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红麻线粒体基因atp6过表达载体的构建与转化

 
来源:煤炭转化 栏目:期刊导读 时间:2021-04-01
 
【研究意义】红麻(HibiscuscannabinusL.)是锦葵科(Malvaceae)木槿属(Hibiscus)一年生韧皮纤维作物,其茎秆和韧皮纤维已广泛应用于造纸、纺织、汽车制造及家具等领域,是我国重要的经济作物[1-2]。红麻具有耐旱、易栽培等特点,适宜种植区域广,且具有极大的生物产量和较强的二氧化碳吸收能力。因此,红麻被认为是21世纪最具潜力的经济作物[3]。红麻以收获茎秆或韧皮纤维为主要栽培目的,其杂种优势十分明显。2002年,周瑞阳教授在海南冬繁的红麻野生型UG93后代中发现一株雄性不育突变体,当即以栽培种为父本与之杂交(测交),发现部分F1代表现完全雄性不育,证实该突变株属于细胞质雄性不育(CMS)类型[4],此后于2003年选育出高抗红麻炭疽病的CMS系K03A及其相应的保持系K03B,并实现红麻三系配套[5],于2008年选育出世界上第一个由CMS系配制的红麻杂交种红优1号[6]。已有研究表明,植物CMS与线粒体基因atp6密切相关,红麻三系杂交种虽已成为国家麻类产业技术体系的主推品种,但迄今关于红麻CMS的分子机理仍未阐明。因此,构建红麻线粒体基因atp6过表达载体遗传转化体系,对红麻线粒体基因的遗传转化及功能研究具有重要意义。【前人研究进展】最早发现atp6基因对植物CMS具有调控作用的是在玉米CMS-T的rrn26基因和atp6基因部分序列共转录时,编码一个与线粒体内膜密切相关的毒性蛋白,导致玉米CMS[7-8]。随后发现油菜Pol型CMS系中atp6/orf224共转录引起油菜CMS-Pol型CMS[9-10]。同时,水稻CMS-BT的orf79基因和CMS-HL的orfH79基因与线粒体atp6基因共转录,编码一个N端与COX1相似的毒性膜蛋白,导致水稻CMS-HL型和CMS-BT型CMS[11]。此外,有研究发现芥菜atp6/orf228共转录产物编码的毒性蛋白与atp6/orf263基因编码的膜蛋白分别导致芥菜CMS-Hau型和CMS-Tour型CMS[12-13],甜菜preSatp6基因编码产生35 kD膜蛋白引起甜菜CMS-Owen型CMS[14]。李刚[15]采用iTRAQ(同重标签相对与绝对定量)标记红麻CMS系L23A和保持系L23B花药线粒体蛋白,发现ATP6在不育系中的表达量显著低于保持系,推测ATP6对红麻花药发育发挥重要作用。在同质异核不育系P3A中,atp6基因的编码区(CDS)序列与保持系P3B相比缺失30 bp,基于CDS序列差异特征对红麻现有的CMS系、保持系、F1和F2代及104份种植资源进行检测,证实不育系中30 bp的缺失与红麻细胞质雄性不育密切相关[16]。廖小芳[17]用Northern blotling对红麻质核同源的UG93A和UG93B的atp6基因进行转录本分析,发现不育系比保持系多一个大小为2.0 kb的转录本,且atp6基因在不育系中的表达量显著低于保持系,推测atp6基因可能与红麻CMS密切相关。【本研究切入点】目前,关于红麻atp6基因过表达载体遗传转化体系构建的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以红麻UG93A花药cDNA为模板,通过同源克隆技术克隆atp6基因的CDS全长序列;利用In-Fusion基因融合技术构建pBI121-atp6-EGFP植物过表达载体,通过农杆菌介导法转化野生型烟草,经抗性筛选和目的基因PCR验证转基因烟草,为红麻线粒体基因的遗传转化和功能研究打下基础。 1材料与方法 1.1试验材料 试验于2017年5月至2018年4月在广西大学农学院综合楼植物遗传育种实验室进行。红麻不育系UG93A、植物表达载体pBI121及野生型烟草种子为本课题组保存提供;根癌农杆菌EHA105感受态细胞、大肠杆菌感受态DH5α细胞和高保真酶购自北京全式金生物技术有限公司;红麻花药总RNA提取试剂盒购自北京华越洋公司,限制性内切酶KPnI、XbaI和M×Buffer购自TaKaRa公司。PCR产物回收试剂盒、质粒提取试剂盒和标准DNA-Marker购自南京诺唯赞生物科技有限公司和北京艾德莱生物科技有限公司,引物合成由深圳华大基因科技有限公司完成,菌液测序由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。 1.2试验方法 1.2.1 引物合成 通过Premier 5.0设计atp6、EGFP及pBI121载体上游引物序列,具体序列信息如表1。 1.2.2atp6基因过表达载体构建与转化 (1)过表达基因片段克隆。根据试剂盒说明提取红麻UG93A的总RNA(北京华越洋生物科技有限公司),参照全式金反转录试剂盒说明将UG93A总RNA反转录合成cDNA;以此为模板,用引物组合eF-atp6-F/eF-atp6-R扩增atp6基因CDS全长序列。 表1 本研究所用引物序列Table 1 Primers sequences used in this study引物名称Primer name引物序列(5’-3’)Primer sequence(5’-3’)eF-atp6F:GAGAACACGGGGGACTCTAGAATGAAAAGGACTATGTTTGTAAATATCATGeF-atp6R:GCCCTTGCTCACCATGGTACCATGAAGATTTATAGCATCATTTAAGTAAATACAGEGFP-R:CGATGGGGGTGTTCTGCTGGTApBI121-Z-F:GGAGAGAACACGGGGGACTCTAGA PCR反应体系50.0 μl:cDNA 2.5 μl,10×PCR Buffer 25.0 μl,Primer F(eF-atp6F) 1.5 μl,Primer R(eF-atp6R) 1.5 μl,ddH2O补足50.0 μl。扩增程序:95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s,56.5 ℃退火30 s,72 ℃延伸80 s,进行30个循环;72 ℃复性10 min,4 ℃保存;最后用1.0 %琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物,用DNA胶回收试剂盒回收目的片段,-20 ℃保存备用。 (2)目的载体构建。提取本课题组构建的pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP载体质粒,用限制性内切酶XbaI和KpnI对该载体进行双酶切。酶切体系50.0 μl:10×Buffer 5.0 μl,XbaI 2.5 μl,KpnI 2.5 μl,质粒DNA 1.0 μg,ddH2O补足50.0 μl。切下FullHcpdil5-2a基因后得到线性载体pBI121,用DNA胶回收试剂盒回收切下的线性载体pBI121。将回收到的atp6基因全长片段与上述线性载体pBI121进行同源重组反应,其反应体系为:线性载体(pBI121)4.0 μl,插入片段(atp6基因)0.7 μl,5×CE Multis Buffer 4.0 μl,Exnase Multis 2.0 μl,ddH2O 9.3 μl。用移液枪上下轻微吹打几次混匀,37 ℃反应30 min,反应结束立即置于冰浴中冷却5 min直接进行大肠杆菌转化。 (3)目的条带检测与测序。在无菌超净工作台上,随机挑取白色菌落8个,置于盛有1 mL LB液体培养基(加入终浓度0.1 mg/mL的Kan)的2 mL离心管中;37 ℃下200 r/min振荡培养12 h;按照目的基因扩增反应体系及程序进行菌液PCR检测;1.0 %琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物,有目的条带则为阳性菌落;在超净工作台上,将每个阳性克隆菌液分为2份,每份加入150.0 μl 60 %甘油,混匀,其中一份随机选取4个阳性克隆并编号,送至生工生物工程(上海)股份有限公司测序,另一部分菌液-80 ℃保存备用。利用DNAMAN 8对测序结果进行分析。选择正确的克隆进行质粒提取,并转化农杆菌EHA105感受态细胞,为农杆菌侵染烟草叶盘法作准备。 (4)过表达载体质粒双酶切验证。选定上述测序成功的一个菌样,于超净工作台上吸取200.0 μl置于盛有100 mL LB液体培养基(加入终浓度0.1 mg/mL的Kan)的200 mL锥形瓶中。37 ℃下200 r/min振荡培养12 h;根据试剂盒说明提取质粒,进行双酶切,置于PCR仪中进行37 ℃酶切反应3 h,最后用1.0 %琼脂糖凝胶电泳检测双酶切PCR产物,对过表达载体构建进行验证。 (5)过表达载体转化烟草。选取比较健壮的烟草非转基因无菌苗,摘取叶片,用无菌打孔器分成小块,转移至烟草叶片预培养基中25 ℃暗培养3 d。将制备好的农杆菌工程菌液侵染烟草叶片。将预培养后的烟草叶片转移至200 mL玻璃瓶中,用农杆菌工程菌液悬浮侵染10 min;弃菌液,将烟草叶片转移至滤纸上吸干叶片表面水分;最后,将烟草叶片转移至共培养基上(培养基上铺一层无菌滤纸),25 ℃ 暗培养3 d。将共培养后的烟草叶片取出转移至培养瓶中,用无菌水漂洗(漂洗4~5次,每次15 min),再用含有500 mg/L头孢霉素的无菌水漂洗(漂洗3次,每次10 min);倒去漂洗液,将烟草叶片置于无菌吸水纸上,沥干烟草叶片表面水分;将烟草叶片接种于芽诱导培养基上,在光照强度2000 lx、光照16 h/黑暗8 h交替的条件下26 ℃培养;每隔12 d,将烟草叶片愈伤组织继代1次,直至长出不定芽。当转基因烟草不定芽长2~3 cm时,切下不定芽,转移至生根培养基中诱导不定芽生根,待转基因幼苗的不定根长5~6 cm时,练苗移栽,进行阳性转基因烟草检测。 2结果与分析 2.1目的基因的克隆结果 从图1可看出,以红麻不育系UG93A的cDNA为模板克隆atp6基因的CDS全长,扩增产物大小为1182 bp。从图2可看出,不育系UG93A的atp6基因CDS序列与保持系UG93B相比,atp6基因的CDS中有24 bp缺失和3 bp插入,而与红麻同质异核的CMS系P3A相比,不育系UG93A在atp6基因起始密码子的下游第59 bp处缺失6个碱基(GTTTTT),推测该位点可能是红麻线粒体基因重组的活跃位点,即atp6基因与红麻CMS密切相关。 2.2过表达载体的构建结果 对保存的pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP载体进行双酶切,切下片段长度为1314 bp的FullHcpdil5-2a基因,回收长度约为14 829 bp的线性载体pBI121(图3)。将回收的线性pBI121与atp6基因连接获得重组载体pBI121-atp6-EGFP,将重组载体连接、转化、菌液PCR检测阳性克隆(图4)。将阳性菌液送至生工生物工程(上海)股份有限公司测序,提取阳性质粒进行双酶切鉴定,以过表达载体基因pBI121-atp6-EGFP载体质粒作为阳性对照,结果显示双酶切切下的目的片段与连接的目的片段(atp6基因)大小一致(图5),说明过表达载体构建正确,可用于后续的农杆菌转化。 M:DNA分子质量标准(DL 2000);1:atp6基因M:DNA marker(DL 2000);1:atp6gene图1 目的基因的PCR扩增电泳结果Fig.1 PCR amplification electrophoresis of the target gene 图2 红麻UG93A和UG93B的atp6基因序列比对Fig.2 Similarity matching ofatp6gene sequence between UG93A and UG93B in Kenaf M:DNA分子质量标准(AL 15 000);1:pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP载体基因;2:线性载体片段pBI121(13 233 bp)及Hcpdil5-2a基因(1314 bp)M:DNA marker(AL 15 000);1:Gene of pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP vector;2:The linearized pBI121 vector fragment(13 233 bp) and gene ofHcpdil5-2a(1314 bp)图3 pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP载体的双酶切鉴定结果Fig.3 Restriction enzyme digestion of pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP vector 2.3农杆菌介导的侵染叶盘法转化烟草 2.3.1 叶盘法转化烟草 将过表达载体pBI121-atp6-EGFP转化农杆菌,以保存的烟草K346为转基因受体,采用农杆菌侵染叶盘法进行转化,以未侵染农杆菌的野生型烟草为阴性对照,烟草叶盘的芽诱导和根诱导培养阶段如图6所示。其中,图6-A为芽诱导时期的野生型烟草叶盘(阴性对照),出芽较快且芽点较多;图6-B的叶盘经过pBI121-atp6-EGFP农杆菌侵染处理,放于含有抗生素的培养基中进行抗性芽筛选培养,出芽慢且芽点明显变少。说明芽诱导阶段转基因烟草抗性芽获得率较低。图6-C(阴性对照)和图6-D为烟草的根诱导培养阶段,与野生型对照(图6-C)相比,转基因植株(图6-D)生长缓慢,根生长也较慢且较少。 2.3.2 转基因烟草阳性植株的鉴定 将筛选所得 M:DNA分子质量标准(DL2000);2~14:正确连接载体基因pBI121-atp6-EGFPM:DNA marker(DL2000);2-14:Correct connecting vector genes pBI121-atp6-EGFP图4 pBI121-atp6-EGFP载体的PCR验证结果Fig.4 PCR varification of pBI121-atp6-EGFP vector 到的抗性植株(pBI121-atp6-EGFP:简称B)分别用3对不同的引物组合(ef-atp6-F/EGFP-R、ef-atp6-F/ef-atp6-R和pBI121-Z-F/ef-atp6-R)进行PCR检测,筛选阳性植株。其中,引物组合ef-atp6-F/EGFP-R是以目的基因atp6的上游序列为正向引物,以表达载体pBI121多克隆位点的EGFP为反向引物,扩增出目的片段约1681 bp;引物组合ef-atp6-F/ef-atp6-R是以atp6基因CDS序列为特异引物,扩增出目的片段约1182 bp;引物组合pBI121-Z-F/ef-atp6-R是以pBI121载体序列为正向引物,以atp6基因下游序列为反向引物,扩增出目的片段约1206 bp。从图7可看出,以野生型植株和ddH2O为阴性对照、过表达载体质粒为阳性对照,用3对不同的引物组合对经Kan抗性筛选的4株转基因植株(B1、B2、B3和B4)进行PCR扩增,共获得2株含pBI121-atp6-EGFP(B)的T0代转基因阳性植株B1和B2。 3讨 论 3.1atp6基因与植物CMS的关系 M:DNA分子质量标准(AL 15000);1:载体基因质粒pBI121-atp6-EGFP双酶切片段atp6(1182 bp);2:对照:载体质粒pBI121-atp6-EGFPM:DNA marker(AL 15000);1:Restriction fragment ofatp6(1182 bp) from vector gene plasmid pBI121-atp6-EGFP;2:Control: pBI121-atp6-EGFP vector plasmid图5 pBI121-atp6-EGFP过表达载体的双酶切鉴定结果Fig.5 Identified by restriction enzyme digestion of pBI121-atp6-EGFP overexpression vector A和B为烟草叶盘芽诱导培养,其中A为野生型烟草芽,B为转基因烟草抗性芽;C和D为烟草根诱导培养,其中C为野生型烟草根诱导生长,D为转基因烟草植株根诱导生长Induction culture of leaf disc bud of tobacco with A and B,A was wild type tobacco bud,B was transgenic resistant bud;Root induction culture of tobacco with C and D,C was root induction of wild type tobacco,D was root induction of transgenic plants图6 叶盘法转化烟草的诱导培养Fig.6 Induced culture of tobacco by leaf disc method M1:DNA分子质量标准(AL 15000);1:质粒pBI 121-atp6-EGFP(1681 bp);2:WT;3:H2O;4~7(B1-B4):烟草鉴定材料,其中4和5(B1和B2)为pBI121-atp6-EGFP转基因材料(1681 bp);M2:DNA分子质量标准(DL2000);8:质粒pBI121-atp6-EGFP(1182 bp);9:WT;10:H2O;11~14(B1-B4):烟草鉴定材料,其中11和12(B1和B2)为pBI121-atp6-EGFP转基因材料(1182 bp);15:质粒pBI121-atp6-EGFP(1206 bp);16:WT;17:H2O;18~21(B1-B4):烟草鉴定材料,其中18和19(B1和B2)为pBI121-atp6-EGFP转基因材料(1206 bp)M1:DNA marker(AL 15000);1:pBI 121-atp6-EGFP(1681 bp);2:WT;3:H2O;4-7(B1-B4):Identification of transgenic plant,4 and 5(B1 and B2):transgenic plants of pBI121-atp6-EGFP(1681 bp);M2:DNA marker(DL2000);8:pBI121-atp6-EGFP(1182 bp);9:WT;10:H2O;11-14(B1-B4):Identification of transgenic plant,11 and 12(B1 and B2):Transgenic plants of pBI121-atp6-EGFP(1182 bp);15:pBI121-atp6-EGFP(1206 bp);16:WT;17:H2O;18-21(B1-B4):Identification of transgenic plant,18 and 19(B1 and B2):Transgenic plants of pBI121-atp6-EGFP(1206 bp)图7 转基因烟草阳性植株的鉴定结果Fig.7 PCR identification of transgenic positive plants 已有研究表明植物雄性不育与线粒体DNA的变异紧密相关[18-19]。基因重组产生嵌合基因或新的阅读框,出现新的蛋白基因表达产物或引起正常线粒体基因转录、RNA编辑和蛋白翻译异常,造成线粒体能量代谢或ATP复合体蛋白亚基异常,使线粒体发生功能紊乱,从而产生CMS[20]。atp6是植物线粒体呼吸链复合体V的亚基,作为呼吸链上重要组成部分,呼吸异常导致能量供应不足,而在小孢子发育过程中需要大量能量,能量供应不足导致花粉败育[21]。在玉米[8]、油菜[9]、水稻[11]、芥菜[12]和苎麻[22]等植物中均发现atp6基因导致植物CMS。前期对红麻花粉发育过程的研究表明,atp6在红麻花粉发育过程中发挥非常关键的作用[15],暗示atp6CMS与红麻CMS密切相关。本研究发现,与红麻保持系UG93B序列比对,UG93A 的atp6基因CDS有24 bp缺失和3 bp插入,与红麻的CMS P3A相比,UG93A在atp6基因起始密码子的下游第59 bp处少6个碱基(GTTTTT),推测该位点可能是红麻线粒体基因重组的活跃位点,进一步表明atp6基因与红麻CMS密切相关。关于atp6基因与红麻CMS的更深层次关系本课题组正在探究。 3.2过表达载体的构建为红麻基因功能研究打下基础 目前,红麻CMS的分子机理研究虽取得较大进展,但关于红麻CMS核质作用的分子机制仍未清楚,对红麻CMS相关atp6基因的研究不够透彻[23]。为了进一步验证和分析红麻UG93S的CMS相关基因atp6功能,本研究以红麻不育材料UG93A的cDNA为模板利用同源克隆技术克隆atp6基因序列,通过In-Fusion融合技术研究方法成功构建pBI121-atp6-EGFP植物过表达载体,并以农杆菌介导法转化烟草,获得2株转基因阳性烟草植株;利用3对引物组合对转基因阳性植株进行鉴定,其中两对引物是利用pBI121表达载体序列与目的基因序列组合的方式进行鉴定,可有效避免单一使用目的基因鉴定转基因植株易造成的假阳性现象,且操作省时简便。构建过表达载体是研究红麻atp6基因的关键步骤[24],转基因烟草的成功获得为后续从分子蛋白表达、细胞定位及生物学形态等层面开展atp6基因与红麻CMS功能验证研究提供材料基础[25-26]。 4结 论 从红麻不育系UG93A中获得atp6基因CDS全长1182 bp,并以UG93A中atp6基因cDNA为模板成功构建pBI 121-atp6-EGFP过表达载体,转化野生型烟草后获得2株转基因阳性烟草植株。构建的红麻线粒体基因atp6过表达载体遗传转化体系,可用于指导后续atp6基因调控红麻CMS分子机理研究。 [1]史春霞,白 洋,郁崇文. 黄、红麻资源的优化与开发利用[J]. 中国麻作,2001,23(1):41-44. 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[26]魏东阳. 蛋白质组学及其应用研究[J]. 现代商贸工业,2019,40(16):79-81. 【研究意义】红麻(HibiscuscannabinusL.)是锦葵科(Malvaceae)木槿属(Hibiscus)一年生韧皮纤维作物,其茎秆和韧皮纤维已广泛应用于造纸、纺织、汽车制造及家具等领域,是我国重要的经济作物[1-2]。红麻具有耐旱、易栽培等特点,适宜种植区域广,且具有极大的生物产量和较强的二氧化碳吸收能力。因此,红麻被认为是21世纪最具潜力的经济作物[3]。红麻以收获茎秆或韧皮纤维为主要栽培目的,其杂种优势十分明显。2002年,周瑞阳教授在海南冬繁的红麻野生型UG93后代中发现一株雄性不育突变体,当即以栽培种为父本与之杂交(测交),发现部分F1代表现完全雄性不育,证实该突变株属于细胞质雄性不育(CMS)类型[4],此后于2003年选育出高抗红麻炭疽病的CMS系K03A及其相应的保持系K03B,并实现红麻三系配套[5],于2008年选育出世界上第一个由CMS系配制的红麻杂交种红优1号[6]。已有研究表明,植物CMS与线粒体基因atp6密切相关,红麻三系杂交种虽已成为国家麻类产业技术体系的主推品种,但迄今关于红麻CMS的分子机理仍未阐明。因此,构建红麻线粒体基因atp6过表达载体遗传转化体系,对红麻线粒体基因的遗传转化及功能研究具有重要意义。【前人研究进展】最早发现atp6基因对植物CMS具有调控作用的是在玉米CMS-T的rrn26基因和atp6基因部分序列共转录时,编码一个与线粒体内膜密切相关的毒性蛋白,导致玉米CMS[7-8]。随后发现油菜Pol型CMS系中atp6/orf224共转录引起油菜CMS-Pol型CMS[9-10]。同时,水稻CMS-BT的orf79基因和CMS-HL的orfH79基因与线粒体atp6基因共转录,编码一个N端与COX1相似的毒性膜蛋白,导致水稻CMS-HL型和CMS-BT型CMS[11]。此外,有研究发现芥菜atp6/orf228共转录产物编码的毒性蛋白与atp6/orf263基因编码的膜蛋白分别导致芥菜CMS-Hau型和CMS-Tour型CMS[12-13],甜菜preSatp6基因编码产生35 kD膜蛋白引起甜菜CMS-Owen型CMS[14]。李刚[15]采用iTRAQ(同重标签相对与绝对定量)标记红麻CMS系L23A和保持系L23B花药线粒体蛋白,发现ATP6在不育系中的表达量显著低于保持系,推测ATP6对红麻花药发育发挥重要作用。在同质异核不育系P3A中,atp6基因的编码区(CDS)序列与保持系P3B相比缺失30 bp,基于CDS序列差异特征对红麻现有的CMS系、保持系、F1和F2代及104份种植资源进行检测,证实不育系中30 bp的缺失与红麻细胞质雄性不育密切相关[16]。廖小芳[17]用Northern blotling对红麻质核同源的UG93A和UG93B的atp6基因进行转录本分析,发现不育系比保持系多一个大小为2.0 kb的转录本,且atp6基因在不育系中的表达量显著低于保持系,推测atp6基因可能与红麻CMS密切相关。【本研究切入点】目前,关于红麻atp6基因过表达载体遗传转化体系构建的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以红麻UG93A花药cDNA为模板,通过同源克隆技术克隆atp6基因的CDS全长序列;利用In-Fusion基因融合技术构建pBI121-atp6-EGFP植物过表达载体,通过农杆菌介导法转化野生型烟草,经抗性筛选和目的基因PCR验证转基因烟草,为红麻线粒体基因的遗传转化和功能研究打下基础。1材料与方法1.1试验材料试验于2017年5月至2018年4月在广西大学农学院综合楼植物遗传育种实验室进行。红麻不育系UG93A、植物表达载体pBI121及野生型烟草种子为本课题组保存提供;根癌农杆菌EHA105感受态细胞、大肠杆菌感受态DH5α细胞和高保真酶购自北京全式金生物技术有限公司;红麻花药总RNA提取试剂盒购自北京华越洋公司,限制性内切酶KPnI、XbaI和M×Buffer购自TaKaRa公司。PCR产物回收试剂盒、质粒提取试剂盒和标准DNA-Marker购自南京诺唯赞生物科技有限公司和北京艾德莱生物科技有限公司,引物合成由深圳华大基因科技有限公司完成,菌液测序由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。1.2试验方法1.2.1 引物合成 通过Premier 5.0设计atp6、EGFP及pBI121载体上游引物序列,具体序列信息如表1。1.2.2atp6基因过表达载体构建与转化 (1)过表达基因片段克隆。根据试剂盒说明提取红麻UG93A的总RNA(北京华越洋生物科技有限公司),参照全式金反转录试剂盒说明将UG93A总RNA反转录合成cDNA;以此为模板,用引物组合eF-atp6-F/eF-atp6-R扩增atp6基因CDS全长序列。表1 本研究所用引物序列Table 1 Primers sequences used in this study引物名称Primer name引物序列(5’-3’)Primer sequence(5’-3’)eF-atp6F:GAGAACACGGGGGACTCTAGAATGAAAAGGACTATGTTTGTAAATATCATGeF-atp6R:GCCCTTGCTCACCATGGTACCATGAAGATTTATAGCATCATTTAAGTAAATACAGEGFP-R:CGATGGGGGTGTTCTGCTGGTApBI121-Z-F:GGAGAGAACACGGGGGACTCTAGA注:下划线部分为与pBI121载体同源序列。Note:The sequences with a line are homologous sequences of PBI121 vector.PCR反应体系50.0 μl:cDNA 2.5 μl,10×PCR Buffer 25.0 μl,Primer F(eF-atp6F) 1.5 μl,Primer R(eF-atp6R) 1.5 μl,ddH2O补足50.0 μl。扩增程序:95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s,56.5 ℃退火30 s,72 ℃延伸80 s,进行30个循环;72 ℃复性10 min,4 ℃保存;最后用1.0 %琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物,用DNA胶回收试剂盒回收目的片段,-20 ℃保存备用。(2)目的载体构建。提取本课题组构建的pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP载体质粒,用限制性内切酶XbaI和KpnI对该载体进行双酶切。酶切体系50.0 μl:10×Buffer 5.0 μl,XbaI 2.5 μl,KpnI 2.5 μl,质粒DNA 1.0 μg,ddH2O补足50.0 μl。切下FullHcpdil5-2a基因后得到线性载体pBI121,用DNA胶回收试剂盒回收切下的线性载体pBI121。将回收到的atp6基因全长片段与上述线性载体pBI121进行同源重组反应,其反应体系为:线性载体(pBI121)4.0 μl,插入片段(atp6基因)0.7 μl,5×CE Multis Buffer 4.0 μl,Exnase Multis 2.0 μl,ddH2O 9.3 μl。用移液枪上下轻微吹打几次混匀,37 ℃反应30 min,反应结束立即置于冰浴中冷却5 min直接进行大肠杆菌转化。(3)目的条带检测与测序。在无菌超净工作台上,随机挑取白色菌落8个,置于盛有1 mL LB液体培养基(加入终浓度0.1 mg/mL的Kan)的2 mL离心管中;37 ℃下200 r/min振荡培养12 h;按照目的基因扩增反应体系及程序进行菌液PCR检测;1.0 %琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物,有目的条带则为阳性菌落;在超净工作台上,将每个阳性克隆菌液分为2份,每份加入150.0 μl 60 %甘油,混匀,其中一份随机选取4个阳性克隆并编号,送至生工生物工程(上海)股份有限公司测序,另一部分菌液-80 ℃保存备用。利用DNAMAN 8对测序结果进行分析。选择正确的克隆进行质粒提取,并转化农杆菌EHA105感受态细胞,为农杆菌侵染烟草叶盘法作准备。(4)过表达载体质粒双酶切验证。选定上述测序成功的一个菌样,于超净工作台上吸取200.0 μl置于盛有100 mL LB液体培养基(加入终浓度0.1 mg/mL的Kan)的200 mL锥形瓶中。37 ℃下200 r/min振荡培养12 h;根据试剂盒说明提取质粒,进行双酶切,置于PCR仪中进行37 ℃酶切反应3 h,最后用1.0 %琼脂糖凝胶电泳检测双酶切PCR产物,对过表达载体构建进行验证。(5)过表达载体转化烟草。选取比较健壮的烟草非转基因无菌苗,摘取叶片,用无菌打孔器分成小块,转移至烟草叶片预培养基中25 ℃暗培养3 d。将制备好的农杆菌工程菌液侵染烟草叶片。将预培养后的烟草叶片转移至200 mL玻璃瓶中,用农杆菌工程菌液悬浮侵染10 min;弃菌液,将烟草叶片转移至滤纸上吸干叶片表面水分;最后,将烟草叶片转移至共培养基上(培养基上铺一层无菌滤纸),25 ℃ 暗培养3 d。将共培养后的烟草叶片取出转移至培养瓶中,用无菌水漂洗(漂洗4~5次,每次15 min),再用含有500 mg/L头孢霉素的无菌水漂洗(漂洗3次,每次10 min);倒去漂洗液,将烟草叶片置于无菌吸水纸上,沥干烟草叶片表面水分;将烟草叶片接种于芽诱导培养基上,在光照强度2000 lx、光照16 h/黑暗8 h交替的条件下26 ℃培养;每隔12 d,将烟草叶片愈伤组织继代1次,直至长出不定芽。当转基因烟草不定芽长2~3 cm时,切下不定芽,转移至生根培养基中诱导不定芽生根,待转基因幼苗的不定根长5~6 cm时,练苗移栽,进行阳性转基因烟草检测。2结果与分析2.1目的基因的克隆结果从图1可看出,以红麻不育系UG93A的cDNA为模板克隆atp6基因的CDS全长,扩增产物大小为1182 bp。从图2可看出,不育系UG93A的atp6基因CDS序列与保持系UG93B相比,atp6基因的CDS中有24 bp缺失和3 bp插入,而与红麻同质异核的CMS系P3A相比,不育系UG93A在atp6基因起始密码子的下游第59 bp处缺失6个碱基(GTTTTT),推测该位点可能是红麻线粒体基因重组的活跃位点,即atp6基因与红麻CMS密切相关。2.2过表达载体的构建结果对保存的pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP载体进行双酶切,切下片段长度为1314 bp的FullHcpdil5-2a基因,回收长度约为14 829 bp的线性载体pBI121(图3)。将回收的线性pBI121与atp6基因连接获得重组载体pBI121-atp6-EGFP,将重组载体连接、转化、菌液PCR检测阳性克隆(图4)。将阳性菌液送至生工生物工程(上海)股份有限公司测序,提取阳性质粒进行双酶切鉴定,以过表达载体基因pBI121-atp6-EGFP载体质粒作为阳性对照,结果显示双酶切切下的目的片段与连接的目的片段(atp6基因)大小一致(图5),说明过表达载体构建正确,可用于后续的农杆菌转化。M:DNA分子质量标准(DL 2000);1:atp6基因M:DNA marker(DL 2000);1:atp6gene图1 目的基因的PCR扩增电泳结果Fig.1 PCR amplification electrophoresis of the target gene图2 红麻UG93A和UG93B的atp6基因序列比对Fig.2 Similarity matching ofatp6gene sequence between UG93A and UG93B in KenafM:DNA分子质量标准(AL 15 000);1:pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP载体基因;2:线性载体片段pBI121(13 233 bp)及Hcpdil5-2a基因(1314 bp)M:DNA marker(AL 15 000);1:Gene of pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP vector;2:The linearized pBI121 vector fragment(13 233 bp) and gene ofHcpdil5-2a(1314 bp)图3 pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP载体的双酶切鉴定结果Fig.3 Restriction enzyme digestion of pBI121-FullHcpdil5-2a-EGFP vector2.3农杆菌介导的侵染叶盘法转化烟草2.3.1 叶盘法转化烟草 将过表达载体pBI121-atp6-EGFP转化农杆菌,以保存的烟草K346为转基因受体,采用农杆菌侵染叶盘法进行转化,以未侵染农杆菌的野生型烟草为阴性对照,烟草叶盘的芽诱导和根诱导培养阶段如图6所示。其中,图6-A为芽诱导时期的野生型烟草叶盘(阴性对照),出芽较快且芽点较多;图6-B的叶盘经过pBI121-atp6-EGFP农杆菌侵染处理,放于含有抗生素的培养基中进行抗性芽筛选培养,出芽慢且芽点明显变少。说明芽诱导阶段转基因烟草抗性芽获得率较低。图6-C(阴性对照)和图6-D为烟草的根诱导培养阶段,与野生型对照(图6-C)相比,转基因植株(图6-D)生长缓慢,根生长也较慢且较少。2.3.2 转基因烟草阳性植株的鉴定 将筛选所得M:DNA分子质量标准(DL2000);2~14:正确连接载体基因pBI121-atp6-EGFPM:DNA marker(DL2000);2-14:Correct connecting vector genes pBI121-atp6-EGFP图4 pBI121-atp6-EGFP载体的PCR验证结果Fig.4 PCR varification of pBI121-atp6-EGFP vector到的抗性植株(pBI121-atp6-EGFP:简称B)分别用3对不同的引物组合(ef-atp6-F/EGFP-R、ef-atp6-F/ef-atp6-R和pBI121-Z-F/ef-atp6-R)进行PCR检测,筛选阳性植株。其中,引物组合ef-atp6-F/EGFP-R是以目的基因atp6的上游序列为正向引物,以表达载体pBI121多克隆位点的EGFP为反向引物,扩增出目的片段约1681 bp;引物组合ef-atp6-F/ef-atp6-R是以atp6基因CDS序列为特异引物,扩增出目的片段约1182 bp;引物组合pBI121-Z-F/ef-atp6-R是以pBI121载体序列为正向引物,以atp6基因下游序列为反向引物,扩增出目的片段约1206 bp。从图7可看出,以野生型植株和ddH2O为阴性对照、过表达载体质粒为阳性对照,用3对不同的引物组合对经Kan抗性筛选的4株转基因植株(B1、B2、B3和B4)进行PCR扩增,共获得2株含pBI121-atp6-EGFP(B)的T0代转基因阳性植株B1和B2。3讨 论3.1atp6基因与植物CMS的关系M:DNA分子质量标准(AL 15000);1:载体基因质粒pBI121-atp6-EGFP双酶切片段atp6(1182 bp);2:对照:载体质粒pBI121-atp6-EGFPM:DNA marker(AL 15000);1:Restriction fragment ofatp6(1182 bp) from vector gene plasmid pBI121-atp6-EGFP;2:Control: pBI121-atp6-EGFP vector plasmid图5 pBI121-atp6-EGFP过表达载体的双酶切鉴定结果Fig.5 Identified by restriction enzyme digestion of pBI121-atp6-EGFP overexpression vectorA和B为烟草叶盘芽诱导培养,其中A为野生型烟草芽,B为转基因烟草抗性芽;C和D为烟草根诱导培养,其中C为野生型烟草根诱导生长,D为转基因烟草植株根诱导生长Induction culture of leaf disc bud of tobacco with A and B,A was wild type tobacco bud,B was transgenic resistant bud;Root induction culture of tobacco with C and D,C was root induction of wild type tobacco,D was root induction of transgenic plants图6 叶盘法转化烟草的诱导培养Fig.6 Induced culture of tobacco by leaf disc methodM1:DNA分子质量标准(AL 15000);1:质粒pBI 121-atp6-EGFP(1681 bp);2:WT;3:H2O;4~7(B1-B4):烟草鉴定材料,其中4和5(B1和B2)为pBI121-atp6-EGFP转基因材料(1681 bp);M2:DNA分子质量标准(DL2000);8:质粒pBI121-atp6-EGFP(1182 bp);9:WT;10:H2O;11~14(B1-B4):烟草鉴定材料,其中11和12(B1和B2)为pBI121-atp6-EGFP转基因材料(1182 bp);15:质粒pBI121-atp6-EGFP(1206 bp);16:WT;17:H2O;18~21(B1-B4):烟草鉴定材料,其中18和19(B1和B2)为pBI121-atp6-EGFP转基因材料(1206 bp)M1:DNA marker(AL 15000);1:pBI 121-atp6-EGFP(1681 bp);2:WT;3:H2O;4-7(B1-B4):Identification of transgenic plant,4 and 5(B1 and B2):transgenic plants of pBI121-atp6-EGFP(1681 bp);M2:DNA marker(DL2000);8:pBI121-atp6-EGFP(1182 bp);9:WT;10:H2O;11-14(B1-B4):Identification of transgenic plant,11 and 12(B1 and B2):Transgenic plants of pBI121-atp6-EGFP(1182 bp);15:pBI121-atp6-EGFP(1206 bp);16:WT;17:H2O;18-21(B1-B4):Identification of transgenic plant,18 and 19(B1 and B2):Transgenic plants of pBI121-atp6-EGFP(1206 bp)图7 转基因烟草阳性植株的鉴定结果Fig.7 PCR identification of transgenic positive plants已有研究表明植物雄性不育与线粒体DNA的变异紧密相关[18-19]。基因重组产生嵌合基因或新的阅读框,出现新的蛋白基因表达产物或引起正常线粒体基因转录、RNA编辑和蛋白翻译异常,造成线粒体能量代谢或ATP复合体蛋白亚基异常,使线粒体发生功能紊乱,从而产生CMS[20]。atp6是植物线粒体呼吸链复合体V的亚基,作为呼吸链上重要组成部分,呼吸异常导致能量供应不足,而在小孢子发育过程中需要大量能量,能量供应不足导致花粉败育[21]。在玉米[8]、油菜[9]、水稻[11]、芥菜[12]和苎麻[22]等植物中均发现atp6基因导致植物CMS。前期对红麻花粉发育过程的研究表明,atp6在红麻花粉发育过程中发挥非常关键的作用[15],暗示atp6CMS与红麻CMS密切相关。本研究发现,与红麻保持系UG93B序列比对,UG93A 的atp6基因CDS有24 bp缺失和3 bp插入,与红麻的CMS P3A相比,UG93A在atp6基因起始密码子的下游第59 bp处少6个碱基(GTTTTT),推测该位点可能是红麻线粒体基因重组的活跃位点,进一步表明atp6基因与红麻CMS密切相关。关于atp6基因与红麻CMS的更深层次关系本课题组正在探究。3.2过表达载体的构建为红麻基因功能研究打下基础目前,红麻CMS的分子机理研究虽取得较大进展,但关于红麻CMS核质作用的分子机制仍未清楚,对红麻CMS相关atp6基因的研究不够透彻[23]。为了进一步验证和分析红麻UG93S的CMS相关基因atp6功能,本研究以红麻不育材料UG93A的cDNA为模板利用同源克隆技术克隆atp6基因序列,通过In-Fusion融合技术研究方法成功构建pBI121-atp6-EGFP植物过表达载体,并以农杆菌介导法转化烟草,获得2株转基因阳性烟草植株;利用3对引物组合对转基因阳性植株进行鉴定,其中两对引物是利用pBI121表达载体序列与目的基因序列组合的方式进行鉴定,可有效避免单一使用目的基因鉴定转基因植株易造成的假阳性现象,且操作省时简便。构建过表达载体是研究红麻atp6基因的关键步骤[24],转基因烟草的成功获得为后续从分子蛋白表达、细胞定位及生物学形态等层面开展atp6基因与红麻CMS功能验证研究提供材料基础[25-26]。4结 论从红麻不育系UG93A中获得atp6基因CDS全长1182 bp,并以UG93A中atp6基因cDNA为模板成功构建pBI 121-atp6-EGFP过表达载体,转化野生型烟草后获得2株转基因阳性烟草植株。构建的红麻线粒体基因atp6过表达载体遗传转化体系,可用于指导后续atp6基因调控红麻CMS分子机理研究。参考文献:[1]史春霞,白 洋,郁崇文. 黄、红麻资源的优化与开发利用[J]. 中国麻作,2001,23(1):41-44.[2]陶爱芬,张晓琛,祁建民. 红麻综合利用研究进展与产业化前景[J]. 中国麻业科学,2007,29(1):1-5.[3]李德芳. 红/黄麻新用途综合开发与国际合作[J]. 中国麻业科学,2007,29(S2):411-414.[4]周瑞阳. 红麻雄性不育株的发现[J]. 中国农业科学,2002,35(2):213-213.[5]周瑞阳,张 新,张加强,等. 红麻细胞质雄性不育系的选育及杂种优势利用取得突破[J]. 中国农业科学,2008(1):314.[6]刘恒蔚,周瑞阳,徐 俐. 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