖苷生物堿（Steroidal Glycoalkaloids，SGAs），其是廣泛存在于植物中的一類重要的次生代謝物，主要存在于茄科和百合科植物中[4-5]，例如存在于經濟價值較高的番茄和馬鈴薯中[6]。目前，已發現的糖苷生物堿種類超過100 種，平均每年仍有2～3 種新的種類被鑒定發現，馬鈴薯中被鑒定的生物堿種類也超過了80 多種[6-8]。在馬鈴薯中，α- 茄堿和α- 查茄堿是栽培種中的2 種主要存在形式，其占到糖苷生物堿總量的95%[9]。在某些野生種和栽培種品種中，還存在一些其他形式的糖苷生物堿，如茄解啶、垂茄啶、番茄啶和萊普亭啶等[10]。馬鈴薯的芽、皮和芽眼周圍分布著較多的糖苷生物堿，主要對呼吸系統和運動系統中樞神經具有毒性，并對生物黏膜具有溶解和破壞作用，嚴重時可能會致畸甚至致死[11]。通常，馬鈴薯塊莖中糖苷生物堿符合健康標準的含量為0.01～0.10 mg/g，最高不能超過0.20 mg/g[10]。關于糖苷生物堿毒性的研究已引起國內外研究人員的高度重視，尤其成為從事食品安全和醫療保健人員的研究熱點。

本研究利用RT-PCR 技術對馬鈴薯糖苷生物堿合成途徑的關鍵酶基因PGA1 進行了克隆，并利用生物信息學軟件分析PGA1 基因的結構，而且預測了PGA1 基因編碼蛋白的物理性質及功能等，以期為深入研究分析PGA1 基因的功能提供理論基礎，為進一步利用基因工程技術，通過RNAi 技術或基因編輯技術調控生物堿的合成尋求新途徑。

1 材料和方法

1.1 材料及主要試劑

供試馬鈴薯品種為大西洋，由山西省農業科學院作物科學研究所植物轉基因實驗室保存。

RNA 提取所用的Trizol 為Invitrogen 公司生產；RT-PCR 試劑盒購自TaKaRa 公司；PCR 產物膠回收試劑盒購于北京艾德萊生物科技有限公司；pEASY-Blunt Cloning Vector 克隆載體購于北京全式金公司；由北京華大基因公司完成引物的合成及測序工作；其他試劑購自國內外各廠家，均為國產或進口分析純。

1.2 方法

1.2.1 馬鈴薯總RNA 的提取及cDNA 的合成 采用山西省農業科學院作物科學研究所植物轉基因實驗室改進的方法[12]提取馬鈴薯總RNA，以馬鈴薯品種大西洋無菌苗葉片為材料，通過液氮速凍、研磨后加入Trizol 試劑，按照說明書提取總RNA。提取完成后，采用非變性的1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測提取的總RNA 質量。以提取的總RNA 為模板，按照TaKaRa 公司RT-PCR 試劑盒說明轉錄合成cDNA 的第1 鏈。

1.2.2 馬鈴薯PGA1 基因的克隆 根據PGA1 基因已報道的序列（序列號為AB839752.1），利用Primer Premier 5.0 軟件設計RT-PCR 引物：正向引物為5′-ATGGCAATTGCAACAGTAATTG-3′，反向引物為5′-TCAAAGCTTGTTGAGGATTATC-3′。以合成的cDNA 為模板進行PCR 擴增，擴增體系為ddH2O33.5 μL，10×PCR buffer 5 μL，10 mmol/L dNTP 1 μL，10 μmol/L 正向引物和反向引物各2.5 μL，EX Taq 酶（5 U/μL）0.5 μL，反轉錄產物cDNA 5 μL，總體積50 μL；擴增程序為95 ℃變性5 min；94 ℃變性30 s，54 ℃復性30 s，72 ℃延伸90 s，30 個循環；72 ℃延伸10 min。通過1%的瓊脂糖凝膠電泳對擴增得到的產物進行檢測，回收目的條帶純化后連接到pEASY 克隆載體上，經過轉化、涂平板，挑取單克隆并于加有AMP＋的LB 液體培養基中進行搖菌，通過PCR 擴增菌液，選取呈陽性的菌液送至北京華大基因公司進行測序。

1.2.3 馬鈴薯PGA1 基因序列分析 將克隆得到的序列通過NCBI（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）在線網站和MEGA 7.0 軟件進行Blast 比對分析，采用鄰接法構建系統進化樹。用Generunner 軟件翻譯得到PGA1 基因的氨基酸序列，用ProtParam 對推導獲得的氨基酸的組成、理論分子量及等電點進行在線分析[13]，通過PSORT（http：//psort1.hgc.jp/form.html）進行亞細胞定位分析。PGA1 蛋白的跨膜結構通過TMHMM2.0（http：//www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/）在線分析，用ProtScale（https：//web.expasy.org/protscale）軟件預測蛋白親/疏水性，使用SOPMA（https：//npsa-prabi.ibcp.fr）在線分析PGA1 基因編碼多肽鏈的二級結構[14]，蛋白質的三級結構通過在線軟件SWISSMODEL（https：//www.swissmodel.expasy.org/）分析[15]，采用SignalP 4.0 軟件系統分析蛋白的信號肽序列[16]，其他相關在線網站及軟件的使用參照文獻[17]。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯PGA1 基因的克隆及序列特征分析

利用1.2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測提取的馬鈴薯總RNA，電泳結果顯示（圖1），28SrRNA、18S rRNA條帶清晰，RNA 完整性較好，可用于下一步試驗。采用TaKaRa 公司的RT-PCR 試劑盒將提取的總RNA 通過反轉錄合成cDNA 的第1 鏈。利用特異性引物對PGA1 基因進行RT-PCR 擴增，擴增產物通過1%瓊脂糖凝膠電泳檢測，獲得約1.5 kb 的片段（圖2）。回收該片段，與pEASY 克隆載體連接，然后將重組陽性質粒送至北京華大基因公司進行測序。

測序結果表明，試驗獲得的PGA1 基因的CDS序列長為1 497 bp，其中，（G＋C）含量占38.81%，（A＋T）含量占61.19%。NCBI 比對發現，克隆的基因序列與已報道PGA1 序列相似性達到99.2%，可能是由于克隆基因所用的品種差異造成的差別，利用MEGA 7.0 軟件構建PGA1 遺傳進化樹發現，馬鈴薯PGA1 基因與潘那利番茄（Solanum pennellii）屬于同一分支，親緣關系最近（圖3）。用Generunner軟件推導獲得PGA1 基因的氨基酸序列（圖4），該基因編碼498 個氨基酸。用ProtParam 對馬鈴薯PGA1 基因序列進行在線分析可知，該基因分子質量為57.087 ku，理論等電點為9.29，蛋白分子式為C2624H4104N678O696S25，PGA1 蛋白帶完全正電荷的氨基酸殘基賴氨酸、精氨酸總和為63 個，帶完全負電荷的谷氨酸與天冬氨酸總和為48 個，不穩定性系數為42.76（＞40），表明該蛋白是不穩定性蛋白。

2.2 蛋白質疏水性分析及蛋白質結構預測

馬鈴薯PGA1 蛋白的親/ 疏水性預測通過ProtScale 在線軟件進行分析（大于0 表示疏水性，小于0 表示親水性），結果發現（圖5），預測的最大值出現在第15 個氨基酸處，分值為3.167，疏水性最強；最小值出現在第146 個氨基酸處，分值為-3.000，親水性最強。

使用SOPMA 在線軟件對蛋白質二級結構進行預測分析，結果表明，PGA1 基因所編碼的蛋白二級結構主要由α 螺旋、β 轉角、延伸鏈和無規則卷曲4 部分組成，其中，261 個氨基酸可能參與形成α 螺旋，占52.41%；30 個氨基酸可能參與形成β 轉角，占6.02%；64 個氨基酸可能參與形成延伸鏈，占12.85%；143 個氨基酸可能參與形成無規則卷曲，占28.71%，α 螺旋和無規則卷曲是其主要的二級結構元件，β轉角和延伸鏈分散在整個蛋白結構中（圖6）。

利用SWISS-MODEL 在線分析工具，對PGA1基因編碼的蛋白三維結構進行預測。結果顯示（圖7），馬鈴薯PGA1 編碼的蛋白的三維結構主要以α 螺旋和無規則卷曲為主，與二級結構預測結果相一致。

2.3 蛋白質跨膜區域、信號肽及亞細胞定位分析

采用PSORT 工具預測馬鈴薯PGA1 蛋白最有可能定位于內質網。利用TMHMM2.0 在線分析了馬鈴薯PGA1 蛋白的跨膜結構，結果發現（圖8），該蛋白第30—498 位氨基酸位于細胞膜表面，第7—29 位氨基酸之間形成一個典型的跨膜螺旋區，與該蛋白的疏水性區域分析結果一致，表明該蛋白可能是一個與細胞信號傳導有關的膜受體蛋白。

通過SignalP 4.0 Server 軟件系統在線分析了馬鈴薯PGA1 基因的信號肽序列，結果顯示（圖9），該蛋白的氨基酸序列不具備信號肽序列，是非分泌型蛋白。

3 結論與討論

塊莖中馬鈴薯糖苷生物堿含量過高會影響人畜安全，但其也存在積極作用。有研究表明，該類次生代謝物能夠增強植物的抗病性、抗蟲性等，是植物防御病蟲害的化學屏障[18-19]。因此，科研人員育種時，最為理想的是獲得馬鈴薯地上部分生物堿含量高而塊莖中含量低的品種，而通過常規育種手段很難實現。

隨著基因工程技術的快速發展，通過轉基因技術調控糖苷生物堿的合成可為育種人員開辟一條新途徑。目前，關于糖苷生物堿合成代謝研究的報道還比較缺乏，但部分合成代謝途徑的關鍵基因及酶已取得了一定進展，如已經鑒定出同時調控α-茄堿合成的茄啶半乳糖轉移酶基因SGT1 和SGT2，同時調控α- 卡茄堿的茄啶鼠李糖轉移酶基因SGT2 和SGT3[20-22]，以及最新鑒定出的編碼糖苷生物堿合成通路關鍵酶基因CYP450 單加氧酶基因等[23]。另外，在馬鈴薯糖苷生物堿的合成途徑中，還有很多關鍵基因及酶發揮重要的調控作用，研究并了解這些合成代謝相關酶的功能機制具有非常重要的意義。

本研究通過對馬鈴薯栽培品種大西洋中糖苷生物堿合成關鍵酶PGA1 基因進行克隆，得到長為1 497 bp、編碼498 個氨基酸的基因序列；進一步分析發現，馬鈴薯PGA1 蛋白主要分布在內質網。信號肽分析表明，馬鈴薯PGA1 蛋白不含信號肽，屬于非分泌型蛋白。氨基酸序列進化分析結果表明，PGA1 與野生番茄資源潘那利番茄的親緣關系最近，都是茄科作物，符合物種進化規律。

本研究通過對馬鈴薯PGA1 基因的克隆和初步分析，有利于對PGA1 基因編碼蛋白的功能進行深入研究，有助于了解馬鈴薯糖苷生物堿的合成機制。今后將嘗試通過基因編輯技術對PGA1 基因進行干擾，并通過根癌農桿菌介導遺傳轉化技術進行轉基因馬鈴薯的研究，探討通過基因編輯技術調控馬鈴薯糖苷生物堿含量的新技術。