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柽柳过氧化物酶基因的序列分析及山新杨遗传转化研究

时间:2022-12-18 15:15:05 来源:网友投稿

摘要:对刚毛柽柳(Tamarix hispida)的过氧化物酶基因(ThPOD)全长序列进行分析,结果表明,该基因全长为1 376 bp,包含一个1 086 bp的开放阅读框,可编码361个氨基酸残基,蛋白分子质量为39.3 ku。根据ThPOD基因保守序列设计特异引物克隆该基因,并成功构建了pROKⅡ-ThPOD植物过表达载体,利用农杆菌介导法转化山新杨(Populus davidiana × P. bolleana),经PCR和Northern blot鉴定,初步证明外源基因ThPOD已整合到山新杨的基因组中并在转录水平上进行了表达。

关键词:柽柳(Tamarix hispida);过氧化物酶基因(ThPOD);山新杨(Populus davidiana × P. bolleana);遗传转化

中图分类号:S793.5;Q554+.6 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2012)03-0615-05

Sequence Analysis of Peroxidase Gene from Tamarix hispida and Its Transformation Into Populus davidiana ×P. bolleana

GUO Xiao-hong,HONG Yan-hua,HAN Wen-ge,ZHENG Gui-ping,L?譈 Yan-dong

(College of Agricultural Sciences, Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,Heilongjiang, China)

Abstract: The sequence of ThPOD gene isolated from Tamarix hispida root cDNA library was analyzed and it was showed that the sequence length of ThPOD was 1 376 kb containing a 1 086 bp ORF. The protein molecular quality of ThPOD was 39.3 ku with 361 amino acids. The gene was cloned from the specific primers designed according to the conserved sequences of ThPOD. Plant over-expression vector pROKⅡ-ThPOD was constructed; And the ThPOD gene was transformed into Populus davidiana × P. bolleana through Agrobacterium-mediated genetic transformation. PCR and Northern blot results showed that ThPOD was integrated into the genome and the transformed gene was expressed at the transcription level.

Key words: Tamarix hispida; ThPOD; Populus davidiana × P. bolleana; transformation

过氧化物酶(Peroxidase,POD,EC1.11.1.7)是广泛存在于动物、植物和微生物体内的一类氧化还原类酶,主要与过氧化氢的清除有关[1]。该酶参与众多的植物生理过程,在植物的生长发育、抵御生物和非生物胁迫方面起着一定作用[2-6]。目前,已对模式植物如拟南芥、水稻、烟草等的过氧化物酶的基因序列、表达模式、酶学性质及生理功能等方面进行了研究[7-9],但在木本植物中鲜有报道。

刚毛柽柳(Tamarix hispida)属柽柳科柽柳属,广泛分布于砾石戈壁、粘土、沙土、流沙及各种不同程度的盐渍化土壤,具有抗旱、耐盐碱、耐沙埋、耐贫瘠的特点,是荒漠地区盐渍化沙地上良好的固沙造林树种,也是进行植物抗干旱和耐盐碱基因克隆的理想材料之一。ThPOD是从NaCl胁迫条件下刚毛柽柳根的cDNA文库中分离到的编码过氧化物酶的基因,属于植物过氧化物酶基因家族成员之一,能够被干旱、盐和冷及重金属(CdCl2)等非生物胁迫因子所诱导,且能保护大肠杆菌细胞免于非生物胁迫[10-12]。本研究对前期研究获得的ThPOD序列进行了生物信息学分析,并利用农杆菌叶盘法将该基因转入山新杨(Populus davidiana × P. bolleana),以期为进一步研究过氧化物酶在植物对逆境的响应等的分子调控机理以及利用基因工程技术改良林木品种奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)EHA105、大肠杆菌(Escherichia coli)JM109菌株为东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室保存;植物表达载体pROKⅡ由山东农业大学张慧教授惠赠;pMD18T- ThPOD质粒、pET32a-ThPOD质粒由东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室姜静教授惠赠;限制性内切酶BamHⅠ和SacⅠ、Ex Taq、T4 DNA Ligase等购自MBI,质粒(小量)提取试剂盒、胶回收试剂盒购自上海华舜生物工程有限公司,DNA Marker DL 2000购自宝生物工程(大连)有限公司。卡那霉素(Kanamycin Sulfate,Km)购自Sigma公司,其他化学试剂等购自国内生产厂家,均为分析纯。

1.2 方法

1.2.1 ThPOD序列生物信息学分析 用NCBI的ORF(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html)软件寻找ThPOD的开放阅读框;采用ExPASy的ProtParam Tool(http://www.expasy.ch/tools/protparam.html)分析ThPOD的理化性质;用Prosite软件(http://au.expasy.org/pro-site)预测编码蛋白的特定功能位点;Predictprotein预测ThPOD氨基酸序列的二级结构(http://www.predictprotein.org);用Signal P 3.0 Server(http://www.cbs.dtu.dk/services/Signal P)进行蛋白质序列中信号肽的预测分析。

1.2.2 ThPOD基因的分离 根据已获得的ThPOD基因保守序列,利用Oligo6.0软件设计一对PCR特异扩增引物扩增ThPOD的开放阅读框,由上海英骏生物技术有限公司合成。上下游引物序列分别为:上游引物5′-ATCGGGATCCATGGCCTTCAAGATCA

TCAGCAGT-3′,下游引物5′-GAGCTCTTAGTATTC

TGACCGCCTTCCATAC-3′(划线部分分别为Bam HⅠ和SacⅠ的酶切位点)。PCR反应体系为20 μL,包括10×PCR Buffer 2 μL、2.5 mmol/L dNTPs、10 U/μL ExTaq、上下游引物各5 mol/L、模板pMD18T-ThPOD 60 ng。PCR扩增条件为:94 ℃预变性3 min;94 ℃变性30 s,56 ℃退火45 s,72 ℃延伸60 s,30个循环;72 ℃,7 min。

1.2.3 植物表达载体的构建及鉴定 质粒pMD18T-ThPOD经限制性内切酶BamHⅠ和SacⅠ消化后回收小片段,植物表达载体pROKⅡ经BamHⅠ和SacⅠ消化后回收大片段,将两个片段经T4连接酶连接。连接产物转化大肠杆菌JM109感受态细胞,在含50 mg/L Km的LB平板上筛选阳性菌落,碱裂解法提取质粒,利用PCR、酶切及测序进一步确认目的片段是否连接到pROKⅡ载体上。将PCR扩增、酶切鉴定均为阳性及测序正确的质粒命名为pROKⅡ-ThPOD。重组质粒pROKⅡ-ThPOD通过电击法转入根癌农杆菌EHA105感受态细胞,在含有50 mg/L Rif和50 mg/L Km的YEB平板上筛选阳性克隆,使用碱裂解法提取质粒并进行酶切鉴定。

1.2.4 农杆菌介导的山新杨遗传转化 菌种的活化和工程菌液的制备按文献[13]所述方法进行,参照文献[14,15]的方法进行遗传转化。

1.2.5 转基因山新杨植株的检测 ①DNA提取及PCR的检测。取转化的山新杨植株幼嫩叶片,CTAB法提取总DNA。10 μL PCR反应体系包括:10×PCR Buffer 1.0 μL,MgCl2 0.6 μL,上下游引物(5 mmoL/L)各1.0 μL,dNTPs(2.5 mmoL/L)0.8 μL,Ex Taq(10 U/μL)0.2 μL,模板DNA(50 ng)1.0 μL。PCR反应程序为:94 ℃预变性5 min;94 ℃变性40 s,56 ℃退火40 s,72 ℃延伸1 min,30个循环;72 ℃保温7 min。PCR 产物用1.5%的琼脂糖凝胶电泳检测,以pROKⅡ-ThPOD质粒为阳性对照,以未经转化的山新杨植株试管苗总DNA为阴性对照,同时设纯水对照,对转化再生植株进行PCR扩增检测。②Northern印迹杂交检测。采用SDS法[16]提取转基因和非转基因对照山新杨的总RNA,在0.8%的甲醛变性胶上进行电泳,采用虹吸法将RNA转移到尼龙膜上,按标准的Northern印迹法进行杂交和检测[17]。

2 结果与分析

2.1 柽柳ThPOD基因生物信息学分析

2.1.1 cDNA及氨基酸序列分析 ThPOD全长为1 376 bp,其中5’端非翻译区163 bp,3’端非翻译区96 bp,1 347-1 376位为Poly(A)尾(图1)。开放阅读框编码由361个氨基酸残基组成的多肽。氨基酸序列的分子量为39.3 ku,理论等电点为6.59。编码的蛋白为酸性蛋白质。负电荷残基(Asp+Glu)数为35,正电荷残基(Arg+Lys)数为34个,不稳定系数为37.17,为稳定的蛋白质。

2.1.2 ThPOD二级结构的预测和分析 用SOPMA预测ThPOD氨基酸序列的二级结构(图2),α-螺旋和不规则卷曲是ThPOD主要的结构元件,而β-转角和延伸链则散布于整个蛋白质中。统计表明,ThPOD的二级结构由39.61%的α-螺旋、39.34%的不规则卷曲、16.07%的延伸链和4.99%的β-转角组成。与豇豆、菠菜、烟草、大戟属和拟南芥POD的二级结构相同,这说明POD的二级结构是高度保守的,与刘稳等[18]报道的结果一致。

2.1.3 其他预测结果 SMART和ScanProsite分析结果表明,ThPOD还具有过氧化物酶超家族的其他特征基序,如4个保守的二硫化物桥(51-132,84-89,138-333,218-245)和2个保守的钙绑定位点(212,265)。除此之外,该基因包含4个N-糖基化位点(110-113,NLTL;186-189,NATT;252-255,NTTV;301-304:NQSL),4个蛋白激酶C磷酸化位点(112-114,TLR; 233-235,TDK; 290-292,TTK; 340-342,SFK),6个酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点(137-140,SCAD; 254-257, TVLD; 280-283, TSDE; 281-284,SDED; 325-328,TQQE; 345-348,SVVD),2个氨基化位点(162-165,LGRR;355-358,YGRR),一个依赖于cAMP和cGMP的蛋白激酶磷酸化位点(164-167,RRDS)和5个肉豆蔻酰化位点(41-46,GLSWSF;71-76,GQAAGL;88-93,GCDGSV;219-224,GSFTNW;277-282,GLFTSD)。此外,该基因所编码的蛋白为分泌型蛋白且有信号肽。

2.2 ThPOD基因开放阅读框的获得

以质粒pMD18T-ThPOD为模板,用设计的特异引物进行PCR,扩增出长约1 086 bp的DNA片段(图3),与预期的片段长度相符,阴性对照没有扩增出条带,初步确定获得的片段为ThPOD基因的开放阅读框。

2.3 ThPOD基因植物表达载体的构建及鉴定

PCR产物及pROKⅡ载体经BamHⅠ和SacⅠ进行双酶切后,连接并转化E. coli JM109,在含有50 μg/mL Km的平板上挑取阳性菌落,LB液体培养基培养并抽提质粒,利用特异引物进行PCR扩增,质粒扩增结果与以pMD18T-ThPOD质粒为模板扩增得到的片段大小一致(图略);同时利用BamHⅠ和SacⅠ对质粒进行双酶切,结果显示在1 086 bp处有一特异片段(图4),表明目的片段已成功地插入表达载体。经序列测定证实插入片段为ThPOD开放阅读框序列,且序列完全、正确。

2.4 农杆菌介导的山新杨遗传转化

采用电转化法将pROKⅡ-ThPOD载体直接转化农杆菌EHA105,用ThPOD基因的特异引物PCR扩增鉴定农杆菌质粒中目的基因的存在。从图5可知农杆菌质粒与大肠杆菌质粒PCR结果相一致,说明植物表达载体pROKⅡ-ThPOD已转化到农杆菌中。经愈伤诱导、共培养、筛选、预分化、分化得到17株转基因山新杨苗。

2.5 转基因山新杨的检测

用CTAB法提取17株转基因植株及非转基因对照植株的基因组DNA,以此为模板,用ThPOD基因开放阅读框的特异引物进行PCR扩增,检测ThPOD是否整合到了山新杨基因组中。以非转化植株和纯水做阴性对照,所得琼脂糖凝胶电泳结果见图6。从图6可以看出,17个卡那霉素抗性植株中有14株可以扩增出目的条带,而非转化植株和纯水阴性对照中均没有扩增出产物,结果初步证明已获得14株含外源ThPOD基因的山新杨转化植株,将其分别命名为TL1-TL14。

为检测阳性转基因植株在转录水平的表达,以非转基因山新杨植株为阴性对照,对阳性转基因植株进行Northern blot分析。采用CTAB法提取转基因(TL1,TL3,TL5,TL8,TL12)和非转基因山新杨叶片总RNA,用DNaseⅠ消化后经凝胶电泳检测符合实验要求(图7)。采用DIG标记的ThPOD的特异性探针进行Northern blot,结果表明柽柳ThPOD在转基因山新杨植株的叶片中进行了转录,非转基因植株未出现杂交信号。

3 结论与讨论

过氧化物酶目前已在棉花[19]、小麦[20]、甘薯[21]、针叶树[22]等植物中分离。在高等植物中,过氧化物酶是被多基因家族编码的,过氧化物酶超家族的所有成员均参与以过氧化氢作为电子受体的多步氧化反应,该类酶主要存在于植物的细胞外和液泡膜空间,参与过氧化氢的脱毒、植物激素代谢、木质素的生物合成和胁迫反应[1]。研究表明ThPOD响应于盐、冷、干旱、重金属胁迫及ABA处理,与植物抗逆性的调控相关。因此可以推断ThPOD是一个与逆境胁迫相关的基因[11,12]。生物信息学分析表明,ThPOD基因具有过氧化物酶超家族的特征基序,其二级结构也是高度保守的。

对过氧化物酶基因进行基因工程研究已经取得了一定的成果。Kim等[23]通过农杆菌介导法将甜薯过氧化物酶基因(swpa4)转入烟草植株中,转基因植株过氧化物酶活性是对照植株酶活的50倍,该基因的过表达能够提高烟草对盐胁迫、氧化胁迫以及干旱胁迫的耐性,并推测该基因在过氧化氢调控的胁迫响应信号通路中可能起到一个有利的防御信号的作用。可见采用基因工程手段,通过过量表达可清除活性氧自由基的抗氧化解毒酶,可以提高植物抗氧化胁迫的能力,继而提高植物耐性。本研究将克隆获得的ThPOD基因开放阅读框构建到植物表达载体pROKⅡ中CaMV35S启动子的下游,构建了ThPOD基因过表达载体,通过农杆菌介导法转化山新杨,共获得17个卡那霉素抗性植株,PCR检测结果显示其中14个转化植株为阳性,从中选取5个转化子进行Northern blot鉴定,结果证实ThPOD基因已经整合到山新杨基因组中并能够转录出mRNA。本研究为进一步研究该基因的生物学功能,并深入了解过氧化物酶在植物对逆境的响应等方面的分子调控机理以及利用基因工程技术改良林木品种奠定了基础。

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(责任编辑 向 闱)

收稿日期:2011-08-12

基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究面上项目(11551318);黑龙江八一农垦大学博士启动基金(B2010-5)

作者简介:郭晓红(1980-),女,黑龙江宁安人,讲师,博士,主要从事植物分子生物学研究,(电子信箱)dongjingcheng2002@yahoo.com.cn;

通讯作者,吕艳东,副研究员,博士,主要从事植物基因工程及水稻节水灌溉研究,(电子信箱)luyandong336@sohu.com。

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