基于碳代谢的内生细菌Bacillus cereus G2调控盐胁迫下甘草活性成分合成和积累的机制研究

来源 :宁夏医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuanxb2008
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目的本文以甘草(Glycyrrhiza uralensis Fisch.)为研究材料,通过研究甘草幼苗生长、活性成分、碳代谢、黄酮类成分生物合成相关指标,从生理和分子层面明确盐胁迫下Bacillus cereus G2对甘草幼苗碳代谢和黄酮类成分生物合成路径的调控效应,揭示盐胁迫下G2调控甘草幼苗碳代谢和黄酮类成分积累的机制。在此基础上,通过相关、PCA、通径、多元线性回归等分析手段,揭示盐胁迫下G2通过调控碳代谢进而调控活性成分合成和积累的机制。方法采用室内沙培盆栽实验培养甘草幼苗,采样后测定生长指标,并利用高效液相色谱技术(HPLC)、紫外分光光度法、酶联免疫法(ELISA)等方法测定甘草幼苗碳代谢和黄酮类物质合成中关键酶活性和物质含量以及有效成分含量;利用转录组学技术和PCR技术来研究甘草幼苗碳代谢和黄酮类物质合成中相关基因的表达。结果1、盐胁迫抑制了甘草幼苗的生长,降低了总皂苷、总多糖和异甘草素的含量,但增加了甘草苷的含量,这可能是盐胁迫下甘草的一种保护机制。盐胁迫下,G2不仅能促进甘草幼苗的生长、增加其生物量,还能提高甘草幼苗中甘草酸等活性成分的含量,具体表现为:G2提高了甘草幼苗的茎粗、株高、鲜重和干重,增加了甘草幼苗中总皂苷、总多糖、异甘草素和甘草酸的含量,但降低了甘草苷的含量,表明G2能缓解盐胁迫对甘草幼苗生长和活性成分积累的抑制作用。2、盐胁迫会降低甘草幼苗中碳水化合物的积累,而盐胁迫下G2能通过平衡碳代谢过程进而积累更多的碳水化合物。具体表现为:(1)在光合作用方面,盐胁迫下甘草幼苗叶片中叶绿素的积累增加且叶片颜色更绿,这可能会提高光反应方面的光合效率;盐胁迫下G2进一步提高了叶绿素a和类胡萝卜素的含量,进而能提高甘草幼苗的光合速率。(2)在糖的转化方面,盐胁迫降低了甘草幼苗中TSS、淀粉、蔗糖和果糖的含量,而G2提高了盐胁迫下草幼苗TSS、淀粉、蔗糖和果糖含量。其原因为:盐胁迫下G2通过增加SSS活性来促进支链淀粉分子上的a-1,4-糖苷键的伸长,进而促进了淀粉的合成,随之也激活了AM和BM的活性进而加速淀粉更多的分解为小分子的低聚糖混合物,为后续的碳代谢提供充足的底物。盐胁迫下G2通过上调编码SS的基因Glyur001957s00039090来提高甘草幼苗SS活性,进而促进了蔗糖的合成;同时,G2通过提高NI和AI活性以及上调编码α-葡萄糖苷酶的基因Glyur000005s00001105来促进蔗糖的分解,导致果糖的积累,进而为后续EMP-TCA循环提供充足的底物。(3)在EMP过程中,盐胁迫抑制了甘草幼苗中HK活性、增加了PFK和PK活性,而G2逆转了这一现象。具体表现为:盐胁迫下,G2通过提高HK活性,进而促进己糖的磷酸化并引发糖的信号转导;而G2降低PFK和PK活性会抑制6-磷酸果糖转化为丙酮酸。这说明G2通过提高碳水化合物含量和促进EMP第一步反应,为盐胁迫下甘草幼苗提供了充足的能量和碳源。(4)在TCA循环中,盐胁迫抑制了甘草幼苗中PDH和SDH活性并降低了CA含量,但提高了MDH活性。有趣的是,盐胁迫下G2提高了PDH活性进而促进了CA的积累,随之也激活了ICDH活性来促进CA的后续转化,进而加速TCA循环。3、盐胁迫会抑制黄酮类化合物的生物合成及积累,而G2在一定程度上逆转了这一现象。具体表现为:盐胁迫通过降低PAL和4CL活性抑制对香豆酰辅酶A和肉桂酰辅酶A的合成,进而从底物水平上抑制苯丙素类和黄酮类生物合成。进一步,在苯丙素类和黄酮类化合物生物合成通路中,盐胁迫通过降低4CL、CHS和CHI活性及下调CSE、COMT、CYP75A和CYP81E1基因表达水平,进而抑制甘草幼苗中苯丙素类、黄酮类、异黄酮、黄酮和黄酮醇类化合物的合成。有趣的是,在苯丙素生物合成通路中,G2显著提高了盐胁迫下甘草幼苗中PAL活性、降低了C4H和HCT活性,G2也上调了编码COMT的基因Glyur000217s00014848,而对编码POD的基因有着复杂的调控,这表明G2可能抑制了盐胁迫下甘草幼苗中苯丙素类化合物的生物合成,进而降低了木质素的含量。在黄酮类生物合成通路中,G2通过提高盐胁迫下甘草幼苗中CHS和CHI的活性,下调编码CYP93C2的基因Glyur000721s00027409来促进黄酮类化合物的生物合成并抑制异黄酮类化合物的生物合成,进而导致异甘草素含量的增加。简而言之,盐胁迫下G2能通过降低C4H和HCT活性、增加PAL、CHS和CHI活性,来抑制木质素合成通路中的苯丙素代谢通量,从而促进苯丙素代谢通量更多的流向黄酮类化合物的合成通路,最终导致了盐胁迫下甘草幼苗中木质素含量的降低以及异甘草素含量的增加。结论:G2通过提高光合色素含量、促进碳水化合物积累、调控EMP-TCA循环来为盐胁迫下甘草幼苗中后续生命活动提供碳源和能量;通过影响苯丙素类和黄酮类生物合成中关键酶和相关基因来调控木质素合成通路和黄酮类合成通路间的转化,进而降低木质素的积累、增加异甘草素的积累。
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