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莲瓣兰大雪素SEP1基因克隆和表达的研究



全 文 :收稿日期:2015-11-20
基金项目:本项目得到国家自然科学基金(编号:NSFC 31060166and NSFC 31460053)和云南省中青年学术技术带头人后备人才(编号:2012HB
018)资助。
作者简介:张雪梅(1973—),女(彝族),云南省蒙自市人;博士,讲师,主要从事遗传学研究。
通讯作者:赵银河(1967—),女,副教授,遗传学博士,主要从事发育生物学;E-mail:yhzha0808@163.com。
莲瓣兰大雪素SEP1基因克隆和表达的研究
张雪梅, 赵 婧, 赵银河
(云南农业大学作物种质创新与可持续利用重点实验室和工程中心, 昆明650201)
摘 要:随着植物中越来越多的MADS-box基因被克隆出来,人们对经典的 ABC模型进行了改进和完善,提出花发育
的ABCDE模型,其中SEP1、SEP2、SEP3、SEP4为E类基因,SEP1同源基因在花器官的形成过程中起至关重要的
作用。本研究以莲瓣兰大雪素作为实验材料,用 RACE方法快速地克隆全长cDNA,生物信息学分析全长cDNA为
1047bp,具有完整的开放阅读框 (ORF)753bp,编码250氨基酸的蛋白质,获得一个SEP1同源基因。通过基因表达在
各个授粉前和授粉后3d的合蕊柱中。本研究为进一步对这个基因的功能研究奠定基础。
关键词: 莲瓣兰大雪素;SEP1基因;克隆;表达
DOI编码: 10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.04.009
中图分类号: S 682.31   文献标志码: A   文章编号: 1001-4705(2016)04-0009-04
The Study of Expression and Clone of the SEP1Gene
fromCymbidium tortisepalum
ZHANG Xuemei,ZHAO Jing,ZHAO Yinhe
(Key Laboratory of Crop Germplasm Innovation and Sustainable Utilization and
Engineering Center,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China)
Abstract:With more and more plant MADS-box genes have been cloned,the classic ABC model has
been improved,and ABCDE model of flower development was formed.There were four SEPgenes
belong to the E class,which SEP1、SEP2、SEP3、SEP4,SEP1play a vital role in the formation of
floral organs.In this study,using rapid amplification of cDNA ends(RACE),we isolated and cloned
the SEP1gene from Cymbidium tortisepalum,then identified gene expression in floral organs and
bracts.It was the basic for further study of this gene function.Using rapid amplification of cDNA ends
(RACE)and cloned.Bio-information analysis showed that ful length was 1 047bp,with the open read-
ing frame(ORF)of this gene was 753bp,encoding 250amino acids and obtaining the SEP1gene
fromCymbidium tortisepalum.This gene expression was detected in unpolinated gynostemium and
polinated gynostemia at 3day with RT-PCR.It is the basic for further study of this gene function.
Key words: Cymbidium tortisepalum;SEP1gene;clone;expression
  全球开花植物已知有250 000多种,在陆地生态
系统中占有明显的优势。花器官是植物生殖过程中的
重要的器官,已经成为进化论者和生态学家的研究焦
点。对授粉方式的适应,花器官发生了巨大变化,有利
于对被子植物花器官进化的进一步了解。
  开花是高等植物从营养生长转向生殖生长的一个
重要过程,即受外界环境因素的影响,又受内在基因
的调控。研究发现MADS-box 基因在花发育过程中
起着重要作用[1]。随着花器官发育研究的深入,有关
花器官发育的相关基因研究已取得了突破性的进展,
这主要体现在通过对双子叶植物拟南芥和金鱼草的花
同源异型突变体的研究发现上。这些双子叶植物的花
由同心圆的四轮结构组成,从外向内依次为:第1轮萼
片,第2轮花瓣,第3轮雄蕊,第4轮心皮[2]。花器官
的同源异形突变体有一个共同的特征,即相邻两轮器
官的发育同时受到影响。按照变异器官分布的空间顺
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研究报告  张雪梅 等:莲瓣兰大雪素SEP1基因克隆和表达的研究
序,这些突变体分为三类:第一类突变体的萼片转化为
心皮,花瓣转化为雄蕊,导致花的组成由外至内依次为
心皮-雄蕊-雄蕊-心皮;第二类突变体将花瓣转化为萼
片,雄蕊转化为心皮,花组成为萼片-萼片-心皮-心皮;
第三类突变体雄蕊转化为花瓣,心皮转化为类似萼片
的结构,花组成为萼片-花瓣-花瓣-萼片[3-4]。通过
ABC功能基因的转化,无法使叶片转变成花器官,因
此,植物从营养器官到花器官转变的过程还需要其他
花发育相关基因的参与[2-3]。在寻找与 ABC类基因
相互作用的蛋白时发现了这类SEPALLATA(SEP)
基因。目前ABCE模型能成功地解释花器官发育,即
A+E控制萼片的发育,A+B+E控制花瓣的发生,
B+C+E控制雄蕊的发育,C+E决定心皮的发育[5]。
另外,胚胎的发育由D和E类基因共同控制。在拟南
芥中,E类基因有4个,SEPALLATA1(SEP1),
SEP 2,SEP 3,SEP 4[3],它们在功能上是冗余的,在四
轮花器官中都表达,单独突变sep4没有明显的表型变
化,如果sep1、sep2、sep3、sep4四类基因都突变,那
么,所有花器官变成叶状的结构,表明拟南芥的
SEP1、SEP2、SEP3、SEP4基因都与花发育相关。
因此,拟南芥花器官的发育是受SEP 类基因与A、B、
C类基因的共同调控。SEP 类转录因子不仅能够与
B、C类蛋白共同作用,调控第三和第四轮花器官的发
育,还能够与D类基因编码蛋白相互作用,调控胚珠
的发育[3-4]。研究发现,sep1、sep2、sep3三重突变体
具有和stk、shp1、shp2三突变体类似的胚珠结构,
此外,STK 和SHP等 C类基因编码蛋白都可能和
SEP-3-蛋白形成聚合体,这表明SEP 与D类基因共
同决定胚珠的发育[3,5]。除了在拟南芥中的作用外,
在其它植物中也发现SEP 类基因在花发育的功能。
莲瓣兰(Cymbidium tortisepalum)是中国春兰的
一个新品系,大雪素为滇兰四大名品之首,宽叶莲瓣
素白花素心品种,并且于春节期间开花[6],俗称大素
心,已有数百年的栽培历史,原产于滇西的部分地
区[6]。本研究以莲瓣兰大雪素为实验材料,用RACE
方法快速地克隆全长cDNA,从花的器官材料中分离
开花相关SEP1基因并进行克隆。通过对莲瓣兰大
雪素SEP1基因的初步研究,了解SEP1基因是植物
花器官调控途径的一个重要因子。
1 材料与方法
1.1 材 料
1)所采用材料为莲瓣兰大雪素(Cymbidium
tortisepalum),是中国兰花中的优秀品种,也是滇兰莲
瓣兰中的一颗明珠,是莲瓣兰代表品种。它盛开在元
旦春节花,它的花枝高挺出架,洁白的花朵显得格外清
雅、素净,具有暗香[9]。
2)必要培养液的配置。200mL LB培养液的配
制:2g胰蛋白胨、1g酵母提取物、1g NaCl(pH=7),
若配制固体培养基则加3g琼脂。
3)实验设备。计算机、PCR仪、电泳槽、离心机、
振荡床、超净工作台、恒温培养箱、冰箱、灭菌锅、烘箱、
移液设备、容器、刮子等。
1.2 方 法
1.2.1 RNA的提取
选用TransZol Plant(TransGen Biotech,Beijing,
code#ET 121-01)提取大雪素花器官的RNA,严格按
照试剂盒进行。
1.2.2 特异性引物设计
3′-RACE CDC Primer:5-AAGCAGTGGTAT-
CAACGCAGAGTAC(T)30VN-3
SEP-F 5-TTGAAAAGAGAGTAAGAGATGG-
GA-3
SEP-R 5-AACTTCTGATTTGCCCCCC-3
1.2.3 cDNA的合成
按SMART RACE cDNA Amplication Kit操作
流程进行。3’SMART-RACE PCR加入以下试剂于
灭菌的PCR反应管中:Total RNA,2μg;10×Advan-
tage PCR Buffer,5μL;dNTP mix(10mmol/L),
4μL;Primers(10μmol/L),各0.75μL;Advantage 2
Polymerase Mix,2μL;ddH2O 17.75μL。混合以上
试剂,短暂离心,将反应管放在预热的PCR仪上,按下
列程序进行循环:35的循环;94℃×3min 30s,
94℃×20s,58℃×30s,72℃×1min,72℃×7min,
4℃×∞循环结束后,取3μL样品在1%琼脂糖凝胶
上电泳,检测合成情况。
1.2.4 电泳检测,割胶回收目的片段
取5μL的PCR产物进行克隆,克隆方法参照文
献[7],随机筛选白色菌落,送北京华大基因公司进行
测序。
1.2.5 SEP1基因的表达
  选用 TransZol Plant(TransGen Biotech,Beijing,
code#ET 121-01)分别提取苞叶、花萼、花瓣,合蕊柱以
及授粉后3天的合蕊柱的RNA,然后进行cDNA的合
成。选用特异引物进行RT-PCR.,其引物序列如下:
SEP-F 5-ACGCATGTTGTAGGATACG-3
SEP-R 5-AACTTCTGATTTGCCCCCC-3
PCR反应条件与克隆该基因一样,反应终止取5
止的PCR产物,用1.0%琼脂糖凝胶电泳分析。
·01·
第35卷 第4期 2016年4月              种 子 (Seed)           Vol.35 No.4 Apr. 2016
图2 SEP1基因的核苷酸序列和编码的氨基酸序列
2 结果与分析
2.1 RACE的结果
图1 SEP1基因全长电泳结果
  用转录组测序方法获得了SEP1基因的序列,在
NCBI http://www.ncbi.nlm.nih.gov/database中进
行功能预测是SEP1 5′片段序列。为了进一步研究这
些基因的功能及表达特性,克隆了全长序列cDNA。
对瓣兰大雪素不同发育时期的花原基、花蕾以及合蕊
柱混合样品进行Total RNA的提取,琼脂糖凝胶电泳
方法监测RNA的质量;以 Total RNA为模板,按照
RACE试剂盒的说明进行反转录后得到3′端和5′端
cDNA模板,对3′端的cDNA 模板进行特异引物和
Outprimer进行PCR扩增,获得3′端片段,5′端与3′
端的序列进行拼接,再一次进行全长cDNA的克隆,
对菌液PCR进行扩增,见图1。
2.2 序列比对
通过测序获得了功能预测为SEP1基因的全长
cDNA。这个基因cDNA全长为1 047bp,包含有编码
框,207bp的5′UTR和87bp 3′UTR的非翻译区,并
具有olig(dT)的尾巴,具有完整的开放阅读框 (ORF)
753bp,编码250氨基酸的蛋白质,该基因序列从起始
密码子ATG,如图2。从莲瓣兰大雪素中分离出来的
SEP1基因,是属于MADS-box基因。
2.3 SEP1基因在各个花器官的表达
  从图3可以看出,SEP1基因除了授粉前合蕊柱
和授粉后3d合蕊柱,在其他各个花器官中都没有表
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研究报告  张雪梅 等:莲瓣兰大雪素SEP1基因克隆和表达的研究
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(上接第8页)
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达,包括包裹在花序外面的苞叶,而在授粉前的合蕊柱
中表达量最高。
注:1为授粉前合蕊柱;2为授粉后3天的合蕊柱;
3为唇瓣;4为花瓣;5为花萼;6为苞叶。
图3 SEP1基因在各个花器官的表达
3 讨 论
本实验以莲瓣兰大雪素为材料分离出SEP1基
因,通过RACE方法快速克隆出全长cDNA,确定该
基因为1 047bp的全长cDNA序列,编码250个氨基
酸。获得的序列及其推导的氨基酸序列在NCBI上进
行Blastx分析,发现其编码的蛋白质含有典型的
MADS结构域(MADS-MEF 2-like)和K结构域,这两
个保守结构域是MADS-box 基因家族的典型特征,具
有高度的保守性,与MADS-box家族中从其他植物提
取出的SEP1基因的同源性很高[3]。MADS-box 结
构域在MADS-box蛋白因子的 N末端,大约有60个
氨基酸组成具有高度保守结构域,可以和特异 DNA
结合[4],因此,MADS-box结构域具有DNA结合和蛋
白质二聚化的功能[5]。
SEP 类基因属于E类基因,在拟南芥中已研究得
比较清楚。用RACE方法从蝴蝶兰花葶和春兰中克
隆并己经证明SEP 基因参与花器官发育和植物开花
的调控[8]。而从莲瓣兰大雪素中还没有研究过,本研
究结果显示,该序列还与其他植物上克隆出来的
SEP1基因有很高的同源性[9]。在表达模式上,SEP1
在四轮中花器官中都表达,这与高等真双子植物中分
离出来的SEP1不一致,这也许与兰科比较复杂的花
器官结构有关系,将为后续的研究提供基础,并且了解
SEP1在莲瓣兰大雪素中的调控。
  虽然对花发育相关基因的研究已经有几十年,但
是对于SEP 基因功能的研究仍然存在着很多问题,
在兰花上的研究更少见,并且兰花SEP1基因的克隆
以及SEP1与开花相关基因、蛋白的作用关系还有待
进一步研究,另外,SEP1基因可以诱导开花,但其分
子机制和在莲瓣兰花中的调控机制还有待研究。
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第35卷 第4期 2016年4月              种 子 (Seed)           Vol.35 No.4 Apr. 2016