大型海藻尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶基因克隆、功能验证、表达差异分析和基因比较学研究

Trehalose is a non-reducing disaccharide which functions as a stress protection metabolite in the stabilization of biological structures under stress tolerance in large seaweed. UDP-glucose serves as the glucosyl donor in the synthesis of trehalose and numerous compounds such as sucrose, cellulose, pectin and starch. So far no report has characterized the large seaweed UDP-glucosepyrophosphorylase gene (ugp) which encode UDP-glucosepyrophosphorylase catalyzing the reaction of UDP-glucose synthesis. Based on the research of macroalgae trehalose-6-phosphate synthase gene (tps) in our previous work, this project intends to perform gene cloning (DNA and cDNA), functional verification, comparative analysis, temporal and spatial expression of ugp gene in 5 to 8 kinds of representatively large-scale economic algae; study the relationship among gene structure, gene expression level and trehalose synthesis; reveal the environmental regulation on gene structure and functional diversity of algae ugp gene. Research results of this project are of great significance for the study of ecological adaptation, phylogeny analysis and environmental resilience of large algae.

海藻糖类物质是大型海藻抗逆的重要功能性保护成分。尿苷二磷酸葡萄糖不仅是海藻糖合成的前体单糖，还是蔗糖、纤维素、果胶质、淀粉等成分的前体，在生物体的糖合成代谢中起重要作用。目前，在大型海藻中这个单糖合成酶尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶基因（ugp）的研究还未见报道。本项目在前期海藻糖合成酶基因（tps）克隆、功能验证和基因比较学研究的基础上，以海藻糖合成途径中重要的上游合成酶基因ugp为研究对象，拟选择5-8种具有进化学代表性和生态代表性的大型经济海藻，通过基因克隆（DNA和cDNA）、功能验证、基因比较学及时空表达特异性研究，分析该基因的序列结构、表达水平与海藻糖合成的关系，揭示海藻ugp基因的结构与功能差异及其对环境响应水平，对于研究藻类生态适应、系统进化、逆境胁迫作用等工作具有重要的研究价值与意义。

尿苷二磷酸焦磷酸化酶（UDP-glucose pyrophosphorylase，UGP）基因编码酶的代谢产物UDP-葡萄糖是生物体内包括纤维素、海藻糖、细胞壁成分等多种双糖和多糖的糖基供体，是衔接光合作用和糖酵代谢途径的关键物质。在动植物和微生物中有广泛研究，但大型海藻中研究较少。本研究进行了藻类中UGP基因的基因克隆、蛋白表达、功能验证、系统进化和表达差异分析，结果显示：○1红藻门5种藻类及褐藻纲海带中UGP基因均为单拷贝形式存在，其全长序列为国内外首次报道，且在国际上首次发现海带中存在UGP/PGM融合基因，同时发现海带的UGP和UGP/PGM基因为转录本选择性剪接的结果；○2基因序列和系统进化分析首次发现真核藻类和植物的UGPs可能通过水平基因转移起源于非蓝细菌的原核生物，藻类同一门内不同物种的UGP基因序列存在较高的保守性，而不同门间在长期的进化过程中出现了较大的分化；○3基因序列比对显示藻类UGP和其真菌及植物同源基因具有一定保守性，研究获得的藻类UGP蛋白存在着尿苷二磷酸焦磷酸化酶的活性，基因的可变剪接导致融合基因出现假基因或基因新功能化；海带的不同发育阶段、组织部位和生长条件下UGP基因存在转录表达差异，极端环境条件会促进UGP的转录表达，进而增加海藻糖在藻体中的积累。通过上述研究成果，将进一步提高对大型海藻的生态适应、系统进化、环境抗逆等方面的认识水平和能力。更重要的是，通过对此类糖代谢途径关键酶基因的克隆与功能分析，将对开启大型藻类基因表达调控网络这一生物海洋学研究新领域具有重要的科学发展意义。