華兆暉 范世航 李俊
摘要:以甘藍(lán)型油菜冬性品種中雙11的基因組為模板,克隆了BnaC05g31880D基因起始密碼子上游-1 525 bp的啟動(dòng)子序列。順式調(diào)控元件的預(yù)測(cè)分析表明,該啟動(dòng)子含有真核生物啟動(dòng)子必需的核心調(diào)控元件TATA box和CAAT box,同時(shí)還存在較多的其他功能元件,如光信號(hào)響應(yīng)調(diào)控元件ATCT-motif、Box 4、ACE、I-box、LAMP-element、TCT-motif,厭氧感應(yīng)必需的順式作用元件ARE,茉莉酸甲酯響應(yīng)順式作用元件CGTCA-motif和TGACG-motif,玉米醇溶蛋白代謝調(diào)控元件O2-site,赤霉素響應(yīng)元件P-box等。為了驗(yàn)證該啟動(dòng)子的表達(dá)模式,構(gòu)建了由其驅(qū)動(dòng)GUS報(bào)告基因的植物融合表達(dá)載體DX2181G-pBnaC05g31880D,并采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的花序浸染法轉(zhuǎn)化野生型擬南芥(Col-0)。對(duì)篩選和鑒定的陽(yáng)性轉(zhuǎn)基因株系進(jìn)行GUS組織化學(xué)法染色,結(jié)果表明,GUS活性在擬南芥的各個(gè)組織中均有較強(qiáng)表達(dá)水平,這表明pBnaC05g31880D具有驅(qū)動(dòng)GUS報(bào)告基因在擬南芥各個(gè)組織中組成型表達(dá)的特性。這為該啟動(dòng)子在油菜轉(zhuǎn)基因提高作物品質(zhì)和人工創(chuàng)建種質(zhì)資源等方面的應(yīng)用提供了較好的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:甘藍(lán)型油菜;啟動(dòng)子;GUS染色;組成型;克隆;功能
中圖分類號(hào): Q943.2;S634.301
文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2020)02-0065-08
收稿日期:2019-01-09
作者簡(jiǎn)介:華兆暉(1999—),男,湖北武漢人,研究方向?yàn)樯锛夹g(shù)。E-mail:hzh302758578@163.com。
通信作者:李 俊,博士,助理研究員,研究方向?yàn)楣δ芑蚪M學(xué)。E-mail:lijun@oilcrops.cn。
啟動(dòng)子在基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)調(diào)控中起關(guān)鍵性作用,是核酸序列分子上被RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子等識(shí)別并結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的區(qū)域。組成型表達(dá)啟動(dòng)子、組織/器官特異性表達(dá)啟動(dòng)子和誘導(dǎo)型表達(dá)啟動(dòng)子為啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄的3種模式[1]。目前在植物基因工程領(lǐng)域,研究和使用最為深入廣泛的是組成型啟動(dòng)子,組成型啟動(dòng)子的優(yōu)勢(shì)是能夠驅(qū)動(dòng)目的基因在受體植株中的不同生長(zhǎng)時(shí)期和不同組織器官中穩(wěn)定表達(dá)。其中,在雙子葉植物中,花椰菜花葉病毒的CaMV35S啟動(dòng)子、細(xì)菌胭脂氨酸合成酶nos啟動(dòng)子、水稻肌動(dòng)蛋白Act啟動(dòng)子、是科研工作普遍使用的啟動(dòng)子工具[2-4]。在轉(zhuǎn)基因研究工作中,異源表達(dá)目的基因使用同源或近源的啟動(dòng)子更有利于受體細(xì)胞調(diào)控因子的識(shí)別,減少甲基化,促進(jìn)外源基因的整合,提高轉(zhuǎn)化表達(dá)效率[5-7],而來(lái)源于病毒的CaMV35S啟動(dòng)子可能具有生物安全的不確定性。李杰等在轉(zhuǎn)基因鹽藻的研究中發(fā)現(xiàn),內(nèi)源型啟動(dòng)子比外源啟動(dòng)子更有優(yōu)勢(shì)[8]。
油菜是十字花科蕓薹屬的重要一員,是四大油料作物之一,位居全球五大經(jīng)濟(jì)作物,是食用植物油的重要來(lái)源。自1985年首例轉(zhuǎn)基因油菜問(wèn)世以來(lái)[9],油菜基因工程已經(jīng)發(fā)展較為迅猛,利用分子育種手段改良油菜品種品質(zhì),較傳統(tǒng)育種更加明確、快速。但至今沒有得到穩(wěn)定高效表達(dá)目的基因的油菜內(nèi)源組成型啟動(dòng)子,使油菜基因工程相對(duì)受限,而采用外源病毒啟動(dòng)子35S等,更加加重了普通消費(fèi)者對(duì)轉(zhuǎn)基因安全的疑慮。因此,在雙子葉植物油菜中研究?jī)?nèi)源組成型啟動(dòng)子,對(duì)于雙子葉植物的遺傳改良分子育種等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本研究通過(guò)試驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)子pBnaC05g31880D呈現(xiàn)出很強(qiáng)的組成型表達(dá)特性,在pBnaC05g31880D轉(zhuǎn)基因擬南芥中,其所驅(qū)動(dòng)的報(bào)告基因GUS(β-glucuronidase,β-D-葡萄糖苷酸酶)[10]在轉(zhuǎn)基因擬南芥的根、莖、葉、花、角果、胚珠中都表現(xiàn)出很強(qiáng)的表達(dá)水平,這些數(shù)據(jù)充分表明pBnaC05g31880D是一個(gè)很強(qiáng)的組成型表達(dá)啟動(dòng)子,在植物轉(zhuǎn)基因育種中具有良好的應(yīng)用前景,也為油菜近源物種的轉(zhuǎn)基因研究提供了良好的啟動(dòng)子材料。
1 材料與方法
1.1 材料和試劑
目的序列的模版來(lái)源為甘藍(lán)型油菜品種中雙11 DNA,為筆者所在實(shí)驗(yàn)室提取保存。植物雙元表達(dá)載體DX2181G、大腸桿菌感受態(tài)DH5α、野生型擬南芥Arabidopsis thaliana(Columbia)、農(nóng)桿菌感受態(tài)菌株GV3101均為筆者所在實(shí)驗(yàn)室制備保存。紫外分光光度計(jì)(NP80)、熒光實(shí)時(shí)定量PCR儀(ABI sds7500fast)為筆者所在實(shí)驗(yàn)室儀器。一步快速重組試劑盒ClonExpress Entry One Step Cloning Kit購(gòu)自南京諾唯贊生物科技有限公司,引物合成及單菌落測(cè)序?yàn)樯ど锕こ蹋ㄉ虾#┕煞萦邢薰就瓿?,RNA提取試劑盒、cDNA逆轉(zhuǎn)錄試劑盒、DNA凝膠回收試劑盒購(gòu)自Axygen,DNA Marker等購(gòu)自大連寶生物公司,快速內(nèi)切酶購(gòu)自Thermo Fisher Scientific。溫室培養(yǎng)條件為22 ℃/24 ℃、8 h/16 h。
1.2 目的片段的序列分析
筆者所在實(shí)驗(yàn)室前期的全基因組測(cè)序結(jié)果顯示,BnaC05g31880D基因(Sequence ID:GCF_000686985.2)的轉(zhuǎn)錄區(qū)上游有1 525 bp的基因間隔序列,初步預(yù)測(cè)該區(qū)域?yàn)榛駼naC05g31880D的啟動(dòng)子序列[11],命名為pBnaC05g31880D。啟動(dòng)子的功能行使依靠的是各種元件,元件的類型、多少?zèng)Q定了其啟動(dòng)下游目的基因的表達(dá)強(qiáng)度、效率和時(shí)空性[12]。在線分析軟件PlantCARE(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)是預(yù)測(cè)啟動(dòng)子序列功能元件的有效工具,可以對(duì)后續(xù)研究起重要指導(dǎo)意義[13]。
1.3 目的片段的克隆
以全基因組測(cè)序結(jié)果為參考,在啟動(dòng)子pBnaC05g31880D序列的N端和C端,利用在線引物設(shè)計(jì)軟件(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/primer-blast/)[14]進(jìn)行序列特異引物設(shè)計(jì)(表1)。之后分別在上下游引物的5′端加上對(duì)應(yīng)酶切載體的酶切位點(diǎn)及酶切位點(diǎn)的側(cè)翼序列15 bp,作為融合重組引物,用于后續(xù)的一步重組的載體構(gòu)建工作。
啟動(dòng)子序列目的片段的克隆按50 μL PCR體系配制:2×Mix 25 μL,P_BnaC05g31880D (Hind Ⅲ)-F 1.5 μL,P_BnaC05g31880D (BamH Ⅰ)-R 1.5 μL,Darmor DNA 2 μL,ddH2O 20 μL。PCR的運(yùn)行程序:94 ℃ 3 min;94 ℃ 30 s,58 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min,36個(gè)循環(huán);72 ℃ 8 min;4 ℃保存。PCR結(jié)束后,經(jīng)0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)條帶是否單一,大小是否正確,并切膠回收目的條帶,回收產(chǎn)物用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)其質(zhì)量。
1.4 植物表達(dá)載體構(gòu)建
植物雙元表達(dá)載體DX2181G的原核抗性為卡那霉素,真核抗性為潮霉素,多克隆酶切位點(diǎn)的下游含有GUS標(biāo)記基因,是研究啟動(dòng)子功能的良好骨架載體[15]。提取的高質(zhì)量質(zhì)粒按照酶切體系(vector:40 μL;10×buffer:5 μL;Hind Ⅲ:2.5 μL;BamH Ⅰ:2.5 μL),37 ℃反應(yīng)30 min,按照試劑盒說(shuō)明書純化回收酶切好的質(zhì)粒并檢測(cè)回收質(zhì)量。按照一步快速重組試劑盒(ClonExpress Entry One Step Cloning Kit)說(shuō)明書進(jìn)行載體構(gòu)建(5×CE Ⅱ Buffer 2 μL,酶切后的載體質(zhì)粒1 μL-100 ng,PCR產(chǎn)物1 μL-50 ng,Exnase Ⅱ 2 μL,ddH2O 4 μL),37 ℃ 恒溫反應(yīng)30 min后至于冰水混合物上靜置 5 min,之后用移液器加入到預(yù)先拿出在冰上融化的大腸桿菌感受態(tài)DH5α。37 ℃恒溫?fù)u床復(fù)蘇45 min后,轉(zhuǎn)入LB固體培養(yǎng)基(含50 mg/L卡那霉素)倒置過(guò)夜培養(yǎng)篩選。用測(cè)序引物(DX2181-F+DX2181-R)PCR鑒定單菌落并對(duì)正確的進(jìn)行測(cè)序,提取質(zhì)粒轉(zhuǎn)化農(nóng)桿菌感受態(tài)GV3101,陽(yáng)性單菌落用50%甘油1 ∶1保存于-80 ℃冰箱。
1.5 擬南芥的遺傳轉(zhuǎn)化及分子鑒定
具有形態(tài)小、生長(zhǎng)周期短、閉花授粉等特性的擬南芥,作為模式作物來(lái)進(jìn)行基因工程研究,具備諸多優(yōu)勢(shì)。采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的浸花法轉(zhuǎn)化擬南芥,在初花期,浸染花絮1 min,1周后進(jìn)行二次重復(fù)浸染。收獲的種子(T1)用含25 mg/L潮霉素的1/2 MS固體培養(yǎng)基篩選,點(diǎn)播于培養(yǎng)基后,在黑暗條件下培養(yǎng)3 d,再在光照下培養(yǎng)5 d,下胚軸長(zhǎng)、葉色發(fā)綠的移栽于培養(yǎng)土中繼續(xù)生長(zhǎng)。抽薹前對(duì)每一單株編號(hào)并提取其葉片DNA,經(jīng)PCR鑒定[DX2181-F/P_ BnaC05g31880D(BamH I)-R]后根據(jù)條帶大小確定陽(yáng)性單株并收獲成熟后的種子(T2)。依次繼代播種,篩選得到不發(fā)生抗潮霉素分離的純合轉(zhuǎn)基因株系,利用純合株系作為后續(xù)研究的對(duì)象。
1.6 轉(zhuǎn)基因株系的GUS組織化學(xué)染色分析
剪取純合株系擬南芥不同時(shí)期不同組織樣品進(jìn)行GUS染色,具體染色組織和器官如下:成熟種子,成熟種子的胚胎,成熟種子的種皮,15 d幼苗,25 d幼苗、根、莖、葉、花、角果、幼嫩胚珠、幼嫩胚胎、幼嫩種皮。取樣后置于2.0 mL離心管或大小合適的容器中,加入適量GUS染色液(50 mmol/L鐵氰化鉀;50 mmol/L亞鐵氰化鉀;50 mmol/L PBS,pH值為7.0;10 mmol/L EDTA、0.001% Triton X-100以及20%甲醇;0.5 mol/L X-Gluc),以全部沒過(guò)染色組織為基本量。于37 ℃恒溫孵育反應(yīng)12 h或過(guò)夜,之后用75%乙醇脫色12 h,期間更換脫色液2次。脫色完成后,利用體視鏡(Olympus SZX7)進(jìn)行觀察拍照。組織或器官著色為藍(lán)色的即GUS基因表達(dá)的部位,也就是啟動(dòng)子發(fā)揮功能啟動(dòng)下游基因的部位,染色越深表示啟動(dòng)子在該部位越強(qiáng),啟動(dòng)了下游GUS基因,通過(guò)檢測(cè)不同時(shí)空下GUS基因的表達(dá)部位和表達(dá)強(qiáng)度來(lái)探索pBnaC05g31880D啟動(dòng)下游基因的時(shí)空表達(dá)模式。
1.7 油菜內(nèi)源基因BnaC05g31880D表達(dá)量及轉(zhuǎn)基因擬南芥GUS表達(dá)量檢測(cè)來(lái)源于油菜的內(nèi)源基因BnaC05g31880D在油菜自身的表達(dá)量一定程度上代表了其上游啟動(dòng)子的作用模式。啟動(dòng)子pBnaC05g31880D來(lái)源于油菜基因組,其下游的內(nèi)源基因?yàn)锽naC05g31880D,研究BnaC05g31880D在油菜不同組織中的表達(dá)量可以為研究啟動(dòng)子pBnaC05g31880D的時(shí)空特性提供參考。設(shè)計(jì)BnaC05g31880D的半定量PCR引物(q_BnaC05g31880D-F、q_BnaC05g31880D-R),內(nèi)參基因?yàn)锳t_β-actin(q_Bn_β_actin-F、q_Bn_β_actin-R),PCR程序設(shè)置為20個(gè)循環(huán),在油菜的不同組織,即萌發(fā)7 d幼苗、根-三葉期、葉片-三葉期、莖-花期、腋芽-花期、葉片-花期、花蕾-花期、角果-10DAF(花后10 d)、角果皮-25DAF(花后25 d)、胚胎-25DAF、胚乳-25DAF、胚胎-35DAF(花后35 d),檢測(cè)其相對(duì)表達(dá)量。
取樣純合株系轉(zhuǎn)基因擬南芥的不同組織部位(根、莖、葉、花、角果、胚珠),提取RNA,反轉(zhuǎn)錄為cDNA后作為模版,以野生型擬南芥WT為對(duì)照,內(nèi)參基因?yàn)锽n_β-actin(q_Bn_β_actin-F、q_Bn_β_actin-R),進(jìn)行實(shí)時(shí)定量PCR檢測(cè),運(yùn)行結(jié)束后獲得的原始數(shù)據(jù)采用2-ΔΔCt法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,反映目的基因GUS的相對(duì)表達(dá)水平[16]。
2 結(jié)果與分析
2.1 BnaC05g31880D基因的啟動(dòng)子序列分析
PlantCARE對(duì)在線pBnaC05g31880D序列的啟動(dòng)子功能元件分析結(jié)果(圖1,表2)顯示,該序列所包含的功能元件數(shù)量龐大,種類較多,有啟動(dòng)子核心元件TATA-box 37個(gè),啟動(dòng)子和增強(qiáng)子共同的核心元件CAAT-box 28個(gè),光信號(hào)響應(yīng)相關(guān)元件ATCT-motif、Box 4、ACE、I-box、LAMP-element和TCT-motif共計(jì)10個(gè),厭氧調(diào)控元件ARE 2個(gè),茉莉酸響應(yīng)調(diào)控元件motif 2個(gè),玉米醇溶蛋白代謝調(diào)控元件O2-site 1個(gè),赤霉素響應(yīng)元件P-box 1個(gè),以及其他功能未知的功能元件25個(gè)。
2.2 目的片段的克隆
pBnaC05g31880D序列的大小為1 525 bp,PCR產(chǎn)物的電泳檢測(cè)結(jié)果見圖2,對(duì)比核酸marker發(fā)現(xiàn),擴(kuò)增產(chǎn)物條帶單一,且大小相符,為目的產(chǎn)物。切膠回收后檢測(cè)濃度為56 ng/μL。
2.3 載體DX2181G-pBnaC05g31880D的構(gòu)建
經(jīng)Hind Ⅲ和BamH Ⅰ雙酶切后,0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)結(jié)果(圖3)顯示酶切完全,把目的條帶切膠純化回收并檢測(cè)回收質(zhì)量為110 ng/μL?;厥盏木€性化載體和PCR產(chǎn)物按照一步重組法融合構(gòu)建重組載體(圖4),轉(zhuǎn)化后經(jīng)單菌落鑒定為陽(yáng)性的送測(cè)序公司測(cè)序,排除突變和方向錯(cuò)誤,獲得與參考序列完全一致的單菌落,提質(zhì)粒并保存菌液,命名為DX2181G-pBnaC05g31880D。
2.4 pBnaC05g31880D啟動(dòng)子的功能分析
從61個(gè)T1代擬南芥單株樣品中鑒定得到49個(gè)陽(yáng)性的株系(部分PCR鑒定結(jié)果見圖5),陽(yáng)性率為80.33%。經(jīng)3代篩選得到純合轉(zhuǎn)基因株系,經(jīng)不同組織器官的GUS染色(圖6),在轉(zhuǎn)基因擬南芥的成熟種子萌發(fā)1、3 d幼苗以及35 d幼苗、莖、花、角果、幼嫩胚珠、幼嫩胚胎等不同組織和器官中都有很強(qiáng)的著色結(jié)果,這表明GUS基因在啟動(dòng)子pBnaC05g31880D的作用下,在不同組織器官中都發(fā)生了轉(zhuǎn)錄表達(dá),且表達(dá)強(qiáng)度很高。
2.5 油菜內(nèi)源基因BnaC05g31880D表達(dá)量分析及轉(zhuǎn)基因擬南芥GUS表達(dá)量分析BnaC05g31880D在油菜萌發(fā)7 d幼苗、根-三葉期、葉片-三葉期、莖-花期、腋芽-花期、葉片- 花期、花蕾-花期、角果-10DAF、角果皮-25DAF、胚胎-25DAF、胚乳-25DAF、胚胎-35DAF中的半定量結(jié)果(圖7)顯示,該基因在油菜各個(gè)組織中的表達(dá)穩(wěn)定高效,表明該基因的上游啟動(dòng)子對(duì)于目的基因起泛表達(dá)的作用。在轉(zhuǎn)基因pBnaC05g31880D的擬南芥中,實(shí)時(shí)定量PCR結(jié)果(圖8)顯示,GUS基因在根、莖、葉、花、角果、胚珠各個(gè)組織中的表達(dá)量都較高,表現(xiàn)為組織間的泛表達(dá)特性,即組成型表達(dá)。
3 討論與結(jié)論
啟動(dòng)子序列的功能元件預(yù)測(cè)結(jié)果表明,pBnaC05g31880D的1 525 bp的序列中包含了37個(gè)啟動(dòng)子核心元件TATA-box,28個(gè)啟動(dòng)子和增強(qiáng)子共同的核心元件CAAT-box,共計(jì)10個(gè)光信號(hào)響應(yīng)相關(guān)元件 ATCT-motif、Box 4、ACE、I-box、LAMP-element 和TCT-motif,2個(gè)厭氧調(diào)控元件ARE,2個(gè)茉莉酸響應(yīng)調(diào)控元件motif,1個(gè)玉米醇溶蛋白代謝調(diào)控元件O2-site,1個(gè)赤霉素響應(yīng)元件 P-box,以及25個(gè)其他功能未知的功能元件,共計(jì)106個(gè),平均14個(gè)堿基就有1個(gè)功能元件,數(shù)量多,且較為密集。特別是其中72個(gè)(68%)功能元件位于-1~-760 bp的區(qū)域內(nèi),這預(yù)示著該啟動(dòng)子的功能區(qū)在-1~-800 bp 內(nèi),這樣其序列就縮短了近一半,更加適合應(yīng)用推廣。
油菜在我國(guó)的食用植物油中占有很重要的地位,依靠傳統(tǒng)的育種模式提高油菜品質(zhì)已經(jīng)在過(guò)去的幾十年內(nèi)到達(dá)了一個(gè)瓶頸期。而依托于基因工程的分子育種,針對(duì)性更強(qiáng),周期更短,通過(guò)基因工程來(lái)定向改良作物,是當(dāng)今品質(zhì)改良的重要課題。那么篩選得到油菜內(nèi)源的組成型表達(dá)的啟動(dòng)子就很迫切,也很必要,利用油菜內(nèi)源的組成型表達(dá)啟動(dòng)子表達(dá)目的基因,定向改良作物品質(zhì),也為雙子葉植物的其他近源物種提供了參考。
本研究成功篩選得到1個(gè)來(lái)源于油菜的啟動(dòng)子,其驅(qū)動(dòng)下游GUS基因轉(zhuǎn)化擬南芥的GUS染色結(jié)果顯示,GUS在轉(zhuǎn)基因擬南芥的不同時(shí)空不同組織中均有較強(qiáng)的表達(dá)效果。這一啟動(dòng)下游基因組成型表達(dá)的啟動(dòng)子,對(duì)分子育種改良作物品質(zhì)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
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