近日，中国林业科学研究院林业研究所孙晓梅团队从日本落叶松（Larix kaempferi）基因组中筛选并鉴定了14个糖基转移酶 31（GT31 ）基因家族，为今后研究阿拉伯半乳聚糖（AG）的生物合成奠定了基础。相关研究成果已发表在国际知名期刊《Industrial Crops & Products》（IF=5.9、一区期刊）。
AG 几乎存在于所有高等植物的种子、叶、根、果实和木质部中，如香蕉、柿树、马铃薯和落叶松等。落叶松是 AG 的主要来源，其木材中含有 5-30% 的 AG。AG能提高机体免疫力，增强免疫抗原中单核细胞、巨噬细胞、T细胞和自然杀伤（NK）细胞的免疫应答活性，产生非特异性细胞杀伤作用，诱导体内内源性干扰素和肿瘤坏死因子的产生。AG 还能帮助增加肠道益生菌，调节肠道功能。目前，来自西部落叶松（Larix occidentalis Nutt.）的 AG 已经商业化，并被美国食品与药物管理局（FDA）批准为食品添加剂。
虽然不同落叶松品种中半乳糖和阿拉伯糖的比例不同，但基本结构保持不变。从落叶松中提取的 AG 具有 β-(1,3)-半乳糖骨架和取代骨架 C6 羟基位置的 β-(1,6)-半乳糖侧链。半乳糖基转移酶（GalTs）已在哺乳动物中得到广泛研究。在植物中，膜结合GalTs可参与果胶、半乳甘露聚糖、木糖、阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP）和质体半乳脂的合成。GT31家族是一个具有β-(1,3)-GalT 活性的 CAZy（碳水化合物活性酶）家族，广泛存在于动物、植物和一些细菌中。β-(1,3)-GalT 是一种转化酶，能将活化的二磷酸尿苷的各种单糖转移到糖蛋白和糖脂寡糖链的非还原端，从而形成独特的 β-(1,3)-gal 连接。
目前，关于 GT31 家族的研究很少，仅有拟南芥报告了 GT31 家族在基因组中的鉴定和分析。落叶松（Larix）作为中国主要的用材树种和生态树种之一，对其AG的研究主要集中在化学结构、提取工艺和临床医学等方面。然而，关于其合成和调控机制的研究至今尚未见报道。
本研究利用生物信息学方法从L. kaempferi基因组中鉴定了GT31 家族，并对其系统进化、基因结构、启动子顺式元件和表达模式进行了分析。结果表明，LkGT31家族共有14个完整结构域，编码312-685个氨基酸，分子量在35.21-78.07 kDa之间。进化关系表明，14 个 LkGT31 可分为三个支系（支系 1、支系 7 和支系 10）。对不同组织和脱落酸（ABA）处理的表达分析表明，几乎所有基因都在茎中高表达，并能对ABA胁迫产生不同程度的响应，表明这些LkGT31基因可能与茎的生长发育和抗逆性有关。
▲ 表1 日本落叶松 LkGT31 家族的理化性质
为了检测 LkGalT14 能否形成同源二聚体，作者进行了酵母双杂交试验以及利用博鹭腾PlantView系列植物活体成像系统进行了荧光素酶互补成像检测（LCI）。结果表明，LkGalT14可与自身相互作用，表明LkGalT14可能通过形成同源二聚体发挥作用。该研究对发现AG合成相关基因和加速AG合成调控机制的研究具有重要意义。
▲图1 LkGalT14 可与自身相互作用
(B) 用酵母双杂交法分析 LkGalT14 蛋白的相互作用
(C）荧光素酶互补成像检测（LCI）。在烟草（N. benthamiana）叶片中瞬时表达融合了 nLUC 或 cLUC 构建的 LkGalT14 蛋白
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论文链接：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2023.117340