文獻解讀：日本落葉松GT31基因家族的全基因組鑒定和表達分析
近日，中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所孫曉梅團隊從日本落葉松（Larix kaempferi）基因組中篩選并鑒定了14個糖基轉移酶 31（GT31 ）基因家族，為今后研究阿拉伯半乳聚糖（AG）的生物合成奠定了基礎。相關研究成果已發(fā)表在國際知名期刊《Industrial Crops & Products》（IF=5.9、一區(qū)期刊）。
AG 幾乎存在于所有高等植物的種子、葉、根、果實和木質部中，如香蕉、柿樹、馬鈴薯和落葉松等。落葉松是 AG 的主要來源，其木材中含有 5-30% 的 AG。AG能提高機體免疫力，增強免疫抗原中單核細胞、巨噬細胞、T細胞和自然殺傷（NK）細胞的免疫應答活性，產(chǎn)生非特異性細胞殺傷作用，誘導體內內源性干擾素和腫瘤壞死因子的產(chǎn)生。AG 還能幫助增加腸道益生菌，調節(jié)腸道功能。目前，來自西部落葉松（Larix occidentalis Nutt.）的 AG 已經(jīng)商業(yè)化，并被美國食品與藥物管理局（FDA）批準為食品添加劑。
雖然不同落葉松品種中半乳糖和阿拉伯糖的比例不同，但基本結構保持不變。從落葉松中提取的 AG 具有 β-(1,3)-半乳糖骨架和取代骨架 C6 羥基位置的 β-(1,6)-半乳糖側鏈。半乳糖基轉移酶（GalTs）已在哺乳動物中得到廣泛研究。在植物中，膜結合GalTs可參與果膠、半乳甘露聚糖、木糖、阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP）和質體半乳脂的合成。GT31家族是一個具有β-(1,3)-GalT 活性的 CAZy（碳水化合物活性酶）家族，廣泛存在于動物、植物和一些細菌中。β-(1,3)-GalT 是一種轉化酶，能將活化的二磷酸尿苷的各種單糖轉移到糖蛋白和糖脂寡糖鏈的非還原端，從而形成獨特的 β-(1,3)-gal 連接。
目前，關于 GT31 家族的研究很少，僅有擬南芥報告了 GT31 家族在基因組中的鑒定和分析。落葉松（Larix）作為中國主要的用材樹種和生態(tài)樹種之一，對其AG的研究主要集中在化學結構、提取工藝和臨床醫(yī)學等方面。然而，關于其合成和調控機制的研究至今尚未見報道。
本研究利用生物信息學方法從L. kaempferi基因組中鑒定了GT31 家族，并對其系統(tǒng)進化、基因結構、啟動子順式元件和表達模式進行了分析。結果表明，LkGT31家族共有14個完整結構域，編碼312-685個氨基酸，分子量在35.21-78.07 kDa之間。進化關系表明，14 個 LkGT31 可分為三個支系（支系 1、支系 7 和支系 10）。對不同組織和脫落酸（ABA）處理的表達分析表明，幾乎所有基因都在莖中高表達，并能對ABA脅迫產(chǎn)生不同程度的響應，表明這些LkGT31基因可能與莖的生長發(fā)育和抗逆性有關。
▲ 表1 日本落葉松 LkGT31 家族的理化性質
為了檢測 LkGalT14 能否形成同源二聚體，作者進行了酵母雙雜交試驗以及利用博鷺騰PlantView系列植物活體成像系統(tǒng)進行了熒光素酶互補成像檢測（LCI）。結果表明，LkGalT14可與自身相互作用，表明LkGalT14可能通過形成同源二聚體發(fā)揮作用。該研究對發(fā)現(xiàn)AG合成相關基因和加速AG合成調控機制的研究具有重要意義。
(C）熒光素酶互補成像檢測（LCI）。在煙草（N. benthamiana）葉片中瞬時表達融合了 nLUC 或 cLUC 構建的 LkGalT14 蛋白
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論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2023.117340
雖然不同落葉松品種中半乳糖和阿拉伯糖的比例不同，但基本結構保持不變。從落葉松中提取的 AG 具有 β-(1,3)-半乳糖骨架和取代骨架 C6 羥基位置的 β-(1,6)-半乳糖側鏈。半乳糖基轉移酶（GalTs）已在哺乳動物中得到廣泛研究。在植物中，膜結合GalTs可參與果膠、半乳甘露聚糖、木糖、阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP）和質體半乳脂的合成。GT31家族是一個具有β-(1,3)-GalT 活性的 CAZy（碳水化合物活性酶）家族，廣泛存在于動物、植物和一些細菌中。β-(1,3)-GalT 是一種轉化酶，能將活化的二磷酸尿苷的各種單糖轉移到糖蛋白和糖脂寡糖鏈的非還原端，從而形成獨特的 β-(1,3)-gal 連接。
目前，關于 GT31 家族的研究很少，僅有擬南芥報告了 GT31 家族在基因組中的鑒定和分析。落葉松（Larix）作為中國主要的用材樹種和生態(tài)樹種之一，對其AG的研究主要集中在化學結構、提取工藝和臨床醫(yī)學等方面。然而，關于其合成和調控機制的研究至今尚未見報道。
本研究利用生物信息學方法從L. kaempferi基因組中鑒定了GT31 家族，并對其系統(tǒng)進化、基因結構、啟動子順式元件和表達模式進行了分析。結果表明，LkGT31家族共有14個完整結構域，編碼312-685個氨基酸，分子量在35.21-78.07 kDa之間。進化關系表明，14 個 LkGT31 可分為三個支系（支系 1、支系 7 和支系 10）。對不同組織和脫落酸（ABA）處理的表達分析表明，幾乎所有基因都在莖中高表達，并能對ABA脅迫產(chǎn)生不同程度的響應，表明這些LkGT31基因可能與莖的生長發(fā)育和抗逆性有關。
▲ 表1 日本落葉松 LkGT31 家族的理化性質為了檢測 LkGalT14 能否形成同源二聚體，作者進行了酵母雙雜交試驗以及利用博鷺騰PlantView系列植物活體成像系統(tǒng)進行了熒光素酶互補成像檢測（LCI）。結果表明，LkGalT14可與自身相互作用，表明LkGalT14可能通過形成同源二聚體發(fā)揮作用。該研究對發(fā)現(xiàn)AG合成相關基因和加速AG合成調控機制的研究具有重要意義。
▲圖1 LkGalT14 可與自身相互作用
(B) 用酵母雙雜交法分析 LkGalT14 蛋白的相互作用(C）熒光素酶互補成像檢測（LCI）。在煙草（N. benthamiana）葉片中瞬時表達融合了 nLUC 或 cLUC 構建的 LkGalT14 蛋白
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