花生基因的克隆、序列分析与载体构建

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  摘要:脱落酸(ABA)在植物生长发育中起着重要的作用,9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶基因(NCED)是其合成途径中的关键基因。采用逆转录PCR(RT-PCR)技术在花生种子中克隆到其同源基因[WTBX][STBX]AhNCED1,预测该基因开放閱读框为1 806 bp,编码601个氨基酸,蛋白质的分子质量为66.8 ku,等电点为8.49。通过生物信息学分析表明,该基因含有2种跨膜区,但均不明显;由17个丝氨酸、8个苏氨酸、5个酪氨酸参与磷酸化过程;同源比较发现,该基因与来自拟南芥、柱花草等的NCED具有较高的同源性,进化分析表明该基因与柱花草NCED的亲缘关系最近。笔者成功构建了该基因的亚细胞定位载体[WTBX][STBX]AhNCED1-GFP和超表达载体pCambia2300EC-[WTBX][STBX]AhNCED1,为进一步研究花生中[WTBX][STBX]AhNCED1基因的功能奠定了基础。
  关键词:花生;[WTBX][STBX]AhNCED1基因;生物信息学;载体构建
  中图分类号:Q782;S565.201文献标志码:A
  文章编号:1002-1302(2017)03-0020-04
  收稿日期:2015-12-22
  基金项目:国家花生产业技术体系(编号:CARS-14);山东省农业科学院青年科研基金(编号:2016YQN17、2015YQN13);山东省农业科学院重大科技成果培育计划(编号:2014CGPY09)。
  作者简介:王云云(1989—),女,内蒙古乌兰察布人,硕士研究生,主要从事花生生物技术等研究,E-mail:13001661900@163.com;共同第一作者:孙全喜(1983—),男,山东章丘人,博士,副研究员,主要从事花生遗传改良等研究,E-mail:sunqx1983@163.com。
  通信作者:王传堂,博士,研究员,主要从事花生分子育种等研究,E-mail:chinapeanut@126.com;张君,博士,教授,主要从事花生生物技术等研究,E-mail:zhangjun@jlau.edu.cn。
  花生栽培种(Arachis hypogaea L.),别称落花生,是我国重要的油料和经济作物,在油料生产和国际贸易中占有举足轻重的地位。与油菜、芝麻、向日葵等油料作物相比,花生的单产、总产量和出口量均居首位[1]。
  脱落酸(ABA)是以异戊二烯为基本单位的一种十五碳类倍半萜类植物激素,因能促进叶片脱落而得名[2]。ABA在植物生长发育中起着重要的作用,如促进器官脱落、促进种子成熟和休眠、抑制种子萌发等。9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶(9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase,簡称NCED)是ABA生物合成途径中的关键酶。第1个NCED基因在玉米ABA缺失突变体vpl4中被克隆[3],随后研究人员在其他植物,如番茄[4]、菜豆[5]、拟南芥[6]、柱花草[7]中克隆了NCED基因。豆类作物中pvNCED基因的表达能延缓种子的萌发[8]。马铃薯(Solanum tuberosum)中leNCED基因的过量表达能提高ABA的含量,同时增强种子休眠性[9]。陈静等通过荧光定量PCR分析表明,在休眠和无休眠种子吸涨萌发过程中,[WTBX][STBX]AhNCED2对于维持种子休眠发挥了积极作用[10]。
  本研究在花生X-166种子中克隆到ABA合成途径中关键基因[WTBX][STBX]AhNCED1,用系统发育树分析与柱花草的亲缘关系。通过多种生物在线工具分析该基因的跨膜区。笔者拟构建该基因的亚细胞定位载体[WTBX][STBX]AhNCED1-GFP和超表达载体pCambia2300EC-[WTBX][STBX]AhNCED1,为研究该基因的细胞定位情况和在花生种子休眠中的作用奠定基础。
  1材料与方法
  1.1植物材料、质粒及载体
  本试验所用植物材料花生X-166[11]由山东省花生研究所提供;pCambia1390-eGFP,由山东省水稻研究所谢先芝研究员馈赠;植物表达载体pCambia2300EC(添加了35S启动子及Tnos终止子的pCambia2300载体),由山东农业大学亓宝秀教授馈赠。
  1.2方法
  1.2.1[WTBX][STBX]AhNCED1基因序列的获得及PCR扩增利用花生[WTBX][STBX]NCED1 mRNA序列(GenBank登录号:AJ574819.2),根据预测基因的开放阅读框(ORF),用DNAClub设计含酶切位点SacⅠ的引物F1、R1(表1)。花生种子RNA的提取,用ReverAid First Strand cDNA Synthesis Kit(Fermentas)进行反转录,获得单链cDNA,利用PCR对该基因的开放阅读框进行扩增。其中PCR反应体系:10 μL 5×HF Buffer,2 μL 10 mmol/L dNTPs Mix,2 μL引物F1,2 μL引物R1,0.6 μL二甲基亚砜(DMSO),0.2 μL高保真酶Phusion(New England Labs),1 μL模板,32.2 μL ddH2O。PCR反应程序:98 ℃ 30 s;98 ℃ 10 s,58 ℃ 10 s,72 ℃ 1 min,30次循环;72 ℃ 10 min。用1%琼脂糖凝胶进行电泳,电泳结束后,切取含目的条带的凝胶,用琼脂糖凝胶回收试剂盒[天根生化科技(北京)有限公司]回收PCR产物。将回收产物与pEASY-Blunt simple载体(北京全式金生物技术有限公司)连接、热激法转化大肠杆菌DH5α(北京全式金生物技术有限公司),将阳性克隆送上海桑尼生物科技有限公司测序。
  1.2.2花生[WTBX][STBX]AhNCED1基因的生物信息学分析利用DNAMAN序列分析软件构建系统发育树;利用ExPASy ProtParam(http://web.expasy.org/protparam/)分析蛋白质的分子量、等电点;利用TMpred(http://www.ch.embnet.org/software/TMPRED form.html)进行跨膜分析;利用NetPhos 2.0 Server(http://www.cbs.dtu.dk/services/NetPhos/)、SWISS-MODEL(http://swissmodel.expasy.org/)分析蛋白质磷酸化位点和结构。   1.2.3用于亚细胞定位载体的改造以含绿色荧光蛋白(GFP)的质粒pCambia1390-eGFP稀释物为模板,根据序列设计引物F2、R2(表1),将得到的片段连接到克隆载体pEASY-blunt simple上,得到质粒pEASY-GFP。參照质粒小提试剂盒[天根生化科技(北京)有限公司]说明步骤,提取pEASY-GFP、pCambia2300EC质粒。通过限制性内切酶KpnⅠ、SacⅠ分别对pEASY-GFP和植物表达载体pCambia2300EC进行酶切,回收目的片段、载体片段,用连接酶Solution Ⅰ[宝生物工程(大连)有限公司]于16 ℃过夜连接,热激法转化大肠杆菌感受态DH5α,挑取单菌落进行PCR和酶切鉴定,获得带有GFP基因的载体pCambia2300EC-GFP。
  1.2.4花生[WTBX][STBX]AhNCED1基因亚细胞定位载体构建参照质粒小提试剂盒[天根生化科技(北京)有限公司]说明步骤,提取pEASY-[WTBX][STBX]AhNCED1、pCambia2300EC-GFP质粒,利用限制性内切酶SacⅠ对两者进行单酶切,对pCambia2300EC-GFP酶切时进行去磷酸化处理,回收目的片段、载体片段,使用连接酶Solution Ⅰ[宝生物工程(大连)有限公司]进行16 ℃过夜连接,用热激法转化大肠杆菌感受态DH5α,挑取单菌落进行PCR和酶切鉴定,获得带有[WTBX][STBX]AhNCED1基因的亚细胞定位载体[WTBX][STBX]AhNCED1-GFP。
  1.2.5花生[WTBX][STBX]AhNCED1基因超表达载体构建参照质粒小提试剂盒[天根生化科技(北京)有限公司]说明步骤,提取pCambia2300EC质粒。利用限制性内切酶SacⅠ对植物表达载体pCambia2300EC进行酶切,同时进行去磷酸化处理,回收载体片段,使用连接酶Solution Ⅰ[宝生物工程(大连)有限公司]将“1.2.4”节中回收的目的片段与该载体片段于16 ℃进行过夜连接,热激法转化大肠杆菌感受态DH5α,挑取单菌落进行PCR和测序鉴定,获得带有[WTBX][STBX]AhNCED1的植物表达载体pCambia2300EC-[WTBX][STBX]AhNCED1。
  2结果与分析
  2.1花生[WTBX][STBX]AhNCED1基因的克隆
  以ORF两侧设计的引物F1、R1进行PCR扩增,产物经琼脂糖凝胶电泳后得到约为1 800 bp的片段(图1),与预期结果一致。测序结果利用DNAMAN軟件分析得到长度为 1 806 bp 的ORF,编码601个氨基酸。将该基因推导的氨基酸序列与[WTBX][STBX]AhNCED1(登录号:CAE00459.2)进行比对分析,两者的同源相似性为99%,证实该序列为花生NCED基因片段,名称为[WTBX][STBX]AhNCED1。将该基因的氨基酸序列在美国国立生物技术信息中心(NCBI)网站上进行在线BLASTp分析,表明该氨基酸序列与其他植物的NCED氨基酸有较高的相似性,它与柱花草(Stylosanthes guianensis,AAY98512.2)的相似性为93%,与柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii,ACU86971.1)的相似性为78%,与鹰嘴豆(Cicer arietinum,BAM72560.1)的相似性为74%,与豌豆(Pisum sativum,BAC10550.1)的相似性为74%,与拟南芥(Arabidopsis thaliana,NP_193569.1)的相似性为63%。利用DNAMAN软件进行系统发育树分析,结果见图2。
  2.2蛋白质性质预测
  采用ExPASy ProtParam预测蛋白质性质,结果显示,AhNCED1蛋白的理论分子质量为66.8 ku,理论等电点为 8.49,分子式为C2985H4665N813O880S25,原子数为9 368个,带负电荷氨基酸(Asp Glu)数69个,带正电荷氨基酸(Arg Lys)数74个,脂溶系数为75.12,总平均亲水性(GRAVY)为-0.389。用TMpred工具预测蛋白的跨膜区和跨膜方向,结果表明,228至261位氨基酸处可能有1个由内向外的跨膜区,在225至256位氨基酸处可能有1个由外向内的跨膜区,这2种跨膜区均不明显(图3)。
  2.3蛋白质结构的预测
  利用NetPhos 2.0 Server在线工具预测磷酸化位点,结果表明有17个丝氨酸(serine,简称S)、8个苏氨酸(threonine,简称T)、5个酪氨酸(tyrosine,简称Y)参与磷酸化过程(图4)。用SWISS-MODEL预测蛋白质三级结构(图5),结果显示,AhNCEDI蛋白的Qmean 4为-4.06。
  2.4[WTBX][STBX]AhNCED1-GFP载体构建
  [CM(24]以含GFP的质粒稀释物为模板,通过PCR扩增获得约[CM)]
  [TPWYY4.tif][FK)]
  [FK(W12][TPWYY5.tif][FK)]
  760 bp的片段。将带有GFP的克隆载体pEASY-GFP与植物表达载体pCambia2300EC同时用限制性内切酶KpnⅠ、SacⅠ进行双酶切,回收目的片段和载体,并进行连接转化、菌落PCR鉴定(图6)。挑选阳性克隆进行测序,同时进行酶切验证,结果表明,pCambia2300EC-GFP载体构建成功。将带[JP3]有[WTBX][STBX]AhNCED1的克隆载体pEASY-[JP][WTBX][STBX]AhNCED1、pCambia2300EC-GFP载体同时用SacI进行单酶切,结果见图7。回收载体片段与目的片段,连接后转化大肠杆菌DH5α,挑取阳性克隆测序,序列分析表明[WTBX][STBX]AhNCED1基因已插入到pCambia2300EC-GFP载体中,表明[WTBX][STBX]AhNCED1-GFP载体构建成功。   [FK(W10][TPWYY6.tif][FK)]
  2.5花生[WTBX][STBX]AhNCED1基因超表达载体构建
  将带有[WTBX][STBX]AhNCED1的克隆载体pEASY-[WTBX][STBX]AhNCED1、植物表达载体pCambia2300EC同时利用限制性内切酶SacⅠ进行单酶切,植物表达载体pCambia2300EC酶切结果见图8,pEASY-[WTBX][STBX]AhNCED1酶切结果见图7-A。回收目的片段和载体片段,利用连接酶连接后,转化大肠杆菌DH5α,挑取阳性克隆测序。测序结果表明,[WTBX][STBX]AhNCED1片段已准确插入到植物表达载体pCambia2300EC上。
  [FK(W25][TPWYY7.tif][FK)]
  [FK(W12][TPWYY8.tif][FK)]
  3讨论与结论
  种子缺乏休眠性既可能与种子内源ABA含量低有关,也可能是种子本身对ABA的敏感性降低所致[12]。ABA生物合成基因的过量表达可以增加种子中ABA的含量,从而促进种子休眠或延迟萌发[13]。NCED是ABA合成途径中关键酶。拟南芥中有5个NCED基因,只有[WTBX][STBX]AtNCED6、AtNCED9这2个基因都发生突变的拟南芥种子才能萌发,若只有1个基因突变,种子仍然处于休眠状态[14]。乙烯利作用下花生种子休眠解除过程中,ABA合成关键基因[WTBX][STBX]AhNCED2表达量下调[10],这表明[WTBX][STBX]AhNCED2在种子休眠中起着重要作用。研究蛋白在细胞中的定位方法主要有融合报告基因定位法、免疫组织化学定位法、蛋白质组学定位技术以及共分离标记酶辅助定位法,其中融合报告基因定位法应用广泛[15]。本研究在花生中克隆到1个NCED基因,经过生物信息学分析,认为是花生[WTBX][STBX]AhNCED1基因。笔者对其序列进行了分析,并成功构建了该基因的亚细胞定位载体和超表达载体,为深入了解该基因在花生中的功能提供了可能。
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