橡胶树橡胶烃合成关键酶—ATP柠檬酸裂解酶基因的分离及功能分析

Nature rubber, crucial industrial stuff and strategic material, is mainly produced by Hevea brasiliensis (rubber tree). In laticifier of rubber tree, the acetyl coenzyme A (acetyl-CoA) is the precursor and main limiting factor for rubber biosynthesis in laticifer. The ATP-citrate lyase (ACL), as a key enzyme of citrate-pyruvate cycle, regulates the content of cytoplasmic acetyl-CoA to affect rubber biosynthesis, which directly influences the rubber yield. But its regulation mechanisms remain unknown, and not been reported. In this study, the HbACL genes are isolated and analyzed through transcription and translation level, including gene clone, gene expression, gene function and enzyme characteristics. And field experiments are also carried out in tapping and ethephon stimulation. It will confirm the prominent member of HbACL in latex, and reveal its key role in regulation the acetyl-CoA for rubber biosynthesis. It is better to know the expression and regulation of HbACL in rubber biosynthesis, aiming at establishing the theoretical foundation for yield formation mechanism. It also proves the important target genes to oriented genetic improvement for yield breeding in rubber tree.

天然橡胶是一种重要的工业原料和战略物资，主要来源于巴西橡胶树。早期的生理生化研究推测，在橡胶树的产胶细胞乳管中，ATP柠檬酸裂解酶（ACL）直接调控橡胶烃合成前体—乙酰辅酶A的浓度，是橡胶生物合成途径中的关键酶，影响橡胶产量。但不清楚胶乳（乳管的细胞质）中ACL的酶学调控机制，也未见橡胶树ACL基因的研究报道。本项目在前期利用基因组和转录组数据全面挖掘ACL家族基因的基础上，拟通过对该基因家族的表达特性研究，胶乳ACL的分离纯化、酶学分析和分子鉴定，结合割胶和乙烯利刺激产胶的田间实验测定，以期确定胶乳关键ACL成员，明确胶乳ACL的表达、酶活与乙酰辅酶A浓度之间的调控关系，以及相关调控在橡胶生物合成中的作用。项目结果有助于阐明橡胶树ACL表达调控模式，为全面揭示ACL参与橡胶烃生物合成及产量形成的分子机制奠定基础，为橡胶树产量定向分子改良提供重要的靶基因。

天然橡胶是重要的工业原料及战略物资，在橡胶树中其生物合成以蔗糖为初始原料，乳管糖代谢为其提供碳架（乙酰辅酶A）、还原力（NADPH）和能量（ATP），其中乙酰辅酶A是橡胶烃合成的前体及限制因子，直接影响橡胶产量。在胶乳中（乳管胞质），柠檬酸—丙酮酸循环是胶乳乙酰辅酶A的唯一来源，ATP柠檬酸裂解酶作为该循环的关键酶，调节胶乳乙酰辅酶A含量的变化，影响橡胶烃的生物合成。本项目成功分离了橡胶树ATP柠檬酸裂解酶基因5个；确定了HbACLA-1与HbACLB-1为胶乳ATP柠檬酸裂解酶关键成员，并存在互作关系；系统分析了HbACLA-1与HbACLB-1的酶学特性，并在等摩尔比时活性最高；明确了割胶调控HbACLA-1与HbACLB-1影响胶乳ATP柠檬酸裂解酶活性，进而影响胞质柠檬酸及乙酰辅酶A含量，参与胶乳再生特别是为橡胶烃生物合成提供前体物质；发现HbACLA-1与HbACLB-1存在高度的泛素化及乙酰化，推测翻译后修饰可能参与调控胶乳ATP柠檬酸裂解酶，但具体的调控机制尚不清楚；构建HbACLA-1与HbACLB-1过表达载体，依托产胶模式植物莴苣进行功能验证。以上的研究成果，初步阐明了ATP柠檬酸裂解酶调节胶乳乙酰辅酶A含量的变化机制，进一步揭示了柠檬酸—丙酮酸循环在产量形成中的关键作用，为橡胶树产量定向分子改良提供重要的靶基因。